鍋爐溫度PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第1章緒論課題背景根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況和環(huán)保問題的考慮和要求，燃燒鍋爐由于污染并效率不高，已經(jīng)逐漸被淘汰；燃油和燃?xì)忮仩t也存在著燃料供應(yīng)不方便和安全性等問題。因些在人口密集的居民區(qū)、旅館、醫(yī)院和學(xué)校，電加熱鍋爐完全替代燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t。自70年代以來，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)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)、參數(shù)整定等方面，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)異的溫度控制器及儀表，并在各行廣泛應(yīng)用。電加熱鍋爐采用全新加熱方式，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其比其他形式的鍋爐更具有吸引力：無污染。不會(huì)排放出有害氣體、飛塵、灰渣，完全符合環(huán)保方面的要求。能量轉(zhuǎn)化效率高。加熱元件直接與水接觸，能量轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)95%以上。鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡單，安全性好。不需要布管路，沒有燃燒室、煙道，不會(huì)出現(xiàn)燃煤、燃油、燃?xì)獾男孤┖捅ㄎｋU(xiǎn)。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，占地面積小。啟動(dòng)、停止速度快，運(yùn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)速度快，操作簡單。由于加熱元件工作由外部電氣開關(guān)控制，所以啟停速度快。（6） 可采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。其溫度的控制都能通過微控制芯片完成，使鍋爐的運(yùn)行完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，最大程度地將控制器應(yīng)用于傳統(tǒng)的鍋爐行業(yè)。本課題主要研究鍋爐溫度的過程控制。新型鍋爐是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，可將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能，具有效率高，體積小，無污染，運(yùn)行安全可靠，供熱穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，是理想的節(jié)能環(huán)保的供暖設(shè)備。加上目前人們的環(huán)保意識(shí)的提高，電熱鍋爐越來越受人們的重視，在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活用水中應(yīng)用越來越普及。電熱鍋爐目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的溫度，保證恒溫供水。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，單片機(jī)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制中。工業(yè)控制也越來越多的采用計(jì)算機(jī)控制，在這里我們采用51系列單片機(jī)來做控制器。由于電加熱鍋爐是一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到很好的控制效果。而這下符合PID控制使用的條件，因而PID控制被廣泛地用于電熱鍋爐的控制中，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，并獲得良好的控制效果。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）、進(jìn)行控制（PID控制），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。PID控制器問世至今有近70年歷史，它以結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。課題目的及意義本控制器主要是針對現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中鍋爐溫度控制裝置而設(shè)計(jì)的，用PID控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，以獲得良好的控制效果。通過這個(gè)課題能鍛煉我的能力，給我提供了一個(gè)理論和實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我能對單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制理論、檢測技術(shù)與儀表方面的知識(shí)有進(jìn)一步的了解，以鞏固學(xué)過的專業(yè)知識(shí)，開拓我的視野。同時(shí)，由于學(xué)過的知識(shí)有限，讓我認(rèn)識(shí)到了自己的不足，為以后有針對性地提高有了一個(gè)明確的方向，同時(shí)也鍛煉和提高我們的自學(xué)能力，為提高我們以后的自身競爭能力打下基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)指標(biāo)此系統(tǒng)主要以單片機(jī)為控制器，并對顯示電路，溫度檢測電路，人機(jī)接口電路，鍵盤電路，報(bào)警電路，執(zhí)行電路等進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)鍋爐水溫的控制。具體指標(biāo)要求如下：1、用單片機(jī)作為控制器，采用模塊設(shè)計(jì)方法，對系統(tǒng)硬件、軟件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)2、 鍋爐溫度控制在0-100°C左右。3、 通過鍵盤輸入上下限溫度、恒溫溫度，以及通過手動(dòng)停機(jī)的功能。4、 顯示電路用于顯示用戶設(shè)定的溫度、上限溫度、下限溫度和當(dāng)前溫度值等，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。5、 水溫高于上限溫度和低于下限溫度時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警；誤輸入時(shí)報(bào)警。6、 加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。論文工作本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為兩部分，第一部分是前端采集系統(tǒng)；第二部分是控制系統(tǒng)。前端采集系統(tǒng)由機(jī)械開關(guān)、溫度傳感器組成，其任務(wù)是完成洗碗機(jī)各個(gè)測量量的測量，并且向控制機(jī)傳送測量數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)值超過限定范圍時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的操作?？刂葡到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對開關(guān)、電機(jī)、顯示的控制，實(shí)現(xiàn)對洗碗機(jī)溫度值、開關(guān)量的循環(huán)采集，并對其進(jìn)行處理、顯示、動(dòng)作。用戶可通過控制機(jī)上的鍵盤設(shè)置相應(yīng)的操作，控制系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置運(yùn)行相應(yīng)程序。第1章緒論：主要介紹了本課程背景、課題目的及意義、設(shè)計(jì)指標(biāo)、論文工作。第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及論證：說明了兩種不同的設(shè)計(jì)方案并對兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比，從而選出了最佳控制方案。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)。第5章調(diào)試：通過實(shí)驗(yàn)板測試整個(gè)控制系統(tǒng)的各個(gè)功能。第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與論證實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的方案有多種：(1)用PLC為控制器，熱電阻/熱電偶作為測溫器件，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。(2)用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器和加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)對溫度進(jìn)行控制，鍵盤修改溫度參數(shù)、顯示。每一種方案都有其各自的優(yōu)點(diǎn)。本章詳細(xì)列舉、說明了兩種不同的設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比，選出了最佳控制方案。2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案方案一：以PLC為控制器此方案用PLC作為主要控制器的核心，利用熱電偶作為測溫器件，然后通過一個(gè)變送器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送入到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)轉(zhuǎn)送入PLC，由PLC根據(jù)給定值與測量值的大小作比較得到一個(gè)偏差，再由D/A將偏差數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量來調(diào)節(jié)加熱絲的工作時(shí)間或者通過調(diào)節(jié)不同電壓來調(diào)節(jié)加熱絲的加熱功率，最終達(dá)到鍋爐恒溫控制的目的。系統(tǒng)原理框圖如下圖1所示：實(shí)際溫度加熱給定值D/A轉(zhuǎn)換PLC控制器A/D轉(zhuǎn)換變送器熱電偶圖1方案一的原理框圖方案二：采用51單片機(jī)為主控芯片此方案采用單片機(jī)為主控芯片。利用熱電阻PT100作為溫度傳感器件，然后通過運(yùn)算放大器OP-07構(gòu)建差分放大器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC0809模擬通道的輸入的0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再由ADC0809將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成八位數(shù)字信號(hào)，傳送給單片機(jī)P0口，單片機(jī)將實(shí)時(shí)溫度和設(shè)置參數(shù)通過數(shù)碼管顯示出來，同時(shí)通過鍵盤輸入設(shè)定溫度，單片機(jī)將設(shè)定溫度同ADC0809傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較運(yùn)算，利用PID運(yùn)算，作出相應(yīng)的判斷，從單片機(jī)P1.0輸出一個(gè)PWM波形來控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而控制鍋爐的加熱絲在一個(gè)固定周期中通電加熱時(shí)間的長短來達(dá)到恒溫控制的目的。系統(tǒng)原理框圖如下圖2所示：鍵盤電路PWM控制SSR51單片機(jī)溫度信號(hào)處理A/D轉(zhuǎn)換加熱機(jī)構(gòu)Pt100SSR工作指示顯示和報(bào)警電路圖2方案二的原理框圖2.2方案選定根據(jù)兩個(gè)方案的原理和組成結(jié)構(gòu)，主要考慮以下一些因素考慮。從組成結(jié)構(gòu)來比較，以PLC為控制器的方案安裝接線比較繁瑣，而實(shí)際顯示需要單獨(dú)的顯示屏，調(diào)節(jié)溫度時(shí)不太方便，若要改變給定值，需要添加專門的輸入模塊或者需要重新下載控制程序。而51單片機(jī)控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)可以規(guī)劃的一塊PCB電路板上，從而安裝起來更加方便，而且其功能比較齊全，顯示模塊簡單，調(diào)節(jié)溫度可通過鍵盤來設(shè)置，使用很方便。從成本上來看。以PLC為控制器的方案比較昂貴，51單片機(jī)控制系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)?？紤]到用戶的心里接受傾向，51單片機(jī)控制系統(tǒng)更有市場推廣價(jià)值。通過以上分析和比較從而得出：鍋爐溫度控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器的系統(tǒng)比PLC控制系統(tǒng)成本更低，使用更加方便，快捷?；谏鲜鲈?，最終確定采用方案二。第3章鍋爐溫度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件電路主要由以下部分組成：供電電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、溫度檢測電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、鍵盤輸入電路、聲光報(bào)警電路、繼電器輸出電路、LED顯示電路3.1系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì)主控電路所需的+5V電源；外圍電路（如繼電器、運(yùn)算放大器）所需的+12V和-12V電源。如圖3系統(tǒng)供電電源電路原理圖所示：此電路采用“降壓整流濾波穩(wěn)壓濾波”的線形電源模式。這里選用了78M12、79M12、78M05三端穩(wěn)壓器。圖3系統(tǒng)供電電源電路原理圖由于78M系列三端集成穩(wěn)壓器內(nèi)部有過熱、過流保護(hù)電路，外圍元件少，性能優(yōu)良，體積小、價(jià)格低，所以在很多電路中廣泛應(yīng)用。它的工作原理與一般的分立件組成的串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源相似，區(qū)別在于增加了啟動(dòng)電路、恒壓源以及保護(hù)電路。為了使穩(wěn)壓器能在比較大的電壓范圍內(nèi)正常工作，在基準(zhǔn)電壓形成和誤差放大部分設(shè)置了恒流源電路，啟動(dòng)電路的作用就是為恒流源建立工作點(diǎn)。實(shí)際電路是由一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，在輸出不同電壓穩(wěn)壓器中，采用不同的串并聯(lián)接法，形成不同的分壓比，通過誤差放大之后去控制調(diào)整管的工作狀態(tài)，以形成和穩(wěn)定一系列的輸出電壓。雖然三端穩(wěn)壓器有很多優(yōu)點(diǎn)，但因目前功率集成技術(shù)水平的限制，它的最大電流只能達(dá)到1.5A。然而本次設(shè)計(jì)需要的是電壓，可以不考慮電流部分。使用三端集成穩(wěn)壓器時(shí)一定要注意：輸入電壓與輸出電壓差不能過大，一般選擇在6?10V為宜，壓差過小，輸出電壓紋波大，起不到穩(wěn)壓作用，壓差過大，穩(wěn)壓器本身消耗的功率就隨之增大，容易損害穩(wěn)壓器。78M05集成穩(wěn)壓器是將功率調(diào)整管、取樣電阻以及基準(zhǔn)穩(wěn)壓、誤差放大、啟動(dòng)和保護(hù)電路等全部集成在一個(gè)芯片上而形成的一種穩(wěn)壓集成電路。電路中兩個(gè)二極管IN4