鍋爐氣泡液位控制系統(tǒng).doc

遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 論文 課程設(shè)計(jì) 論文 題目 題目 鍋爐氣泡水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)鍋爐氣泡水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系 院 系 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化自動(dòng)化083083 學(xué)學(xué) 號(hào) 號(hào) 080302068080302068 學(xué)生姓名 學(xué)生姓名 陳旭東陳旭東 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師 簽字 起止時(shí)間 起止時(shí)間 2011 12 14 2011 12 232011 12 14 2011 12 23 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 論文 課程設(shè)計(jì) 論文 報(bào)告的內(nèi)容及其文本格式課程設(shè)計(jì) 論文 報(bào)告的內(nèi)容及其文本格式 1 課程設(shè)計(jì) 論文 報(bào)告要求用 A4 紙排版 單面打印 并裝訂成冊 內(nèi)容包括 封面 包括題目 院系 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師姓名 起止時(shí)間等 設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)及評(píng)語 中文摘要 黑體小二 居中 不少于 200 字 目錄 正文 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 研究報(bào)告 研究論文等 參考文獻(xiàn) 2 課程設(shè)計(jì) 論文 正文參考字?jǐn)?shù) 2000 字周數(shù) 3 封面格式 4 設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)及評(píng)語格式 5 目錄格式 標(biāo)題 目錄 小二號(hào) 黑體 居中 章標(biāo)題 四號(hào)字 黑體 居左 節(jié)標(biāo)題 小四號(hào)字 宋體 頁碼 小四號(hào)字 宋體 居右 6 正文格式 頁邊距 上 2 5cm 下 2 5cm 左 3cm 右 2 5cm 頁眉 1 5cm 頁腳 1 75cm 左側(cè)裝訂 字體 一級(jí)標(biāo)題 小二號(hào)字 黑體 居中 二級(jí)標(biāo)題 黑體小三 居左 三級(jí)標(biāo)題 黑體四號(hào) 正 文文字 小四號(hào)字 宋體 行距 20 磅行距 頁碼 底部居中 五號(hào) 黑體 7 參考文獻(xiàn)格式 標(biāo)題 參考文獻(xiàn) 小二 黑體 居中 示例 五號(hào)宋體 期刊類 序號(hào) 作者 1 作者 2 作者 n 文章名 期刊名 版本 出版年 卷次 期次 頁次 圖書類 序號(hào) 作者 1 作者 2 作者 n 書名 版本 出版地 出版社 出版年 頁次 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 IV 課程設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)及評(píng)語課程設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)及評(píng)語 院 系 電氣工程學(xué)院 教研室 自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)080302068學(xué)生姓名陳旭東專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化 課程設(shè)計(jì) 題目 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì) 論文 任務(wù) 課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能 要求 技術(shù)參數(shù)課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能 要求 技術(shù)參數(shù) 實(shí)現(xiàn)功能實(shí)現(xiàn)功能 設(shè)計(jì)一個(gè)鍋爐汽包液位閉環(huán)反饋控制系統(tǒng) 在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要對(duì)鍋爐汽包的液位進(jìn)行控制 為了能夠精確控制液位 高度 保證正常生產(chǎn) 要求設(shè)計(jì)液位閉環(huán)反饋控制系統(tǒng) 能抑制流量波動(dòng) 且 系統(tǒng)無余差 本設(shè)計(jì)要求采用單片機(jī)作為控制器 控制算法采用常規(guī)的 PID 控 制 由鍵盤進(jìn)行水位控制值的選擇 并顯示水位 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1 確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 包括控制器的選擇 輸入輸出通道 鍵盤顯示電路 2 建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 3 設(shè)計(jì) PID 算法的程序流程圖 4 仿真研究 驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果 5 按學(xué)校規(guī)定的書寫格式 撰寫 打印設(shè)計(jì)說明書一份 設(shè)計(jì)說明書應(yīng)在 4000 字以上 技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù) 測量范圍 20 100cm 控制精度 0 5cm 控制液位 80cm 最大偏差 1cm 進(jìn)度計(jì)劃 1 布置任務(wù) 查閱資料 確定系統(tǒng)的組成 1 天 2 對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析 1 天 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 3 天 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3 天 5 撰寫 打印設(shè)計(jì)說明書 2天 指導(dǎo)教師評(píng)語 平時(shí) 論文質(zhì)量 答辯 總成績 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 V 注 成績 平時(shí)20 論文質(zhì)量60 答辯20 以百分制計(jì)算 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 VI 摘 要 本文主要設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的鍋爐液位控制系統(tǒng) 它以 89c51 單片機(jī)作 為核心控制器 通過 89c51 單片機(jī) 溫度傳感器 壓力傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 數(shù) 碼管顯示等硬件系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)具有液位檢測報(bào)警和控制雙重功能 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中主要有水位檢測 溫度檢測 壓力檢測 按鍵控制 水位控 制 顯示部分 故障報(bào)警等幾部分組成來實(shí)現(xiàn)液位控制 主要用液位傳感器檢測 液位 用 89c51 溫度傳感器來檢測水溫 用三個(gè)控制按鍵來實(shí)現(xiàn)按健控制 用三 位 7 段 LED 顯示器來完成顯示部分 用 MOC3041 雙向可控硅來控制水泵的開關(guān) 用壓力傳感器檢測鍋爐內(nèi)部壓力 并且通過模數(shù)轉(zhuǎn)換把這些信號(hào)送入單片機(jī)中 把這些信號(hào)與單片機(jī)中內(nèi)部設(shè)定的值相比 以判斷單片機(jī)是否需要進(jìn)行相應(yīng)的操 作 即是否需要開啟水泵 來實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制 從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自動(dòng)控制液位 的目的 本設(shè)計(jì)用單片機(jī)控制易于實(shí)現(xiàn)鍋爐液位 溫度和壓力的控制 而且有造 價(jià)低 程序易于調(diào)試 一部分出現(xiàn)故障不會(huì)影響其他部分的工作 維修方便等優(yōu) 點(diǎn) 關(guān)鍵詞 89c51 單片機(jī) 液位控制 顯示 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 VII 目 錄 第 1 章 緒論 1 第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案 2 2 1 概述 2 2 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 3 3 1 3 1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 3 2 控制器的選擇 3 3 3 A D 轉(zhuǎn)換器和接口 4 3 4 D A 轉(zhuǎn)換器和接口 5 3 5 鍵盤電路設(shè)計(jì) 6 3 6 顯示電路設(shè)計(jì) 7 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 9 4 1 三沖量控制 9 4 2 PID 控制 10 4 3 PID 參數(shù)設(shè)定 11 4 4 程序流程 12 第 5 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真 14 第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 15 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 1 第 1 章 緒論 鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng) 目前 中國各種類型的鍋爐有幾十萬臺(tái) 由于 設(shè)備分散 管理不善或技術(shù)原因 使多數(shù)鍋爐難以處于良好工況 增加了鍋爐的 燃料消耗 降低了效率 鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn) 而汽包 水位是工鍋爐安全 穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo) 保證水位控制在給定范圍內(nèi) 對(duì)于高 蒸汽品質(zhì) 減少設(shè)備損耗和運(yùn)行損耗 確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行具有要意義 鍋爐汽包水位高度 是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù) 對(duì)現(xiàn)代工 業(yè)生產(chǎn)來說尤其是這樣 因?yàn)楝F(xiàn)代鍋爐的特點(diǎn)之一就是蒸發(fā)量顯著提高 汽包容 積相對(duì)變小 水位變化速度很快 稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋 在現(xiàn)代鍋爐操作中 即使是缺水事故 也是非常危險(xiǎn)的 這是因?yàn)樗贿^低 就 會(huì)影響自然循環(huán)的正常進(jìn)行 嚴(yán)重時(shí)會(huì)使個(gè)別上水管形成自由水面 產(chǎn)生流動(dòng)停 滯 致使金屬管壁局部過熱而爆管 無論滿水或缺水都會(huì)造成事故 因此 必須 嚴(yán)格控制水位在規(guī)定范圍之內(nèi) 維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件 也是 鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一 水位過高 會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果 使汽包 出口的飽和蒸汽帶水增多 蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊 引起軸封破損 葉 片斷裂等事故 同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高 降低過熱蒸汽品質(zhì) 增加在過 熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢 水位過低 則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán) 系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié) 以致局部水冷管壁被燒壞 嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故 這些 后果都是十分嚴(yán)重的 隨著鍋爐容量的增加 水位變化速度愈來愈快 人工操作 愈來愈繁重 因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求 汽包水位的控制是鍋爐控制的一個(gè)難點(diǎn) 目前 對(duì)汽包水位控制大多采用常 規(guī)PID控制方式 傳統(tǒng)的常規(guī)PID控制方式是根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立 由于 鍋爐水位系統(tǒng)存在非線性 不確定性時(shí)滯和負(fù)荷干擾 非最小相位特征等 其精 確的數(shù)學(xué)模型往往無法獲得而且常規(guī)PID控制的參數(shù)是固定不變的 難以適應(yīng)各 種擾動(dòng)及對(duì)象變化 其控制效果往往難以滿足要求 控制效果不理想 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 2 第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案 2 1 概述 鍋爐設(shè)備是一個(gè)多輸入 多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜控制對(duì)象 主要的控制系 統(tǒng)包括鍋爐汽包水位的控制 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制 過熱蒸汽系統(tǒng)的控制 水位 高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱管中結(jié)垢 影響蒸汽質(zhì)量及傳熱效率 嚴(yán) 重的將引起過熱管爆管 水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán) 引起水冷壁局 部過熱而爆管 汽包水位過高過低的后果非常嚴(yán)重 所以必須嚴(yán)格加以控制 目前各種鍋爐汽包水位絕大多數(shù)采用三沖量控制方案 由于鍋爐系統(tǒng)的復(fù)雜性 很難精確描述其動(dòng)態(tài)特性 可以利用模糊控制對(duì)模型的寬容性來提高控制性能 但模糊控制的不足之處是在蒸汽擾動(dòng)下有靜差 實(shí)際上 汽包水位控制的難點(diǎn)主 要在于 虛假水位 現(xiàn)象 使得傳統(tǒng)的控制策略參數(shù)整定比較困難 難以適應(yīng)所 有工況 2 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 2 1 為單片機(jī)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 A D 轉(zhuǎn)換 鍵盤輸入 模塊 D A 轉(zhuǎn)換 顯示 模塊 89C51 圖 2 1 控制系統(tǒng)框圖 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 3 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 3 1 3 1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖3 1為系統(tǒng)的最小設(shè)計(jì) 圖 3 1 系統(tǒng)最小設(shè)計(jì) 3 2 控制器的選擇 單片機(jī)作為主控模塊 使得在對(duì)單片機(jī)選型上有了較大的空間 單片機(jī)在30 多年的發(fā)展歷程中 形成了多公司 多系列 多型號(hào) 百家爭鳴 的局面 因而 選擇一個(gè)合適的單片機(jī)有時(shí)真的不太容易 要考慮的方面太多 大致總結(jié)出以下 幾點(diǎn) 1 單片機(jī)的基本參數(shù) 例如速度 程序存儲(chǔ)器容量 I O引腳數(shù)量等 2 單片機(jī)的增強(qiáng)功能 例如看門狗 雙指針 雙串口 RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 EEPROM 擴(kuò)展RAM CAN接口 I2C接口 SPI接口 USB接口 3 Flash和OTP 一次性可編程 4 封裝 DIP 雙列直插 PLCC PLCC有對(duì)應(yīng)插座 還是貼片 5 工作溫度范圍 工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī) 6 功耗 7 工作電壓范圍 例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器 2節(jié)干電池供電 至少應(yīng)該能在 1 8 3 6V電壓范圍內(nèi)工作 8 供貨渠道暢通 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 4 9 價(jià)格 10 燒錄器價(jià)格 能否ISP 在線系統(tǒng)編程 根據(jù)以上因素 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高 因而運(yùn)算速度無需很快 且系統(tǒng)規(guī) 模不大 采用分時(shí)復(fù)用的方式使用總線 對(duì)I O口的數(shù)量可以要求進(jìn)一步降低 使用4路8位I O接口即可滿足設(shè)計(jì)要求 系統(tǒng)中需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為32KB已滿足要求 因此采用16位或準(zhǔn)16位地址總線的單片機(jī) 即可滿足設(shè)計(jì)需要 由于是實(shí)驗(yàn)階段 采用DIP 雙列直插 封裝的芯片便于實(shí) 驗(yàn) 暫不考慮實(shí)際工業(yè)控制中的對(duì)外界環(huán)境的具體要求 系統(tǒng)采用AC220V供電 且對(duì)功耗沒有具體要求 使用DC5V為芯片供電 便于系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì) 芯片 支持ISP可節(jié)省仿真器的投入 綜上所述 采用MCS 51系列中的8051單片機(jī)滿足設(shè)計(jì)需求 51單片機(jī)與AD和 DA的接口連接如圖3 2所示 圖3 2 89C51連接圖 3 3 A D 轉(zhuǎn)換器和接口 本設(shè)計(jì)采用的 A D 轉(zhuǎn)換器為 8 位轉(zhuǎn)換器 ADC0809 ADC0809 是與微處理器 兼容的 8 通路 8 位 A D 轉(zhuǎn)換器 它主要由逐次逼近式 A D 轉(zhuǎn)換器和 8 路模擬開關(guān) 組成 ADC0809 的特點(diǎn)是 可直接與微處理器相連 不需另加接口邏輯 具有鎖 存控制的 8 路模擬開關(guān) 可以輸入 8 個(gè)模擬信號(hào) AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束后 EOC 腳輸出高電平 此時(shí)單片機(jī)接收 EOC 信號(hào) 讀取 AD 轉(zhuǎn) 換的結(jié)果 將 EOC 腳經(jīng)反相器與單片機(jī)的 INT0 腳相連 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果由 P0 口讀入 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 5 故將 AD 轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機(jī) P0 口相連 高低位依次相連 經(jīng)以上分析 設(shè) 計(jì) AD 轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖 3 3 所示 圖 3 3 ADC0809 的接口電路 3 4 D A 轉(zhuǎn)換器和接口 本設(shè)計(jì)的 D A 轉(zhuǎn)換器為 DAC0832 我們知道模擬量輸出通道不論采用哪一種 結(jié)構(gòu) 形式 都要解決 D A 轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口問題 D A 轉(zhuǎn)換器要求數(shù)字量并行輸入 并且其輸入應(yīng)在一定時(shí)間范圍內(nèi)保持穩(wěn)定 以實(shí)現(xiàn)模擬量輸出 8 位或少于 8 位的 D A 轉(zhuǎn)換器 只需通過相應(yīng)位數(shù)的鎖存器 與 8 位的微處理器總線連接 DA轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832 DAC0832是具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC 它能直 接與51單片機(jī)相連 DA轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì) 選擇DAC為單緩沖方式 即輸入寄存器工作于受控狀態(tài) DAC寄存器處于直通 狀態(tài) 由DAC0832的引腳特性 將DAC0832的引腳接發(fā)如下 CS 片選端 低電平有效 直接接低電平 ILE 數(shù)據(jù)鎖存允許控制端 高電平有效 直接接高電平 WR2 DAC寄存器寫選通控制端 低電平有效 由于其處于直通狀態(tài) 故直接 接低 XFER 數(shù)據(jù)傳送控制 低電平有效 故直接接地 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 6 WR1 第一級(jí)輸入寄存器寫選通控制 低電平有效 其輸入為上升沿時(shí) 將輸 入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器 故將該腳與單片機(jī)P2 2口相連 由程序控制 經(jīng)以上分析 設(shè)計(jì)DA轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖3 4所示 圖 3 4 DAC0832 的接口電路 3 5 鍵盤電路設(shè)計(jì) 為了便于實(shí)現(xiàn)各種的控制要求 智能調(diào)節(jié)器必須具備快速設(shè)置被控參數(shù)且操 作方便 還必須增加鍵盤裝置 鍵盤控制有矩陣式和獨(dú)立式兩中 矩陣式鍵盤又有編碼式和非編碼式 單片機(jī)系統(tǒng)中普遍使用非編碼式鍵盤 這類鍵盤應(yīng)主要解決以下幾個(gè)問題 鍵的識(shí)別 如何消除鍵的抖動(dòng) 在以上幾個(gè)問題中 最主要的是鍵的識(shí)別 對(duì)于鍵的識(shí)別 既可以采用程序 掃描的方法 也可以采用專用的可編程鍵盤顯示接口8279 獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立 每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I O口線 每根I O 口線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I O口線上的工作狀態(tài) 因此 通過檢測輸入 線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了 它的優(yōu)點(diǎn)是 電路配置靈活 硬件結(jié)構(gòu)簡單 缺點(diǎn)是 每個(gè)按鍵需占用一根I O口線 在按鍵數(shù)量較多時(shí) I O 口浪費(fèi)大 電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜 因此 此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的 場合 由于該設(shè)計(jì)中按鍵數(shù)量少 所以采用了獨(dú)立式按鍵 按鍵電路 如圖3 5所示 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 7 圖3 5 系統(tǒng)鍵盤電路 3 6 顯示電路設(shè)計(jì) 可以提供單獨(dú)鎖存的 I O 接口電路很多 且靜態(tài)顯示的軟件設(shè)計(jì)比較容易 所以在設(shè)計(jì)中選擇常用的串并轉(zhuǎn)換電路 87c51 顯示電路 87c51 單片機(jī)串行口方 式 0 為移位寄存器方式 外接 3 片 87c51 作為 3 位 LED 顯示器的靜態(tài)顯示接口 把 87c51 的 RXD 作為數(shù)據(jù)輸出線 TXD 作為移位時(shí)鐘脈沖 87c51 為 TTL 單向 8 位移位寄存器 可實(shí)現(xiàn)串行輸入 并行輸出 其中 A B 第 1 2 腳 為串行數(shù) 據(jù)輸入端 2 個(gè)引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào) 共一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接 T 第 8 腳 為時(shí)鐘輸入端 可連接到串行口的 TXD 端 每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升 沿加到 T 端時(shí) 移位寄存器移一位 8 個(gè)時(shí)鐘脈沖過后 8 位二進(jìn)制數(shù)全部移入 87c51 中 R 第 9 腳 為復(fù)位端 當(dāng) R 0 時(shí) 移位寄存器各位復(fù) 0 只有當(dāng) R 1 時(shí) 時(shí)鐘脈沖才起作用 Q1 Q8 第 3 6 和 10 13 引腳 并行輸出端分別接 LED 顯示器的 hg a 各段對(duì)應(yīng)的引腳上 在給出了 8 個(gè)脈沖后 最先進(jìn)入 87c51 的第一個(gè)數(shù)據(jù)到達(dá)了最高位 再來一個(gè)脈沖 第一個(gè)脈沖就會(huì)從最高位移出 該 電路中 3 片 87c51 首尾相串 而時(shí)鐘端則接在一起 這樣 當(dāng)輸入 8 個(gè)脈沖時(shí) 從單片機(jī) RXD 端輸出的數(shù)據(jù)就進(jìn)入到了第一片 87c51 中了 而當(dāng)?shù)诙€(gè) 8 個(gè)脈沖 到來后 這個(gè)數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第二片 87c51 而新的數(shù)據(jù)則進(jìn)入了第一片 87c51 這樣 當(dāng)?shù)?3 個(gè) 8 個(gè)脈沖完成后 首次送出的數(shù)據(jù)被送到了最低位的 164 中 其 他數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在第一 二片 87c51 中 顯示電路圖如圖 3 6 所示 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 8 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS DPY 7 SEG DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS DPY 7 SEG DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS DPY 7 SEG DP A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U 74LS164 330 x8330 x8330 x8 5 P3 1 P3 0 圖 3 6 系統(tǒng)顯示電路 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 9 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 4 1 三沖量控制 圖4 1中所示的三沖量系統(tǒng) 汽包液位是被控變量 是主沖量信號(hào) 蒸汽流量和 給水流量是輔助沖量信號(hào) 系統(tǒng)將蒸汽流量和給水流量前饋到汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng) 中去 一旦蒸汽流量或給水流量發(fā)生波動(dòng) 不是等到影響到液位才進(jìn)行調(diào)節(jié) 而是 在這兩個(gè)流量改變之時(shí)就能通過加法器立即去改變調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行校正 故大大 提高了液位這個(gè)被調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)精度 圖4 1 鍋爐汽包液位的三沖量控制圖 在穩(wěn)定狀態(tài)下 液位測量信號(hào)等于給定值 液位調(diào)節(jié)器的輸出 蒸汽流量及給水流 量等三個(gè)信號(hào) 通過加法器得到的輸出電流為 I0 K1I1 K2I2 K3I3式中 I1為液 位調(diào)節(jié)器的輸出電流 I2為蒸汽流量變送器的電流 I3為給水流量變送器的電流 K1 K2 K3分別為加法器各通道的衰減系數(shù) 設(shè)計(jì)K2I2 K3I3此時(shí)I0正是調(diào)節(jié)閥 處于正常開度時(shí)所需要的電流信號(hào) 為了安全調(diào)節(jié)閥必須用氣關(guān)閥 假定在某 一時(shí)刻 蒸汽負(fù)荷突然增加 蒸汽流量變送器的輸出電流I2 相應(yīng)增加 加法器的輸 出電流I0 就減少 從而開大給水調(diào)節(jié)閥 但是與此同時(shí)出現(xiàn)了假液位現(xiàn)象 液位 調(diào)節(jié)器輸出電流I1 將增大 由于進(jìn)入加法器的兩個(gè)信號(hào)相反 蒸汽流量變送器 的輸出電流I2會(huì)抵消一部分假液位輸出電流I1 所以 假液位所帶來的影響將局部 或全部被克服 待假液位過去 水位開始下降 液位調(diào)節(jié)器輸出電流I1開始減小 此時(shí) 它與蒸汽流量信號(hào)變化的方向相反 因此加法器的輸出電I0 減小 意味著要 求增加給水量 以適應(yīng)新的負(fù)荷需要并補(bǔ)充液位的不足 調(diào)節(jié)過程進(jìn)行到液面重 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 10 新穩(wěn)定在給定值 給水量和蒸發(fā)量達(dá)到新的平衡為止 當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變 給水量本 身因壓力波動(dòng)而變化時(shí) 加法器的輸出相應(yīng)變化 去調(diào)節(jié)閥門開度 直至給水量恢 復(fù)到所需的數(shù)值為止 由于引進(jìn)了蒸汽流量和給水流量兩個(gè)輔助沖量 起到了 超前信號(hào) 的作用 使給水閥一開始就向正確的方向移動(dòng) 因而大大減小了液 位的波動(dòng)幅度 抵消了虛假液位的影響 并縮短了過渡過程時(shí)間 圖4 2為三沖量 液位調(diào)節(jié)方案圖 圖4 2 三沖量液位調(diào)節(jié)方案圖 從上面分析可以看出三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)能及時(shí)克服負(fù)荷 蒸汽量 和給水流量的 干擾作用 調(diào)節(jié)精度高 適用于汽包容積較小 負(fù)荷和給水干擾較大的場合 單沖 量適合在汽包容積較大 負(fù)荷變化比較小的場合 雙沖量調(diào)節(jié)適合于鍋爐容積較 小 給水壓力波動(dòng)不大的場合 鍋爐汽包液位采用三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng) 證明效果良好 4 2 PID 控制 實(shí)際工業(yè)控制中 大多數(shù)被控對(duì)象通常都有儲(chǔ)能元間存在 這就造成系統(tǒng)對(duì) 輸入作用的相應(yīng)有一定的慣性 另外由于管道和傳輸?shù)仍驎?huì)引入一些時(shí)間上的 滯后 往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變差 甚至不穩(wěn)定 因此 通常在系統(tǒng)中引入偏差 的比例調(diào)節(jié) 以保證系統(tǒng)的快速性 引入偏差的微分調(diào)節(jié)來消除系統(tǒng)慣性的影響 這就形成了按偏差 PID 調(diào)節(jié)的系統(tǒng) 其控制結(jié)構(gòu)如圖 4 3 所示 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 11 圖 4 3 PID 算法控制結(jié)構(gòu) 圖 4 3 PID 算法控制結(jié)構(gòu) 1 比例 P 調(diào)節(jié) 在 P 調(diào)節(jié)中 調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成比例 即 比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié) 比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大 d 稱為比例帶 其中 KP 為比例系數(shù) 人們希望盡量減小比例帶 然而 減小比例 帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益 其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)的激烈振蕩甚至不穩(wěn)定 穩(wěn)定性是任何閉環(huán)系統(tǒng)的首要要求 比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定 裕度 比例帶具有一個(gè)臨界值 此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況 進(jìn)一步減小比例 帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了 2 積分 I 調(diào)節(jié) 在 I 調(diào)節(jié)中 調(diào)節(jié)的輸出信號(hào)的變化速度 與偏差信號(hào) e 成正比 即 稱為積分速度 其中 TI 為積分時(shí)間常數(shù) 增大積分速度將會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度 直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程 I 調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié) 只有當(dāng)被調(diào)量偏差為零時(shí) I 調(diào)節(jié)的輸出才保持不變 I 調(diào)節(jié) 的穩(wěn)定作用比 P 調(diào)節(jié)差 如果只采用 I 調(diào)節(jié)不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng) 且振蕩頻率 較低 3 微分 D 調(diào)節(jié) D 調(diào)節(jié)中的輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比 即 TD 為微分時(shí)間 微分的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 單純的微分調(diào)節(jié)器是不能工 作的 因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用 與 P 結(jié)合 PD 或與 PI 構(gòu)成 PID 調(diào)節(jié) 總之 PID 控制器中 比例環(huán)節(jié)主要減少偏差 積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差 提高系統(tǒng)的無差度 微分調(diào)節(jié)能加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度 減少調(diào)節(jié)時(shí)間 4 3 PID 參數(shù)設(shè)定 控制器的參數(shù)整定對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量起到了決定性的作用 確定控制器最佳 過渡過程中的比例帶 積分時(shí)間 TI 和微分時(shí)間 TD 的數(shù)值稱為控制器參數(shù)整定 控制器參數(shù)整定的方法 在工程上常用的有以下幾種工程整定法 p uK e du dt 0 du S e dt D de uT dt 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 12 1 經(jīng)驗(yàn)法 其整定參數(shù)的順序是 先整定比例帶 待過渡過程穩(wěn)定后 再加入積分作用以消除余差 最后加入微分 以加快過渡過程 進(jìn)一步提高控制 質(zhì)量 PID 控制器的經(jīng)驗(yàn)法整定 先將 TD 置為 0 置 TI 為 先整定比例帶使 之達(dá)到 4 1 衰減過程 然后將比例帶放大 10 20 而積分時(shí)間 TI 由大到小 逐步加入 直至達(dá)到 4 1 的衰減過程 然后將比例帶減小到比原值小 10 20 的位置 而積分時(shí)間也適當(dāng)減小 再把 TD 由小到大加入 觀察曲線 直到 滿意的過程為止 2 穩(wěn)定邊界法 這是一種閉環(huán)的整定方法 具體步驟如下 置控制器積 分時(shí)間逐漸減小比例帶 直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩 即臨界振蕩過程如圖 4 1 錄 此時(shí)的臨界比例帶 K 及兩個(gè)波峰的時(shí)間 TK 利用 K 和 TK 值 按穩(wěn)定邊界法計(jì) 算表給出的相應(yīng)公式求出控制器的穩(wěn)定參數(shù) TI TD 3 衰減曲線法 它是在經(jīng)驗(yàn)法和穩(wěn)定邊界潛藏顧慮 針對(duì)它們的不足 反復(fù)實(shí)驗(yàn)而得出的一種參數(shù)整方法 具體步驟如下 將控制器積分時(shí)間 TI 為最 大值 微分時(shí)間為 0 在純比例作用下 系統(tǒng)試運(yùn)行 待系統(tǒng)穩(wěn)定后 作設(shè)定值 階躍擾動(dòng) 若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快 則減小比例帶 反之 則增大比例帶 直到系 統(tǒng)出現(xiàn) 4 1 的衰減振蕩過程 記下此時(shí)的比例帶和 TS 的數(shù)值 利用 4 1 衰減 整定參數(shù)表求得控制器的 PID 數(shù)值 將比例帶放到比計(jì)算值大一些的數(shù)值上 然 后把積分時(shí)間按計(jì)算值加入 再把微分時(shí)間加入 最后把比例帶減小到計(jì)算值 觀察過渡過程曲線 調(diào)整到滿意的結(jié)果 對(duì)于單沖量系統(tǒng)來說 只要調(diào)節(jié)器是比例積分動(dòng)作的 那么 在控制過程結(jié) 束以后被調(diào)量就沒有靜態(tài)偏差 對(duì)于三沖量系統(tǒng)則不然 即使采用比例積分調(diào)節(jié) 器 也不一定能保證無差 還必須解決一個(gè)輸入信號(hào)系統(tǒng)的靜態(tài)配合問題 4 4 程序流程 系統(tǒng)的軟件程序可分為主程序和定時(shí)器 T0 中斷服務(wù)程序兩大模塊 其中 主程序模塊包括 89C51 本身的初始化 液位差顯示和鍵盤掃描等程序 其流程如 圖 4 4 a b 所示 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 13 a 系統(tǒng)主程序 開始 信號(hào)檢測 液位低于下下限 液位低于下限 液位低與上上限 液位高于上限 液位高于上上限 報(bào)警 報(bào)警 燈亮 加水 關(guān)泵 停止加水 液位正常指示燈 亮 開泵加水 關(guān)泵 停止加水 報(bào)警 報(bào)警燈亮 Y Y Y Y N N N N N b 系統(tǒng)子程序 本科生課程設(shè)計(jì) 論文 14 圖4 4 程序流程 第 5 章