鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

淮海工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報告書課程名稱：專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)題目：鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系（院）：電子工程學(xué)院學(xué)期：2011-2012-1專業(yè)班級：自動化081姓名：學(xué)號：1引言鍋爐參數(shù)控制，是過程控制的典型實(shí)例。鍋爐微計(jì)算機(jī)控制，是近年來開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，我國現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染等嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。提高熱效率，降低耗煤量，用微機(jī)進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。工業(yè)生產(chǎn)過程中，用模擬控制來控制電加熱爐溫已經(jīng)取得了較為成熟的經(jīng)驗(yàn)，但他的控制精度較低，顯示操作不方便，為此引入了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對溫度進(jìn)行數(shù)字算法控制。由于鍋爐加熱的時間常數(shù)相對于采樣周期來說很大，所以鍋爐加熱控制系統(tǒng)的動態(tài)特性可以看作一階滯后環(huán)節(jié)來近似，在控制算法上可采用最小拍無紋波控制或其他純滯后補(bǔ)償算法。根據(jù)控制系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)控制方案和主電路及各檢測控制模塊電路，然后針對溫度控制要求計(jì)算電路元件所需參數(shù)，應(yīng)用最小拍無紋波控制算法，實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度控制。進(jìn)而了解溫度控制系統(tǒng)特點(diǎn)及運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)控制程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)自動控制溫度的方法。2設(shè)計(jì)電路圖及工作原理控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示，爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導(dǎo)通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓可在0～140V內(nèi)變化。可控硅的導(dǎo)通角為0～5bH。溫度傳感器是通過一只熱敏電阻及其放大電路組成，溫度越高其輸出電壓越小。外部LED燈的亮滅表示可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷的占空比時間，如果爐溫低于設(shè)定值則可控硅導(dǎo)通，系統(tǒng)加熱，否則系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設(shè)定值。設(shè)爐溫的給定值為450C,廣義被控對象的傳遞函數(shù)為Wd(s=o10e-s(s+1s。圖1系統(tǒng)的基本原理第1頁共10頁3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1輸入通道擴(kuò)展如圖2所示的是輸入通道的擴(kuò)展圖，利用8051單片機(jī)和ADC0809以及74LS373芯片組成的中斷控制方式的電路圖，在圖2中，由于ADC0809正在轉(zhuǎn)換是EOC＝０，轉(zhuǎn)換結(jié)束時EOC=1，而如果設(shè)單片機(jī)的外部中斷0為下降沿觸發(fā)的話，則EOC需要經(jīng)過反相器后才能連接至INT0。圖2中采用P2.5和WR啟動A/D轉(zhuǎn)換器，在單片機(jī)的振蕩頻率不太高的情況下，若ALE引腳的輸出頻率范圍滿足ADC0809的要求的話，可以直接作為ADC0809的時鐘輸入。第2頁共10頁圖2輸入通道擴(kuò)展電路圖3.2輸出通道擴(kuò)展圖3輸出通道擴(kuò)展電路圖圖3所示的是單片機(jī)與DAC0832組成的輸出通道的擴(kuò)展，圖中單片機(jī)與DAC0832采用的是單緩沖方式的接口電路，采用單緩沖方式的接口電路，DAC0832不能同步輸出，圖中DAC0832的CS和XFER都與地址線P2.2相連，當(dāng)?shù)刂肪€選通DAC0832后，只要輸出WR控制信號，DAC0832就能一步完成數(shù)字量的輸入所存和D/A轉(zhuǎn)換成輸出，圖3中采用的輸出方式為單極性輸出方式。3.3A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換器的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，是模擬量輸入通道必不可少的器件。常用的A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換原理上可分為逐次逼近型、計(jì)數(shù)比較型和雙積分型；從分辨率上可分為8位、12位、16位等。A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的硬件接口有3種方式：查詢方式、延時方式和中斷方式。查詢方式就是首先由CPU向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動脈沖，然后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的狀態(tài)，判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。如果結(jié)束，可以讀第3頁共10頁取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，否則繼續(xù)查詢，直到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳通常連接到數(shù)據(jù)線或I/O口線上。這種方法程序設(shè)計(jì)簡單，且可靠性高，但實(shí)時性差，大多數(shù)控制系統(tǒng)對于這點(diǎn)都是允許的，這種方法用的最多。該系統(tǒng)采用查詢方式。A/D轉(zhuǎn)換電路圖如圖4所示：圖4A/D轉(zhuǎn)換電路圖3.4D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換器就是一種把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號的器件，是模擬量輸出通道必不可少的器件。D/A轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的連接方式可有3種：直接連接、采用可編程并行接口和采用鎖存器連接。DAC0832是電流型輸出器件，根據(jù)運(yùn)放和DAC0832的連接方法不同，可以分為單極性輸出和單極性輸出。其控制方式可以分為雙緩沖和單緩沖方式。本系統(tǒng)采用了雙緩沖單極性輸出方式的接口電路如圖5所示：第4頁共10頁圖5D/A轉(zhuǎn)換電路圖3.5報警電路電路原理圖如圖6所示：圖6報警電路圖其中使用光耦TLP521-1進(jìn)行單片機(jī)隔離,當(dāng)加熱水溫超過預(yù)設(shè)值時，單片機(jī)口P2.4輸出高電平，光耦導(dǎo)通，繼電器開始動作，其長弊端閉合，+5V電源接入，聲光報警功能啟動。音樂芯片采用市場上常用的警笛報警芯片，價格便宜，同時發(fā)出聲音比蜂鳴器大許多。3.6鍵盤電路設(shè)計(jì)圖7所示的為獨(dú)立聯(lián)接式無編碼鍵盤電路。當(dāng)鍵盤數(shù)較少時,采用獨(dú)立聯(lián)接式鍵盤可以使系統(tǒng)簡單有效。獨(dú)立式鍵盤是最簡單的鍵盤結(jié)構(gòu)形式，每個按鍵的電路是獨(dú)立的，都有單獨(dú)一根I/O口線采集鍵的通斷狀態(tài)。當(dāng)某鍵按下時，對應(yīng)口線被下拉到地；斷開時，口線被電阻上拉到＋5V。顯然，通過檢測各I/O口線的狀態(tài)，就能知道有無鍵閉合以及哪個鍵閉合。圖7鍵盤電路圖3.7LED顯示電路設(shè)計(jì)如圖8所示的是LED動態(tài)掃描接口電路，圖中LE=P2.7+WR，片選信號是從8051單片機(jī)的P1.4至P1.7經(jīng)過反相器連接至LED顯示管上的，而位選信號則是8051單片機(jī)經(jīng)過74LS373連接至4個LED的顯示管上。圖8LED顯示電路圖4最少拍無紋波計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已知被控對象的傳遞函數(shù)為Wd(s=10e-s(s+1s，取采樣周期T=0.5s用零階保持器溝通數(shù)字控制器與被控對象聯(lián)系時，該系統(tǒng)廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z=Z[1-esTs?10e-ss(s+11s2]1s-1=10z(1-z(=10z(1-z[z-2-1-1-1-1-1-+1s+121+11-e-0.50.5z-1(1-z-0.5-1-z-1z-1]=[z(1-1.5e-1-3+(e-0.5-2-1-0.5-1-0.5](1-z(1-e0.9025z-1z=+1.065z(1-z(1-0.6065z再確定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)和誤差脈沖傳遞函數(shù)φ(z=az-2+0.09025az-1-3-2We(z=(1-z(1+f1z-1+f2z通過φ(z=1-We(z聯(lián)立求解上式得f1=1,f2=0.8474,a=0.1526We(z=1-0.1526z-2-0.8474z-3因此控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z=φ(zG(zWe(z-1=(1-1.6065z(0.9025z-3+0.6065z-2-2-2(0.1526z-3-2-2+0.1293z-0.8474z-4-3-3-5+1.0652z(1-0.1526z-2-3-4-5-61.065z+0.9025z-0.1625z-1.0402z-0.7648z=0.1526z-0.1159z-0.1152z+0.0784z5MATLAB仿真5.1Simulink仿真圖如圖9所示:圖9Simulink仿真圖5.2MATLAB仿真波形如圖10所示：圖10MATLAB仿真波形6軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件主要包括：溫度的采樣和處理、控制計(jì)算、中斷、顯示、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改。其中控制算法采用最小拍無紋波控制算法，以達(dá)到更好的控制效果。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖11所示:圖11程序總體流程圖7說明書該系統(tǒng)是鍋爐溫度控制系統(tǒng)，首先用鍵盤輸入給定的溫度值，溫度傳感器進(jìn)行溫度的采集，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行、標(biāo)度變換并與輸入的參照溫度相比較，得出誤差，根據(jù)最小拍無紋波控制算法求出控制溫度達(dá)到期望值所需要的控制量控制可控硅的導(dǎo)通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，從而改變電路的輸出功率，達(dá)到調(diào)溫作用。8參考文獻(xiàn)[1]范立南，李雪飛.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2009[2]陳夕松，汪木蘭.過程控制系統(tǒng).北京：科學(xué)出版社,2005[3]潘新民.微型計(jì)算機(jī)與傳感器技術(shù).北京：人民郵電出版社,1996[4]劉玉強(qiáng)，劉曉為等.高溫?cái)U(kuò)散爐恒溫區(qū)溫