自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)

摘要過熱蒸汽溫度作為工業(yè)鍋爐運(yùn)行中的一項(xiàng)重要參數(shù)，反映出設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，鍋爐過熱蒸汽溫度過高或過低，都將給安全生產(chǎn)帶來不利影響，必須嚴(yán)格地將溫度控制在給定值附近。鍋爐過熱蒸汽溫度被控對(duì)象是一種多容環(huán)節(jié)，含有大延遲、大慣性以及時(shí)變性等特性，干擾因素多，屬于可控性比較差的一種調(diào)節(jié)對(duì)象。針對(duì)鍋爐過熱蒸汽溫度的上述特點(diǎn)，本文在分析了鍋爐過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)任務(wù)，溫度調(diào)節(jié)對(duì)象的靜、動(dòng)態(tài)特性，控制難點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，充足運(yùn)用含糊PID控制的動(dòng)態(tài)特性好和PI調(diào)節(jié)能消除靜態(tài)偏差的特性，通過調(diào)節(jié)含糊PID控制器的控制規(guī)則，改善了控制系統(tǒng)的系能。本文設(shè)計(jì)了一種基于AT89C52單片機(jī)的鍋爐過熱蒸汽溫度監(jiān)控系統(tǒng),這種方案可大大提高鍋爐工作效率和控制精度，使鍋爐過熱蒸汽溫度按實(shí)際生產(chǎn)穩(wěn)定在一定范疇，提高鍋爐工作的安全性，有助于自動(dòng)化水平的提高。并且運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控，含有成本低廉、可靠性高、構(gòu)造簡(jiǎn)樸等特點(diǎn)。核心詞：過熱蒸汽；溫度；含糊PID控制；單片機(jī)ABSTACTSuperheatedsteamtemperatureisanimportantparameterintheoperatecourseoftheindustryboiler,itreflectsthesecurityandefficiencyoftheequipmentoperate.Theboilersuperheatedsteamtemperatureisexcessivelyhighorexcessivelylow,willallbringdisadvantageeffecttothesafeproduction,sowemustcontrolthetemperatureintheroundofinitialization.Theboilersuperheatedsteamtemperatureobjectisamini-containerelement,ithasabigdelaycharacteristicandavarietymodelwithvarietytimecharacteristic,italsohasmanydisturbances,itbelongstoamoredifficultadjustobject.Accordingtotheabovefeaturesofboilersuperheatedsteamtemperate,thisdissertationstudiedtheapplicationofFuzzy-PIcompositeserialcontrolintheboilertemperaturesystemofboilerbythefullyuseofboththegooddynamiccharacteristicsoffuzzyPIDcontrolandeliminatingstaticdeviationofPIcontrolonthebaseofanalysistotheadjustmissionoftheboilertemperature,thestaticcharacteristicsandthedynamiccharacteristicsoftheboilertemperatureobject,thedifficultytocontrolitanditsdesignprinciple.ThencontrolrulesofthefuzzyPIDcontrollerwereadjusted,soitimprovestheperformanceofcontrolsystem.ThispaperintroducesadesignbasedontheboilerAT89C52SCMtemperaturemonitoringsystem,thisprojectcangreatlyimprovetheefficiencyandaccuracy,theboilersuperheatedsteamtemperaturestablesincertainscopeaccordtoactualproduction,italsocanimprovethesafetyofboiler,ithelpstoraisethelevelofautomation.Thisdesignislowcost,simplestructurehighreliability.Keywords:SuperheatedSteam;Temperature;FuzzyPIDControl;SingleChip目錄1緒論 51.1課題研究的背景和意義 51.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61.3本課題研究所采用的辦法 91.4本論文研究的重要內(nèi)容 92鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的概述 112.1鍋爐系統(tǒng)的工藝流程介紹 112.2鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的任務(wù) 132.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及框圖 142.4鍋爐過熱蒸汽溫度控制的難點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則 152.5串級(jí)控制系統(tǒng) 163控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 183.1被控對(duì)象的靜、動(dòng)態(tài)特性及控制參數(shù)選擇原則 183.1.1被控調(diào)節(jié)對(duì)象的靜態(tài)特性 183.1.2被控調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 183.1.3選擇控制參數(shù)的原則 183.2檢測(cè)、變送器選擇 193.2.1溫度傳感器的選擇 193.2.2A/D轉(zhuǎn)換模塊 223.3執(zhí)行器選擇 273.4控制器的設(shè)計(jì) 283.4.1含糊控制基本原理 293.4.2含糊自適應(yīng)PID控制器 303.4.3控制器參數(shù)自整定 323.4.4控制規(guī)則的設(shè)計(jì) 333.4.5采樣周期的選用 364控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 384.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 384．2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 394.2.1AT89C52單片機(jī)的特點(diǎn) 394.2.2電源模塊設(shè)計(jì) 404.2.3模擬信號(hào)放大模塊 414.2.4報(bào)警電路設(shè)計(jì) 424.2.5顯示電路模塊 435控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 455.1DS18B20程序模塊設(shè)計(jì) 475.2報(bào)警程序設(shè)計(jì) 475.3A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) 485.4含糊PID參數(shù)整定設(shè)計(jì) 506結(jié)論與展望 51參考文獻(xiàn) 53致謝 54附錄1系統(tǒng)硬件原理圖 551緒論1.1課題研究的背景和意義鍋爐系統(tǒng)是一種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，它是一種多參數(shù)、多回路、非線性、大滯后、強(qiáng)耦合的控制系統(tǒng)。它的過程控制受汽包水位、爐膛溫度、蒸汽壓力、鍋爐燃燒狀況、爐膛負(fù)壓、爐膛溫度、蒸汽流量等多個(gè)因素的影響。由于工業(yè)鍋爐的重要產(chǎn)品是蒸汽，因此，鍋爐過熱蒸汽溫度控制是鍋爐各項(xiàng)控制因素中最為重要的之一。由于控制因素的復(fù)雜性，我們只針對(duì)過熱蒸汽溫度進(jìn)行控制，忽視其它因素的影響，是鍋爐控制系統(tǒng)中簡(jiǎn)化過程。過熱蒸汽有其本身的應(yīng)用領(lǐng)域，如用在發(fā)電機(jī)組的透平，通過噴嘴至電機(jī)，推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。但是過熱蒸汽極少用于工業(yè)制程的熱量傳遞過程，這是由于過熱蒸汽在冷凝釋放蒸發(fā)焓之前必須先冷卻到飽和溫度，很顯然，與飽和蒸汽的蒸發(fā)焓相比，過熱蒸汽冷卻到飽和溫度釋放的熱量是很小的，從而會(huì)減少工藝制程設(shè)備的性能。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的控制參數(shù)之一，對(duì)溫度的測(cè)量和控制含有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。特別是在諸多工業(yè)場(chǎng)合，溫度控制的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，例如在鍋爐過熱蒸汽溫度的控制中，整個(gè)過程都規(guī)定對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制和測(cè)量。普通過熱器正常運(yùn)行時(shí)的溫度已經(jīng)靠近材料允許的極限溫度，因此，必須相稱嚴(yán)格地將鍋爐過熱蒸汽溫度控制在給定值附近。普通中、高壓鍋爐過熱蒸汽溫度的臨時(shí)偏差不允許超出±10oC,長久偏差不允許超出±5oC，這個(gè)規(guī)定對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)來說是非常高的。溫度偏差高會(huì)使蒸汽管道、汽輪機(jī)內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過大的熱膨脹變形而損壞，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。溫度偏低則會(huì)減少機(jī)組的熱效率，增加燃料消耗量，浪費(fèi)能源，同時(shí)會(huì)使汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，加速汽輪機(jī)葉片的水蝕，從而縮短汽輪機(jī)葉片的使用壽命，因此鍋爐過熱蒸汽溫度過高或過低都是生產(chǎn)過程所不允許的。為了確保鍋爐過熱蒸汽溫度的品質(zhì)和生產(chǎn)過程的安全性、經(jīng)濟(jì)性，鍋爐過熱蒸汽溫度必須通過自動(dòng)化手段加以控制。因此對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的測(cè)量和控制對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用。鍋爐過熱蒸汽溫度普通能夠看作多容分布參數(shù)受控對(duì)象，其動(dòng)態(tài)特性描述可用多容慣性環(huán)節(jié)表達(dá)，該對(duì)象含有明顯的滯后特性。當(dāng)代鍋爐機(jī)組大多采用那些大容量、高參數(shù)、高效率的大型鍋爐，其過熱器管道加長，構(gòu)造也更復(fù)雜。在鍋爐運(yùn)行中，影響過熱器出口蒸汽溫度的因素諸多，有蒸汽流量、燃燒狀況、鍋爐給水溫度、流過過熱器的煙氣溫度、流量、流速等等。在這些因素的共同作用下，鍋爐過熱蒸汽溫度對(duì)象除了含有多容大慣性、大延遲特性之外，往往體現(xiàn)出一定的非線性和時(shí)變特性，因此，鍋爐過熱蒸汽溫度控制是鍋爐各項(xiàng)控制中較為困難的任務(wù)之一。針對(duì)上述狀況，鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，既規(guī)定對(duì)煙氣側(cè)擾動(dòng)及負(fù)荷擾動(dòng)等較大外擾含有足夠快的校正速度，同時(shí)又規(guī)定對(duì)溫度控制有較強(qiáng)的克制能力，從而使系統(tǒng)含有足夠的穩(wěn)定性和良好的控制品質(zhì)，并能確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。因此，能否對(duì)鍋爐過熱蒸汽溫度進(jìn)行有效的控制，研究如何改善鍋爐過熱蒸汽溫度系統(tǒng)的控制品質(zhì)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)能否安全運(yùn)行來說是至關(guān)重要的，在經(jīng)濟(jì)性上也有十分重要的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀工業(yè)鍋爐是一種比較復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備，有幾十個(gè)測(cè)量參數(shù)，控制參數(shù)和擾動(dòng)參數(shù)，它們之間互相作用，互相影響，存在明顯的或不明顯的復(fù)雜因果關(guān)系，并且測(cè)控參數(shù)也經(jīng)常變化，存在一定的非線性特性，這一切都為鍋爐的控制增加了難度。面對(duì)含有大延遲、大慣性對(duì)模型參數(shù)有較大影響的鍋爐溫度對(duì)象，如何穩(wěn)定、精確、快速地對(duì)其進(jìn)行有效的控制始終是國內(nèi)外廣大專家學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)工作人員關(guān)注的熱點(diǎn)問題。縱觀溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史，大致能夠分為五個(gè)階段：第一階段是20世紀(jì)40年代以前，工業(yè)生產(chǎn)比較落后，大部分工業(yè)生產(chǎn)過程都處在手工操作狀態(tài)，特別是在某些工況變化幅度較大的環(huán)境下，只能采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)。第二階段是50年代前后在有些公司中實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量?jī)x表化和局部控制自動(dòng)化，但多數(shù)采用的是基地式儀表和氣動(dòng)儀表。第三階段是60年代以來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不停發(fā)展，對(duì)溫度控制系統(tǒng)也提出了新的規(guī)定。電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，為測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)明了條件，其先后經(jīng)歷了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)幾個(gè)體現(xiàn)形式。氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表，以及以計(jì)算機(jī)為核心的測(cè)控系統(tǒng)開始應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。這種測(cè)控模式系統(tǒng)的信號(hào)解決和運(yùn)算由測(cè)控計(jì)算機(jī)完畢，而測(cè)量?jī)x器和執(zhí)行器由特殊功效原件構(gòu)成，不對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算解決。第四個(gè)階段是20世紀(jì)70年代以來，隨著大規(guī)模集成電路和多個(gè)微解決器的相繼問世，以微解決器為核心的具體程序檢測(cè)控制功效的溫度控制裝置得到了廣泛應(yīng)用。第五個(gè)階段是20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)（DCS），又稱分布式控制系統(tǒng)。該階段的特點(diǎn)是：以微解決器為核心，實(shí)現(xiàn)控制分散，信息集中的功效，運(yùn)用高速數(shù)據(jù)通道連接各個(gè)模塊或設(shè)備，并通過通道接口與局域網(wǎng)絡(luò)相連，使設(shè)備間能夠運(yùn)行信息交換并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)資源的共享，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性，含有豐富和諧的人機(jī)接口。由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)辦法發(fā)展的推動(dòng)下，國外鍋爐溫度控制系統(tǒng)發(fā)展快速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面獲得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)秀的鍋爐溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們重要含有以下的特點(diǎn)：

1）適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。

2）能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。

3）能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。

4）這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、含糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范疇廣泛。

5）普遍溫控器含有參數(shù)自整定功效。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器含有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功效。有的還含有自學(xué)習(xí)功效，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化狀況，自動(dòng)調(diào)節(jié)有關(guān)控制參數(shù)，以確保控制效果的最優(yōu)化。

6）溫度控制系統(tǒng)含有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)?，F(xiàn)在，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。鍋爐系統(tǒng)是一種多參數(shù)、多回路、非線性、大滯后、強(qiáng)耦合的控制系統(tǒng)，加上其蒸汽負(fù)荷變化的隨機(jī)性，用傳統(tǒng)的控制辦法不能達(dá)成抱負(fù)的控制效果。但是某些純熟的操作人員、鍋爐領(lǐng)域?qū)＜覅s能得心應(yīng)手的進(jìn)行手動(dòng)控制，這就給基于知識(shí)規(guī)則的含糊控制的應(yīng)用提供了廣闊的空間，由于含糊控制是一種模擬人的思維的控制辦法，它不規(guī)定受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，能解決大量常規(guī)控制難以解決的控制難題。因此，將含糊PID控制應(yīng)用于鍋爐的控制系統(tǒng)，含有較強(qiáng)的理論與實(shí)踐意義?，F(xiàn)在，不管是國外還是國內(nèi)的鍋爐過熱蒸汽溫度控制也重要采用含糊PID控制。含糊PID控制效果與控制參數(shù)的選擇有很大的關(guān)系，通過含糊PID參數(shù)的整定和優(yōu)化，使控制系統(tǒng)含有良好的控制效果，能滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。1.3本課題研究所采用的辦法溫度是一種滯后量，給控制帶來了比較大的難度，采用普通的開關(guān)量來控制蒸汽溫度值會(huì)在設(shè)定值的很大范疇內(nèi)上下浮動(dòng)，不會(huì)穩(wěn)定在設(shè)定值，因此要采用某些控制算法，而基于含糊PID控制算法比較成熟，控制精度高，且適應(yīng)性好，比較簡(jiǎn)樸實(shí)用，在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛。本文的研究辦法，就是針對(duì)鍋爐過熱蒸汽溫度的特點(diǎn)，在進(jìn)一步分析鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的過程，鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及鍋爐溫度控制的設(shè)計(jì)難度的基礎(chǔ)上，研究在鍋爐溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用含糊PID控制的可行性，通過整定控制參數(shù)，以優(yōu)化含糊控制系統(tǒng)。并且由控制系統(tǒng)輸出信號(hào)來控制執(zhí)行器，通過單片機(jī)控制器去控制減溫水調(diào)節(jié)閥的閥位開度，根據(jù)調(diào)節(jié)減溫水的流量大小來控制過熱蒸汽溫度的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐過熱蒸汽溫度的控制。1.4本論文研究的重要內(nèi)容本課題采用AT89C52單片機(jī)對(duì)鍋爐過熱蒸汽溫度進(jìn)行監(jiān)控，重要任務(wù)是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行含糊PID調(diào)節(jié)控制，完畢鍋爐過熱蒸汽溫度控制的軟硬件設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的溫度檢測(cè)報(bào)警仿真，分析各個(gè)模塊的功效和系統(tǒng)的控制過程。1.含糊PID調(diào)節(jié)控制模塊以下：結(jié)合鍋爐過熱蒸汽溫度工藝過程的特點(diǎn)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行理論分析，分析控制系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性，提出適合于鍋爐過熱蒸汽溫度過程控制的含糊PID控制。并對(duì)控制算法的實(shí)現(xiàn)、控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)整定技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。2.硬件設(shè)計(jì)模塊以下：（1）單片機(jī)控制模塊：采用AT89C52對(duì)系統(tǒng)控制。（2）電源模塊：采用±5V電壓對(duì)控制系統(tǒng)供電。（3）溫度采集模塊:本設(shè)計(jì)采用熱電偶和DS18B20溫度傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，若采用DS18B20能夠精確的采集低溫信號(hào)，直接將數(shù)字量送至單片機(jī)和顯示模塊，若采用熱電偶則需要采用A/D轉(zhuǎn)換模塊和濾波放大模塊。（4）超限報(bào)警模塊：采集到的溫度信號(hào)經(jīng)單片機(jī)分析超出上下限值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并且進(jìn)行單閉環(huán)溫度調(diào)節(jié)，使鍋爐過熱蒸汽溫度穩(wěn)定在實(shí)際生產(chǎn)值。（5）A/D轉(zhuǎn)換模塊：A/D轉(zhuǎn)換模塊采用了ADC0809。（6）顯示模塊：采用1602液晶顯示。3.軟件設(shè)計(jì)模塊以下：（1）總控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（2）A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)（3）DS18B20溫度采集模塊設(shè)計(jì)（4）超限報(bào)警模塊設(shè)計(jì)（5）含糊PID控制參數(shù)整定2鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的概述2.1鍋爐系統(tǒng)的工藝流程介紹鍋爐是電力、冶金、石油化工等工業(yè)部門不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，它是用熱能來加熱工質(zhì)(普通為水)產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備，最基本的構(gòu)成是汽鍋和爐膛兩大部分。常見的工業(yè)鍋爐系統(tǒng)如圖2.1所示。鍋爐設(shè)備的工作過程概括起來涉及三個(gè)同時(shí)進(jìn)行著的過程：燃料的燃燒過程，煙氣向水的傳熱過程和水的汽化過程?，F(xiàn)簡(jiǎn)要敘述鍋爐的三個(gè)過程。(1)燃煤鍋爐的燃燒過程燃料煤加到煤斗中并落在爐排上，電機(jī)通過減速機(jī)、鏈條帶動(dòng)爐排轉(zhuǎn)動(dòng)，將燃料煤帶入爐內(nèi)。燃料煤一邊燃燒一邊向后移動(dòng)，燃燒所需要的空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入爐排中間的風(fēng)箱后，向上通過爐排達(dá)成燃料燃燒層。風(fēng)量和燃料量成比例(風(fēng)煤比)，方便進(jìn)行充足燃燒，形成高溫?zé)煔狻Ｈ剂厦喝紵Ｓ嗟幕以?，在爐排末端通過除渣板后排入灰斗。這一整個(gè)過程稱為燃燒過程。(2)煙氣向水的傳熱過程由于燃料的燃燒放熱，爐膛內(nèi)溫度很高。在爐膛四周墻面上都布置著一排水管，稱為水冷壁。高溫?zé)煔馀c水冷壁進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射換熱和對(duì)流換熱，將熱量傳遞給管內(nèi)的水。繼而煙氣受引風(fēng)機(jī)、煙囪的引力向爐膛上方流動(dòng)。煙氣經(jīng)出煙窗(爐膛出口)并通過防渣管后就沖刷蒸汽過熱器(蒸汽過熱器是一組垂直放置的蛇形管受熱面，使汽鍋中產(chǎn)生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而過熱)。煙氣流通過熱器后又通過接在上、下爐筒間的對(duì)流管束，使煙氣沖刷管束，再次以對(duì)流換熱方式將熱量傳遞給管束內(nèi)的水。沿途減少溫度的煙氣最后進(jìn)入尾部煙道，與省煤器和空氣預(yù)熱器內(nèi)的水進(jìn)行熱交換后，較低溫度的煙氣通過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。省煤器事實(shí)上就是給水預(yù)熱器，它和空氣預(yù)熱器同樣，都設(shè)立在鍋爐尾部煙道中，以減少排煙溫度，提高鍋爐效率，從而節(jié)省燃料。(3)水的汽化過程水的汽化過程就是蒸汽的產(chǎn)生過程，重要涉及水循環(huán)和汽水分離過程。通過除氧等解決的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入汽鍋。鍋爐工作時(shí)，汽鍋中的工作介質(zhì)是處在飽和狀態(tài)下的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對(duì)流管束，因受熱較弱，汽水的容重較大；而位于煙氣高溫區(qū)的水冷壁和對(duì)流管束，因受熱強(qiáng)烈，對(duì)應(yīng)水的容重較小，因而容重大的往下流入下鍋筒，而容重小的則向上流入上鍋筒，形成了水的自然循環(huán)。蒸汽產(chǎn)生的過程是借助上爐筒內(nèi)裝設(shè)的汽水分離設(shè)備，以及在鍋筒本身空間中的重力分離作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒項(xiàng)部引出后進(jìn)入蒸汽過熱器，而分離下來的水仍回到上鍋筒下半部分的水中。圖2-1工業(yè)鍋爐工藝系統(tǒng)構(gòu)成圖鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要，供應(yīng)一定壓力或溫度的蒸汽，同時(shí)要使鍋爐在安全、經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。按照這些控制規(guī)定，鍋爐設(shè)備將有以下重要的控制系統(tǒng)： ①鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)：重要是保持汽包內(nèi)部的無聊平衡，使機(jī)水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范疇內(nèi)；②鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：其控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，使燃料與空氣量保持一定的比值，確保燃燒的經(jīng)濟(jì)型和鍋爐的安全運(yùn)行，使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負(fù)壓在一定范疇內(nèi)。③過熱蒸汽系統(tǒng)控制：重要使過熱器出口溫度保持在允許范疇內(nèi)，并確保管壁溫度不超出工藝允許范疇；④鍋爐水解決過程：重要使鍋爐給水的水性能指標(biāo)達(dá)成工藝規(guī)定。2.2鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的任務(wù)鍋爐過熱蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。鍋爐過熱蒸汽溫度過高或過低都會(huì)影響工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。由于在鍋爐運(yùn)行中，過熱器正常運(yùn)行的溫度普通靠近于材料允許的最高溫度。如果鍋爐過熱蒸汽溫度過高，則過熱器、蒸汽管道容易損壞，也會(huì)使汽輪機(jī)內(nèi)部引發(fā)過分的熱膨脹造成汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞；如果鍋爐過熱蒸汽溫度過低，則會(huì)減少燃料的熱效率，普通溫度每減少5—10oC，熱效率約減少1%，并且溫度減少會(huì)使汽輪機(jī)軸向推力增大而造成推力軸承過載，還會(huì)引發(fā)汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，易引發(fā)葉片侵蝕。因此，鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的任務(wù)是：(1)克服多個(gè)干擾因素，將過熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的范疇內(nèi)，從而保持蒸氣品質(zhì)合格。(2)保護(hù)過熱器管壁溫度不超出允許的工作溫度。2.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及框圖所謂自動(dòng)控制系統(tǒng)是由控制裝置和被控對(duì)象所構(gòu)成的，它們以某種互相依賴的方式結(jié)合成為一種有機(jī)整體，并對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制。任何一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，都是由被控對(duì)象(工藝設(shè)備)和自動(dòng)控制設(shè)備（變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器）兩大部分構(gòu)成的。由于鍋爐過熱蒸汽溫度控制所涉及的生產(chǎn)設(shè)備和過程的復(fù)雜性，有必要根據(jù)過程的原理，構(gòu)造和機(jī)理分析，理解其動(dòng)態(tài)特性的基本屬性、特點(diǎn)。熱電偶將鍋爐中檢測(cè)到的溫度值變換為電壓信號(hào)，再送入與參考輸入電壓進(jìn)行比較放大，將放大后的偏差驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，來帶動(dòng)閥門的開大與開小。如果實(shí)際的溫度值不不大于抱負(fù)值，則執(zhí)行電機(jī)將向使閥門關(guān)小的方向運(yùn)行，反之，向開大的方向運(yùn)行。其職能框圖如圖2.2所示。被控量溫度給定溫度擾動(dòng)比較放大被控量溫度給定溫度擾動(dòng)比較放大調(diào)節(jié)閥閥門混合器鍋爐放大器熱電偶空氣熱電偶圖2-2自動(dòng)控制的鍋爐溫度控制系統(tǒng)職能框圖被控對(duì)象：過熱蒸汽；被控量：鍋爐過熱蒸汽溫度T；干擾：工件的多少，環(huán)境溫度等；測(cè)量元件：熱電偶用來測(cè)量過熱蒸汽實(shí)際溫度，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫縐b；給定元件：給定電位器，其輸出電壓相稱于規(guī)定的蒸汽溫度T；比較元件：通過比較電路完畢給定電壓Ur與反饋電壓Ub的減法運(yùn)算，偏差電壓△U相稱于鍋爐過熱蒸汽溫度的偏差量。執(zhí)行元件：調(diào)節(jié)閥及傳動(dòng)裝置。工作原理：假定實(shí)際溫度正好等于給定溫度，這時(shí)△U=Ur-Ub=0，故調(diào)節(jié)閥靜止不動(dòng)，調(diào)節(jié)器輸出電壓一定，鍋爐過熱蒸汽處在規(guī)定的恒溫狀態(tài)。如果增加工件，鍋爐的負(fù)荷加大，而給定電壓一時(shí)沒變，則蒸汽溫度就要下降。經(jīng)熱電偶測(cè)量后給出電壓Ub減小，使△U=Ur-Ub﹥0，從而使溫度回升，直到重新等于給定值Ub=Ur為止。如果負(fù)荷減小或煤氣壓力忽然加大，則蒸汽溫度升高。Ub隨之加大，使△U=Ur-Ub﹤0，使溫度下降，直到重新等于給定值為止。由此看出，系統(tǒng)是通過熱電偶測(cè)量被控量，并反饋到系統(tǒng)的輸入端，從而形成了閉合回路，此反饋信號(hào)通過比較線路與給定值進(jìn)行減法運(yùn)算，獲得偏差信號(hào)，系統(tǒng)再根據(jù)偏差信號(hào)的大小和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)是一種按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)中，除烘烤爐和供氣設(shè)備外，其它部件構(gòu)成了溫度控制裝置。2.4鍋爐過熱蒸汽溫度控制的難點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的難點(diǎn)在于：（1）鍋爐過熱蒸汽溫度作為調(diào)節(jié)對(duì)象，其重要特點(diǎn)是滯后時(shí)間較大。在發(fā)生擾動(dòng)后，溫度不會(huì)立刻發(fā)生變化。另外，測(cè)量溫度的傳感器也有較大的慣性，在動(dòng)態(tài)過程中不能及時(shí)的發(fā)出測(cè)量和調(diào)節(jié)信號(hào)。（2）設(shè)備的構(gòu)造設(shè)計(jì)與自動(dòng)調(diào)節(jié)的規(guī)定存在矛盾。從調(diào)節(jié)的角度看，減溫設(shè)備應(yīng)安裝在過熱器出口的地方，這樣能夠使調(diào)節(jié)作用的時(shí)滯最小，使輸出的蒸汽溫度波動(dòng)小，但是從設(shè)備安全的角度看，減溫設(shè)備應(yīng)安裝在過熱器入口的地方。（3）造成鍋爐過熱蒸汽溫度擾動(dòng)的因素諸多，多個(gè)因素之間又互相影響，使對(duì)象的動(dòng)態(tài)過程十分復(fù)雜。能使過熱器出口氣溫變化的因素有：蒸汽流量的變化、燃燒工況的變化、鍋爐給水溫度的變化、流通過熱器煙氣溫度即流速的變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等?？偠灾?，鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則可歸納為：（1）從動(dòng)態(tài)特性的角度考慮，變化煙氣側(cè)參數(shù)（如變化煙溫或煙氣流速）的調(diào)節(jié)手段是比較抱負(fù)的，但具體實(shí)現(xiàn)比較困難的，因此普通極少被采用。（2）噴水減溫對(duì)過熱器的安全運(yùn)行比較抱負(fù)，盡管對(duì)象的調(diào)節(jié)特性不夠抱負(fù)，但還是現(xiàn)在被廣泛使用的鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)辦法。采用噴水減溫時(shí)，由于對(duì)象調(diào)節(jié)通道有較大的延遲和慣性以及運(yùn)行中規(guī)定有較小的溫度控制偏差，因此采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)往往不能獲得好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。針對(duì)鍋爐溫度調(diào)節(jié)對(duì)象調(diào)節(jié)通道慣性延遲大、被調(diào)量信號(hào)作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號(hào)，以改善對(duì)象調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量。（3）使用快速的測(cè)量元件，安裝在對(duì)的的位置，以確保測(cè)量信號(hào)傳遞的快速性，減小延遲和慣性。如果測(cè)量元件的延遲和慣性比較大，就不能及時(shí)反映鍋爐過熱蒸汽溫度的變化，就會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，影響控制質(zhì)量。（4）由于過熱器管道的長度不停加長，延遲和慣性越來越大，采用一級(jí)減溫已不能滿足規(guī)定，能夠采用多級(jí)減溫，以確保溫度控制的規(guī)定。2.5串級(jí)控制系統(tǒng)隨著鍋爐機(jī)組越來越向大容量、高參數(shù)和高效率的方向發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)日益復(fù)雜、系統(tǒng)的耦合性、時(shí)變性、非線性等特點(diǎn)顯得更加突出，對(duì)于這些復(fù)雜較難控制的過程，控制質(zhì)量規(guī)定很嚴(yán)的參數(shù)，簡(jiǎn)樸控制系統(tǒng)就無能為力了。因此，需要改善控制構(gòu)造，增加輔助回路或添加其它環(huán)節(jié)，構(gòu)成復(fù)雜控制系統(tǒng)，其中最普遍的是串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖2.3所示。圖2-3串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖由上圖可知，主控制器的輸出即副控制器的給定，而副控制器的輸出直接送往控制閥。主控制器的給定值是由工藝規(guī)定的，是一種定制，因此，主環(huán)是一種定值控制系統(tǒng)；而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副環(huán)是一種隨動(dòng)控制系統(tǒng)。鍋爐串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程是：當(dāng)處在穩(wěn)定工況時(shí)，被加熱物料的流量和溫度不變，燃料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不變，爐出口溫度和爐膛溫度均處在相對(duì)平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定的開度，此時(shí)爐出口溫度穩(wěn)定在給定值上，當(dāng)擾動(dòng)破壞了平衡工況時(shí)，串級(jí)系統(tǒng)便開始了其控制過程。串級(jí)控制系統(tǒng)中增加了一種包含二次擾動(dòng)的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力，提高了對(duì)一次擾動(dòng)的克服能力和對(duì)回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。普通來說，一種設(shè)計(jì)合理的串級(jí)控制系統(tǒng)，當(dāng)干擾從副回路進(jìn)入時(shí)，其最大偏差將會(huì)較小到控制系統(tǒng)的，即便是干擾從主回路進(jìn)入，最大偏差也會(huì)縮小到單回路控制系統(tǒng)的。但是，如果串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得不合理，其優(yōu)越性就不能夠充足體現(xiàn)。因此，串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性十分重要。3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1被控對(duì)象的靜、動(dòng)態(tài)特性及控制參數(shù)選擇原則3.1.1被控調(diào)節(jié)對(duì)象的靜態(tài)特性鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象的靜態(tài)特性是指過熱蒸汽溫度隨鍋爐負(fù)荷變化的靜態(tài)關(guān)系。對(duì)于輻射式過熱器，由于負(fù)荷增加時(shí)爐膛的溫度升高不多，而爐膛的煙溫升高所增加的輻射熱量不大于蒸汽負(fù)荷增大所需要的吸熱量，因此輻射式過熱器的出口隨負(fù)荷增加而減少。可見，過熱器的傳熱形式、構(gòu)造、布置將直接影響過熱器的靜態(tài)特性?，F(xiàn)在大型鍋爐的過熱器系統(tǒng)都采用了對(duì)流式過熱器、輻射式過熱器和屏式過熱器交替布置的構(gòu)造，這有助于減小過熱器出口汽溫的偏差，并改善過熱汽溫對(duì)象的靜態(tài)特性。3.1.2被控調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指導(dǎo)起鍋爐過熱蒸汽溫度變化擾動(dòng)與溫度之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。引發(fā)鍋爐蒸汽溫度變化的因素諸多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、鍋爐給水溫度變化流通過熱器的煙氣的溫度和流速的變化等等，這些因素還很可能互相制約。歸納起來，鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的擾動(dòng)重要來自三個(gè)方面：蒸汽流量變化（負(fù)荷變化），加熱煙氣的熱量變化和減溫水流量變化（過熱器入口氣溫變化）。通過對(duì)鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象作階躍擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，可得到在不同擾動(dòng)作用下的對(duì)象動(dòng)態(tài)特性。3.1.3選擇控制參數(shù)的原則通過上述分析，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，選擇參數(shù)的普通原則是：（1）控制通道的放大系數(shù)K0要適宜大某些；時(shí)間常數(shù)T0要適宜小某些，純滯后愈小愈好，在有純滯后狀況下，和T0之比小某些（不大于1），若比值過大，則不利于控制。（2）擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf應(yīng)盡量??；時(shí)間常數(shù)Tf要大；擾動(dòng)引入系統(tǒng)的位置要靠近調(diào)節(jié)閥。（3）當(dāng)過程本身一、存在多個(gè)時(shí)間常數(shù)，在選擇控制參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個(gè)時(shí)間參數(shù)錯(cuò)開，使其中一種時(shí)間參數(shù)比其它時(shí)間常數(shù)大諸多。3.2檢測(cè)、變送器選擇信號(hào)的檢測(cè)變送涉及兩個(gè)方面，一是檢測(cè)環(huán)節(jié)，另一種是變送環(huán)節(jié)。檢測(cè)與變送設(shè)備重要根據(jù)被檢測(cè)參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮來決定。被檢測(cè)參數(shù)性質(zhì)的不同，精確度規(guī)定、響應(yīng)速度規(guī)定的不同以及對(duì)控制性能規(guī)定的不同都影響檢測(cè)、變送器的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性加以綜合考慮。應(yīng)遵照下列原則：1.盡量選擇測(cè)量誤差小的測(cè)量元件。2.盡量選擇快速響應(yīng)的測(cè)量元件與變送設(shè)備。3.對(duì)的采用微分超前賠償。4.合理選擇測(cè)量點(diǎn)位置并對(duì)的安裝。5.對(duì)測(cè)量信號(hào)作必要的解決。3.2.1溫度傳感器的選擇溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見、最基本的參數(shù)之一，因此，溫度的檢測(cè)與控制是自動(dòng)控制工程的重要任務(wù)之一。由于本系統(tǒng)中測(cè)量的對(duì)象為鍋爐過熱蒸汽，不易與測(cè)量體發(fā)生化學(xué)反映。因此理所固然選擇接觸式的溫度測(cè)量方式更為抱負(fù)。表3-1各類傳感元件的特點(diǎn)和使用場(chǎng)合測(cè)溫原理溫度計(jì)名稱測(cè)溫范疇℃重要特點(diǎn)體積變化固體熱膨脹雙金屬溫度計(jì)-200～700構(gòu)造簡(jiǎn)樸，價(jià)格便宜，合用于就地測(cè)量，傳送距離不很遠(yuǎn)氣體熱膨脹玻璃液體溫度計(jì)液體熱膨脹壓力式溫度計(jì)-200～600電阻變化運(yùn)用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)鉑、銅、鎳、銠、鐵熱敏電阻-270～900精確度高，能遠(yuǎn)傳，合用于低、中溫測(cè)量鍺、碳、金屬氧化物熱敏電阻熱點(diǎn)效應(yīng)運(yùn)用金屬的熱點(diǎn)效應(yīng)普通金屬熱電阻-200～1800測(cè)量范疇廣，精度高，能遠(yuǎn)傳，合用于中、高溫測(cè)量貴重金屬熱電阻難溶金屬熱電阻非金屬熱電阻從表中所列的多個(gè)溫度測(cè)量?jī)x表中，機(jī)械式大多用于就地批示；輻射式的精度較差，只有電的測(cè)溫儀表精度較高，信號(hào)又便于傳送。因此熱電偶和熱敏電阻溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。鎳鉻—鎳硅熱電偶測(cè)量鍋爐生產(chǎn)中的液體，氣體及蒸汽中的中高溫度。鎳鉻—鎳硅熱電偶的測(cè)量范疇為0～1300℃。熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端有關(guān)，并且與冷端溫度有關(guān)，只有在冷端溫度恒定的狀況下，熱電勢(shì)才干對(duì)的反映熱端溫度的大小。為了確保熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的構(gòu)造規(guī)定以下：（1）構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；（2）兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)較好地絕緣，以防短路；（3）賠償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；（4）保護(hù)套管應(yīng)能確保熱電極與有害介質(zhì)充足隔離。由于熱電偶的材料普通都比較貴重（特別采用貴金屬時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，減少成本，普通采用賠償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶賠償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起賠償作用。因此，還需采用其它修正辦法來賠償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。在使用熱電偶賠償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，賠償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超出100℃。本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它能夠把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)解決。由于每片DS18B20含有唯一的硅串行數(shù)，因此在一條總線上可掛接任意多個(gè)DS18B20芯片。A/D變換時(shí)間為200ms，DS18B20減少了外部的硬件電路，含有成本低、易使用的特點(diǎn)，它的性能特點(diǎn)以下：1.獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與單片機(jī)連接時(shí)僅需一種端口引腳進(jìn)行通訊；2.多個(gè)DS18B20能夠并聯(lián)在一條線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功效；3.使用中無需外部器件，以計(jì)數(shù)器原理工作，直接讀出數(shù)字量，工作可靠，精度高，且通過編程可實(shí)現(xiàn)9～12位數(shù)字讀出方式。4.供電方式可選：可由數(shù)據(jù)線供電，也可由外部電源供電，電壓范疇+3.0V～+5.5V。5.測(cè)溫范疇為-55℃～125℃，精度為±0.5℃。6.可設(shè)定非易失的報(bào)警上下限閥值,一旦測(cè)量溫度超出此設(shè)定值,即可給出一報(bào)警標(biāo)志。7.運(yùn)用每片DS18B20上全球唯一的64bit編碼,可輕松組建測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。8.多個(gè)封裝形式可選,根據(jù)實(shí)際需要組建測(cè)溫系統(tǒng)。9.負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20內(nèi)部構(gòu)造重要由四部分構(gòu)成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配備寄存器。DS18B20的管腳排列、外部封裝形式，DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也能夠向器件提供電源；GND為地信號(hào)；VDD為可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。電路圖以下：圖3-1電路圖3.2.2A/D轉(zhuǎn)換模塊由于AT89C52不能直接解決模擬信號(hào)，因此必須將檢測(cè)到的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)才干做出對(duì)應(yīng)的解決。A/D轉(zhuǎn)換器的重要技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度等，選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)除考慮這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)外，還應(yīng)注意滿足其它輸入電壓的范疇、輸出數(shù)字的編碼、工作溫度范疇和電壓穩(wěn)定度等方面的規(guī)定。本設(shè)計(jì)采用的是ADC0809，它是AD公司采用CMOS工藝生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微解決機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，能夠和單片機(jī)直接接口。重要特性：（1）8路輸入通道，8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。（2）含有轉(zhuǎn)換起停控制端。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs（4）單個(gè)＋5V電源供電。（5）模擬輸入電壓范疇0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。（6）工作溫度范疇為-40～＋85攝氏度。（7）低功耗，約15mW。內(nèi)部構(gòu)造：ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部構(gòu)造如圖3-4所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近。ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3-5所示，下面闡明各引腳功效。IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。2.1～2.8：8位數(shù)字量輸出端。A、B、C：地址線，通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。其地址狀態(tài)與通道對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3-2所示：表3-2通道選擇表CBA被選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7START：A／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一種正脈沖（最少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一種高電平（轉(zhuǎn)換期間始終為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一種高電平，才干打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。規(guī)定時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一＋5V。GND：地。IN00IN00IN4IN1IN2IN3IN5IN6IN7地址鎖存與譯碼器ABCALE8路A/D轉(zhuǎn)換器STCLKVREF(+)VREF(-)三態(tài)輸出鎖存器OED0D1D2D5D4D7D6D3EOC8路模擬量開關(guān)圖3-2ADC0809內(nèi)部邏輯構(gòu)造ADC0809的引腳以下圖:圖3-3ADC0809的引腳ADC0809的工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，批示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A／D轉(zhuǎn)換完畢，EOC變?yōu)楦唠娖?，批示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，成果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換成果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。ADC0809與單片機(jī)接口電路圖3-6以下所示：圖3-4ADC0809應(yīng)用電路3.3執(zhí)行器選擇慣用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)3種類型。在控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）大多采用閥的形式，控制多個(gè)氣體或液體的流量與流速，其特性好壞對(duì)控制質(zhì)量的影響是很大的。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當(dāng)，閥門動(dòng)作不靈活，口徑大小不適宜，都會(huì)嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。因此要選擇適宜的執(zhí)行器。1.選擇適宜的調(diào)節(jié)工作區(qū)間在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)閥的Dg、dg比須較好選擇，在正常工況下，規(guī)定調(diào)節(jié)閥開度處在15%～85%之間。由于調(diào)節(jié)閥口徑太小，系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥可能運(yùn)行在全開或靠近全開的非線性飽和工作狀態(tài)，使系統(tǒng)失控；調(diào)節(jié)閥口徑太大，系統(tǒng)運(yùn)行中閥門會(huì)經(jīng)常處在小開度的狀態(tài)，不僅調(diào)節(jié)不敏捷，并且易造成閥芯、閥座的腐蝕，產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。2.選擇適宜的流量特性控制閥的流量特性指的是流過控制閥的流量與閥桿行程之間的函數(shù)關(guān)系。我國經(jīng)常使用的控制閥類型涉及線性、等比例和快開等幾個(gè)，其中前兩種用的較多。3.選擇適宜的調(diào)節(jié)閥開、關(guān)形式對(duì)于一種控制回路而言，控制閥氣開氣關(guān)的選擇至關(guān)重要，它影響生產(chǎn)過程的安全，控制器正反作用的選擇和控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)等。對(duì)于控制回路，終究選擇氣開還是氣閉閥，普通由生產(chǎn)工藝決定。普通來說，要遵照下列幾條原則選擇：（1）生產(chǎn)安全角度：當(dāng)氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無輸出等狀況下，應(yīng)當(dāng)確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不至發(fā)生事故。（2）考慮事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟(jì)損失，確保產(chǎn)品質(zhì)量。（3）考慮介質(zhì)的性質(zhì)。對(duì)裝有易結(jié)晶、易凝固物料的裝置，蒸汽流量調(diào)節(jié)閥需選用氣關(guān)式。執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇的重要考慮因素：eq\o\ac(○,1)可靠性；eq\o\ac(○,2)經(jīng)濟(jì)性；eq\o\ac(○,3)運(yùn)行平穩(wěn)、足夠的輸出力；eq\o\ac(○,4)重量外觀；eq\o\ac(○,5)構(gòu)造簡(jiǎn)樸、維護(hù)方便。因此，該系統(tǒng)選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇，在實(shí)際生產(chǎn)中慣用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對(duì)數(shù)特性和快開特性三種，在本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇線性特性。閥門定位器的選用，閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的一種輔助裝置，與調(diào)節(jié)閥配套使用，它接受控制器來的信號(hào)作為輸入信號(hào)，并以其輸出信號(hào)去控制調(diào)節(jié)閥，同時(shí)將調(diào)節(jié)閥的閥桿位移反饋到閥門定位器的輸入端而構(gòu)成一種閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)，閥門定位器能夠消除閥膜頭和彈簧的不穩(wěn)定以及各運(yùn)動(dòng)部件的干摩擦，從而提高調(diào)節(jié)閥的精度和可靠性，實(shí)現(xiàn)精擬定位；閥門定位器增大了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率，減少了系統(tǒng)的傳遞滯后，加緊閥桿的移動(dòng)速度；閥門定位器還能夠變化調(diào)節(jié)閥的流量特性。3.4控制器的設(shè)計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或干擾因素的影響，其對(duì)象特性參數(shù)或構(gòu)造會(huì)發(fā)生變化。隨著智能控制的發(fā)展，含糊控制理論的成熟和含糊控制技術(shù)的產(chǎn)生，為PID控制的發(fā)展帶來了新的生機(jī)。這種控制器把古典的PID控制與先進(jìn)的專家系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。這種控制必須精確地?cái)M定對(duì)象模型，首先將操作人員長久實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則模型化，然后運(yùn)用推理便可對(duì)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)節(jié)。由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過程中多個(gè)信號(hào)量以及評(píng)價(jià)不易定量表達(dá)，而含糊理論是解決解決這一問題的有效途徑，因此人們運(yùn)用含糊數(shù)學(xué)的基本理論和辦法，把規(guī)則的條件、操作用含糊集表達(dá)，并把這些含糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)狀況，運(yùn)用含糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)節(jié)，這就是含糊自適應(yīng)PID控制。在含糊控制和PID控制的融合中，首先含糊控制的引入彌補(bǔ)了PID控制對(duì)復(fù)雜對(duì)象控制的局限性，例如：大滯后、非線性、無精確數(shù)學(xué)模型的對(duì)象等；另首先，PID控制與含糊控制的結(jié)合，也在很大程度上使得含糊控制的控制品質(zhì)粗糙、穩(wěn)定精度不高等缺點(diǎn)得到改善。兩者揚(yáng)長補(bǔ)短，使含糊PID控制既含有含糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、快速性好的優(yōu)點(diǎn)，又含有PID控制精度高的特點(diǎn)。3.4.1含糊控制基本原理含糊控制是基于含糊推理，含糊人的思維方式，對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的對(duì)象實(shí)施的一種控制，它是含糊理論和控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)也是構(gòu)成智能控制的重要構(gòu)成部分，含糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成與普通控制系統(tǒng)的區(qū)別重要在于控制器不同，含糊控制器重要是由含糊化、含糊推理和去含糊三個(gè)功效模塊和知識(shí)庫構(gòu)成。它的基本原理是：把系統(tǒng)的輸入進(jìn)行含糊化解決轉(zhuǎn)化為含糊量，然后按照給出的規(guī)則對(duì)含糊量進(jìn)行推理，最后把推理的成果進(jìn)行去含糊化解決轉(zhuǎn)化為精確量。近幾年，含糊控制技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，已經(jīng)成功的運(yùn)用于許多領(lǐng)域，在某些含有非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變性和時(shí)滯性的復(fù)雜過程或機(jī)器的控制中，含糊控制發(fā)揮了獨(dú)特的作用。含糊控制的突出特點(diǎn)重要有：（1）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不規(guī)定懂得被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供操作人員的經(jīng)驗(yàn)及操作數(shù)據(jù)；（2）控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適合于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變和時(shí)滯系統(tǒng)；（3）以語言變量替代了常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，容易構(gòu)成專家的“知識(shí)”；（4）控制推理模仿人的思維過程，采用“不精確推理”，融入了人類的經(jīng)驗(yàn)，因此能夠解決復(fù)雜甚至“病態(tài)”系統(tǒng)。即使含糊控制器與常規(guī)控制器相比含有不必建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控對(duì)象的非線性和時(shí)變性含有一定的適應(yīng)能力等特點(diǎn)，但是它也存在某些例如精度不高，自適應(yīng)能力有限和易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象等缺點(diǎn)。3.4.2含糊自適應(yīng)PID控制器根據(jù)被控對(duì)象鍋爐過熱蒸汽溫度的特點(diǎn)，本控制系統(tǒng)選擇含糊自適應(yīng)PID控制器。它是在常規(guī)調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上采用含糊推理的思想，根據(jù)溫度偏差e（k）和溫度偏差變化率ec(k)，對(duì)PID的比例、積分和微分參數(shù)kp、ki和kd進(jìn)行在線自整定的含糊控制器，它含有響應(yīng)快、超調(diào)小、魯棒性能強(qiáng)和適應(yīng)性高等特點(diǎn)。在參數(shù)kp、ki和kd與溫度偏差e（k）和溫度偏差變化率ec(k)間建立起在線自整定的函數(shù)關(guān)系，并且這種關(guān)系是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)和智能建立起來的，使系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下能對(duì)常規(guī)PID控制器參數(shù)不停地修改和調(diào)節(jié)。這猶如人們?cè)诳刂七^程中不停理解和掌握控制規(guī)律同樣，因此，它屬于人工智能的范疇，即對(duì)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)節(jié)。也正由于如此，它在改善被控過程的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能、提高抗干擾能力以及對(duì)參數(shù)時(shí)變的魯棒性等方面均優(yōu)于常規(guī)PID控制器。自適應(yīng)含糊PID控制器以溫度誤差e和溫度誤差變化ec作為輸入，能夠滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的規(guī)定。運(yùn)用含糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)含糊PID控制器，其構(gòu)造如圖3-5所示。PIDPID調(diào)節(jié)器含糊推理de/dtr(t)e對(duì)象kpkikdy(t)(圖3-5自適應(yīng)含糊控制器構(gòu)造由控制系統(tǒng)構(gòu)造圖所示，這是在普通PID控制器的基礎(chǔ)上加上了一種含糊控制環(huán)節(jié)，含糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)是為了根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)調(diào)節(jié)PID參數(shù)而設(shè)立的。因此，含糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的核心在于含糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)的調(diào)節(jié)機(jī)理及過程。由含糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的構(gòu)造能夠看出，其中的參數(shù)校正部分實(shí)質(zhì)為一種含糊控制器，該含糊控制器采用以下5個(gè)含糊變量：（1）e（k），控制系統(tǒng)的溫度輸入偏差；（2）ec（k），控制器的溫度輸入偏差變化率；（3）kp，控制器輸出的比例系數(shù)；（4）ki，控制器輸出的積分系數(shù)；（5）kd，控制器輸出的微分系數(shù)。其中，e（k）和ec（k）為輸入含糊語言變量，而kp、ki和kd為輸出含糊語言變量。3.4.3控制器參數(shù)自整定PID參數(shù)含糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)與系統(tǒng)溫度誤差e、溫度誤差變化率ec之間的含糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不停檢測(cè)e和ec，根據(jù)含糊控制原理來對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同規(guī)定，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮，kp、ki和kd的作用以下：(1)比例系數(shù)kp的作用是加緊系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)斐上到y(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過小，則會(huì)減少調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。(2)積分作用系數(shù)ki的的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。ki越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快．但ki過大，在響應(yīng)過程的早期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引發(fā)響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若ki過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。(3)微分作用系數(shù)kd的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用重要是在響應(yīng)過程中克制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但kd過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，并且會(huì)減少系統(tǒng)的抗干擾性能。采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的PID控制算法，其離散PID控制規(guī)律為：U(k)Kpe（k）+Ki+kd[e（k）-e（k-1）]式中u（k）為第k個(gè)采樣時(shí)刻控制器輸出量；e（k）為第k個(gè)采樣時(shí)刻控制器輸入量（溫度偏差信號(hào)）；kp、ki和kd比例、積分、微分系數(shù)。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，根據(jù)不同的e和ec人們總結(jié)出了一套kp、ki和kd的整定原則：（1）當(dāng)e較大時(shí)，為使系統(tǒng)有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的kp和較小的kd，同時(shí)為避免出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，普通取ki=0.（2）當(dāng)e中檔時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)含有較小超調(diào)，應(yīng)取較小的kp。Ki的取值要適宜。kd的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，應(yīng)獲得小某些。（3）當(dāng)e較小時(shí)，為使系統(tǒng)能有較好的穩(wěn)態(tài)性能，kp和ki均應(yīng)取的大些，同時(shí)為避免在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，當(dāng)ec較大時(shí)kd可取的小些；ec較小時(shí)kd可取的大某些。3.4.4控制規(guī)則的設(shè)計(jì)含糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制方略，而手動(dòng)控制方略又是人們通過學(xué)習(xí)、實(shí)踐以及長久經(jīng)驗(yàn)累積逐步形成的，它是存儲(chǔ)在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識(shí)集合。手動(dòng)控制規(guī)則普通是通過對(duì)被控對(duì)象的某些規(guī)則，操作者根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行綜合分析并作出控制方略的過程，事實(shí)上就是建立含糊控制器的控制規(guī)則的過程。在含糊參數(shù)自適應(yīng)PID的控制系統(tǒng)中，含糊控制規(guī)則重要是用來修正PID的參數(shù)的，它是控制領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員根據(jù)過程的階躍響應(yīng)狀況的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在進(jìn)行一定解決之后得到的。從普通過程對(duì)階躍輸入的響應(yīng)狀況，能夠得到PID控制器在實(shí)際工作中有e，ec時(shí)，應(yīng)當(dāng)能夠推出合理的kp，ki，kd的含糊控制規(guī)則。總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，再根據(jù)kp，ki，kd三個(gè)參數(shù)各自的作用和它們之間的互相影響，本文建立了kp，ki，kd含糊控制規(guī)則表，如表所示。含糊控制器控制規(guī)則形式為：ifAandBthenC，如1．If[EisNB]and[ECisNB]then[KPisPB][1]；2．If[EisNB]and[ECisNS]then[KPisPM][1]；…..其中最后括號(hào)中的“1”，表達(dá)該條規(guī)則的權(quán)值。含糊決策采用：與(And)辦法為min，或(Or)為max，推理(Implication)為min，合成(Aggregation)為max，解含糊(Defuzzification)為som。kp的含糊控制規(guī)則表ec△kpeNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBPBPBPMPMPSPSZOPBPBPMPMPSZOZOPMPMPMPSZONSNMPMPSPSZONSNMNMPSPSZONSNSNMNMZOZONSNMNMNMNBZONSNSNMNMNBNBki的含糊控制規(guī)則表ec△kieNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMZOZONBNBNMNMNSZOZONMNMNSNSZOPSPSNMNSNSZOPSPSPMNSNSZOPSPSPMPMZOZOPSPMNMPBPBZOZOPSPMPBPBPBkd的含糊控制規(guī)則表ec△kdeNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBPSPSZOZOZOPBPBNSNSNSNSZONSPMNBNBNMNSZOPSPMNBNMNMNSZOPSPMNBNMNSNSZOPSPSNMNSNSNSZOPSPSPSZOZOZOZOPBPBkp，ki，kd的含糊控制規(guī)則表建立好后，根據(jù)各含糊子集的從屬度賦值表和各參數(shù)含糊控制模型，應(yīng)用含糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的含糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計(jì)算kp=kp，+{ei，ecf}p (2-2)ki=ki，+{ei，eci}i (2-3)kd=kd，+{ei，eci}d (2-4)3.4.5采樣周期的選用選擇采樣時(shí)間問題是計(jì)算機(jī)控制中的共性問題，含糊PID控制也屬于計(jì)算機(jī)控制的一種類型，因此，對(duì)含糊PID控制而言，也要合理地選擇采樣時(shí)間的問題。在此范疇內(nèi)，采樣周期越小，就越靠近持續(xù)控制。但選擇采樣時(shí)間還要綜合考慮各方面因素，如：從執(zhí)行機(jī)構(gòu)來看，有時(shí)規(guī)定輸出信號(hào)保持一定的時(shí)間，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有個(gè)響應(yīng)過程，從這一點(diǎn)看采樣時(shí)間必須不不大于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間。從控制系統(tǒng)隨動(dòng)以及抗干擾的性能規(guī)定方面看，但愿采樣時(shí)間短些為好。從計(jì)算機(jī)控制算法所需要的時(shí)間來看，在一種采樣周期內(nèi)，必須完畢一種控制步的計(jì)算量。從計(jì)算機(jī)計(jì)算精度來看，采樣周期的選擇還與計(jì)算機(jī)字長有關(guān)。為了保持相似的計(jì)算精度，對(duì)于較小的采樣時(shí)間，則需要較長的計(jì)算字長，或者說，最少要在最低有效位上反映出信息的變化。從上面分析能夠看出，各方面因素對(duì)采樣時(shí)間的規(guī)定是不同的，甚至是相矛盾的。本控制系統(tǒng)為含糊控制系統(tǒng)，其輸入變量為誤差和誤差變化，因此，為了獲得較精確的控制規(guī)律，應(yīng)使誤差變化的值稍大某些，從這一點(diǎn)來看，采樣周期不能太短。但從一次響應(yīng)過程中控制作用的次數(shù)來看，普通不能低于五次，否則，會(huì)使控制不精確。因此，在含糊控制系統(tǒng)中選擇采樣時(shí)間受到誤差變化最大值與一次響應(yīng)過程中控制作用次數(shù)兩方面的制約，同時(shí)選擇采樣時(shí)間要綜合考慮各方面因素進(jìn)行折衷考慮。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，通過對(duì)不同采樣時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從中擬定本系統(tǒng)的最佳采樣時(shí)間。4控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是本課題的一項(xiàng)重要工作，制訂一種好的總體方案能為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供良好的指導(dǎo)，是研究工作順利完畢的確保。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理總體框圖4-1以下：計(jì)算機(jī)主機(jī)計(jì)算機(jī)主機(jī)A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換信號(hào)放大功放驅(qū)動(dòng)傳感器調(diào)節(jié)閥鍵盤LCD顯示報(bào)警器工業(yè)對(duì)象（被控對(duì)象）圖4-1原理框圖本系統(tǒng)以DS18B20作為溫度傳感器，AT89C52作為解決器，配以溫度顯示、蜂鳴器和調(diào)節(jié)閥作為溫度控制輸出單元。整個(gè)系統(tǒng)力求構(gòu)造簡(jiǎn)樸，功效完善。首先通過鍵盤輸入過熱蒸汽溫度允許變化的上、下限值，通過執(zhí)行器執(zhí)行來控制鍋爐過熱蒸汽的溫度。在工作過程中，溫度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，將采集到的模擬量通過濾波放大后送給ADC0809，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后再送給單片機(jī)進(jìn)行分析解決，這些數(shù)字信號(hào)送往單片機(jī)，通過單片機(jī)的分析、比較和解決，然后輸出，其一是在1602上顯示溫度值，其二是控制調(diào)節(jié)閥閥位的開度并根據(jù)調(diào)節(jié)減溫水的流量大小來控制過熱蒸汽溫度的變化。在正常狀況下，應(yīng)保持溫度介于上、下限值之間，當(dāng)顯示屏顯示溫度高于上限值或者低于下限值時(shí)，則報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此時(shí)能夠重新輸入溫度，進(jìn)行含糊PID控制調(diào)節(jié)。4．2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.2.1AT89C52單片機(jī)的特點(diǎn)本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)是AT89C52，AT89C52單片機(jī)的特點(diǎn)是：能與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器、32個(gè)可編程I/O口線、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、六個(gè)中斷源、全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時(shí)器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)記符。AT89C52單片機(jī)為諸多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。單片機(jī)的引腳圖以下：圖4-2引腳圖對(duì)于單片機(jī)的應(yīng)用中慣用到單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)的最小系統(tǒng)以下圖所示：圖4-3最小系統(tǒng)4.2.2電源模塊設(shè)計(jì)電源電路由傳統(tǒng)的變壓器電路和開關(guān)電源構(gòu)成。電源電路是最基本的電路，任何電路都離不開電源部分，單片機(jī)系統(tǒng)也不例外，并且我們應(yīng)當(dāng)高度重視電源部分，不能由于電源部分電路比較簡(jiǎn)樸而有所忽視，其實(shí)有將近二分之一的故障或制作失敗都與電源有關(guān)，電源部分做好才干確保電路的正常工作。單片機(jī)采用+5V供電的方式，核心是采用集成穩(wěn)壓器件7805（穩(wěn)壓范疇6～25V），配合大的濾波電容，完全可滿足單片機(jī)的工作規(guī)定。供電采用交流220V,經(jīng)變壓器變壓成為12V交流電，在通過整流橋整流，通過7805穩(wěn)壓，最后獲得直流+5V。另外運(yùn)算放大器還用到-5V電源，核心采用集成穩(wěn)壓器件7905，配合大功率的濾波電容，完全可為運(yùn)算芯片提供穩(wěn)定的-5V電壓。具體電路如圖所示：圖4-4電源電路4.2.3模擬信號(hào)放大模塊信號(hào)放大解決電路，接在A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器之間，用于解決下列存在問題：1.A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器兩者電壓不匹配。2.如果是電流型輸出傳感器，要進(jìn)行I～V變換與放大解決，將電流信號(hào)對(duì)應(yīng)變換成電壓信號(hào)。3.傳感器工作現(xiàn)場(chǎng)，可能存在復(fù)雜的強(qiáng)電磁波的干擾，普通采用RC低通濾波器，濾除疊加在傳感器輸出信號(hào)上的高頻干擾信號(hào)，也可采用有源濾波技術(shù)，使得濾波技術(shù)更加好。這塊電路的作用是對(duì)從溫度傳感器檢測(cè)過來的微壓信號(hào)進(jìn)行放大。在輸入端設(shè)立了橋式電路，這樣全橋工作時(shí)輸出電壓最大，檢測(cè)的敏捷度最高，能夠消除非線性誤差，另外橋式電路的一種重要作用是能夠?qū)囟日`差進(jìn)行賠償。具體電路如圖所示模擬信號(hào)濾波放大電路以下。圖4-5∏型濾波放大電路4.2.4報(bào)警電路設(shè)計(jì)當(dāng)鍋爐過熱蒸汽溫度高于工作人員所設(shè)定的上限溫度或者低于設(shè)定的下限溫度時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生了越限，越限報(bào)警燈點(diǎn)亮，提示操作出現(xiàn)了越限報(bào)警，提示工作人員注意與否故意外狀況發(fā)生。值得一提的是，當(dāng)系統(tǒng)從低溫開始加熱，到下限溫度以前系統(tǒng)可能出現(xiàn)越限報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)越限報(bào)警時(shí)，工作人員應(yīng)當(dāng)注意是不是此種狀況，此狀況能夠忽視。報(bào)警裝置有驅(qū)動(dòng)電路和執(zhí)行電路構(gòu)成，有一種NPN三極管，和一種二極管與一種蜂鳴器和構(gòu)成的報(bào)警系統(tǒng)，三極管的基極接到單片機(jī)的P3.4端，當(dāng)溫度超出所設(shè)定的上限或者下限的時(shí)候，P3.4就會(huì)發(fā)出一種高電平使三極管導(dǎo)通，工作在放大狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音，使發(fā)光二極管點(diǎn)亮.如圖4-6所示:圖4-6報(bào)警電路4.2.5顯示電路模塊顯示部分用于顯示顧客設(shè)定的溫度、上限溫度、下限溫度和現(xiàn)在溫度值等。固然，從理論上而言，如果要很明了的顯示多個(gè)數(shù)值的話，應(yīng)當(dāng)加上中文顯示模塊，這樣就能夠一目了然的識(shí)別出多個(gè)設(shè)定值。從這首先來說LCD顯示屏就占有很大的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)采用的是長沙太陽人電子有限公司生產(chǎn)的SMC1602A字符型液晶屏，用于顯示溫度及參數(shù)設(shè)立。第15、16兩個(gè)引腳通過一種限流電阻接在+5V電源上，作為背光燈，方便于在黑暗的環(huán)境下能夠看到顯示的數(shù)據(jù)及參數(shù)，第5個(gè)引腳R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作,由于在本系統(tǒng)中不需要對(duì)SMC1602A進(jìn)行讀操作為了節(jié)省單片機(jī)的引腳資源直接將其接到GND，在整個(gè)過程中只對(duì)其進(jìn)行寫操作。八條數(shù)據(jù)線分別對(duì)應(yīng)接到單片機(jī)P1八個(gè)引腳上面，另外兩個(gè)控制端RS、E分別接到單片機(jī)的P3.5，P3.7上面，對(duì)其進(jìn)行設(shè)立。系統(tǒng)原理如圖4-7所示：圖4-7LCD1602接口顯示電路5控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的功效是由硬件電路配合軟件來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功效也就基本定下來了。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，它在數(shù)字硬件的基礎(chǔ)上，提供了靈活的算法、簡(jiǎn)潔的操作與高精度、高效率，體現(xiàn)了數(shù)字計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。成為了完整系統(tǒng)不可缺少的一部分。從硬件角度設(shè)計(jì)軟件模塊重要涉及：溫度采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、單片機(jī)控制模塊。從軟件的功效不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完畢多個(gè)實(shí)質(zhì)性的功效如測(cè)量、計(jì)算、顯示等。每一種執(zhí)行軟件也就是一種小的功效執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一種執(zhí)行模塊進(jìn)行功效定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就能夠規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功效選擇一種最適宜的監(jiān)控程序構(gòu)造，然后根據(jù)實(shí)時(shí)性的規(guī)定，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關(guān)系。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖以下：DS18B20測(cè)溫DS18B20測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)控制測(cè)溫按下初始化查詢?cè)O(shè)定參數(shù)液晶顯示維持恒溫達(dá)成設(shè)定？YN超出上限報(bào)警超出下限報(bào)警升溫降溫YN圖5-15.1DS18B20程序模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中軟件部分涉及到18B20的使用，通過控制該芯片的讀寫時(shí)序，