鍋爐汽包液位的三沖量調(diào)節(jié)

1、過程控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目: 鍋爐汽包液位的三沖量調(diào)節(jié)姓名: 學(xué)號(hào):姓名: 學(xué)號(hào):姓名: 學(xué)號(hào):2010年12月10日過程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字：2010年 12 月 4 日1 問題重述鍋爐汽包液位是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)，反映了鍋爐負(fù)荷與給水的平衡關(guān)系，要求汽包液位控制在一定范圍內(nèi)。鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 鍋爐汽水系統(tǒng)1給水泵；2給水母管；3調(diào)節(jié)閥；4省煤器5鍋爐汽包；6下降管；7上升管；8蒸汽母管汽包液位過高會(huì)造成蒸汽帶水，影響汽水分離效果；水位過低容易使水全部被汽化燒壞鍋爐。影響汽包液位的因素，除了加熱汽化外，還有蒸汽負(fù)荷和給水流量的波動(dòng)

2、，當(dāng)負(fù)荷突然增大、汽包壓力突然降低時(shí)，水就會(huì)被急劇汽化，出現(xiàn)大量氣泡，形成“虛假液位”。單沖量控制系統(tǒng)的負(fù)荷一旦急劇變化就會(huì)出現(xiàn)虛假液位，因液位升高，調(diào)節(jié)器就會(huì)關(guān)小供水閥門而造成事故。雙沖量控制系統(tǒng)，是在單沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上一個(gè)蒸汽沖量，以克服虛假液位。三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它是在雙沖量控制系統(tǒng)上再加上一個(gè)給水流量的沖量。由蒸汽流量、給水流量前饋與汽包液位反饋所組成的三沖量控制系統(tǒng)，如下圖所示。三沖量控制系統(tǒng)框圖aD、aW、aH分別為蒸汽流量變送器、給水流量變送器、差壓變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)。已知某供汽量為120t/h的鍋爐，給水流量與水位的傳遞函數(shù)G1(S)，蒸汽流量與水位的傳遞函數(shù)G2(S)分別

3、為：H(S)0.0529= W(S)S(8.5S+1)G1(S)= (1)G2(S)=H(S)2.6130.0747=- 2D(S)(6.7S+1)S (2)aD、aW、aH分別為：0.0667，0.0667及0.0333。調(diào)節(jié)閥采用線性閥，增益為15。試用PID、模糊PID控制等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐液位的控制。要求：1、超調(diào)小、調(diào)節(jié)時(shí)間短，對(duì)擾動(dòng)的抑制效果好；2、給出控制策略和選定參數(shù)，并詳細(xì)說(shuō)明參數(shù)整定過程；3、給出MATLAB下的仿真曲線。4、給出硬件實(shí)現(xiàn)方案，包括控制器和檢測(cè)回路芯片的具體型號(hào)。2.采樣周期T的選擇采樣周期在計(jì)算機(jī)控制中是一個(gè)重要的參數(shù)。從信號(hào)保真度看，采樣周期不宜太長(zhǎng)，即采

4、樣頻率不應(yīng)該過低。Shannon采樣定理給出了下限角頻率s 2wmax，wmax為原信號(hào)的最高頻率。采樣周期應(yīng)盡可能的短，以使采樣后的離散信號(hào)可以近似于連續(xù)信號(hào)，數(shù)字控制具有接近于連續(xù)控制系統(tǒng)的質(zhì)量。但采樣頻率過高，將使得數(shù)據(jù)存數(shù)容量加大，計(jì)算工作量加大，并且采樣頻率高到一定程度，對(duì)系統(tǒng)性能的改善效果并不顯著。所以，我們要找到一個(gè)最佳的采樣周期。綜合各種因素考慮，我們選擇采樣周期T=0.02s3. 汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)汽包水位的控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長(zhǎng)久以來(lái)一直是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型的難問題。隨著控制理論、控制技術(shù)和現(xiàn)代控制方法的發(fā)展，鍋爐自動(dòng)化控制的水平也在逐漸提高。其間主要經(jīng)

5、歷了上世紀(jì)三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代興起的計(jì)算機(jī)控制等幾個(gè)階段。通常有如下幾種方案：(1) 單沖量控制系統(tǒng)。即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)；(2) 雙沖量控制系統(tǒng)。即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號(hào)；(3) 三沖量控制系統(tǒng)。是在雙沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入給水流量信號(hào)而構(gòu)成。根據(jù)課程設(shè)計(jì)的要求，本文著重研究三沖量控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。如下圖所示的三沖量串級(jí)控制系統(tǒng)框圖中，主調(diào)節(jié)器接受水位信號(hào)作為主控信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)去控制副調(diào)節(jié)器的給水設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器除了接受主調(diào)節(jié)器的設(shè)定信號(hào)外，還接受給水流量信號(hào)。蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)對(duì)給水流量進(jìn)行前饋

6、控制，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化時(shí)，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)節(jié)閥立即向正確的方向移動(dòng)，即當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，給水調(diào)節(jié)閥開大，從而抵消了由于虛假水位引起的反向作用，因此減少了水位和給水流量的波動(dòng)幅度。給水流量信號(hào)作為調(diào)節(jié)閥動(dòng)作后的反饋信號(hào)，能使控制器及早知道控制的效果，做出相應(yīng)的調(diào)整。由題目我們可以得知上圖中的參量：s)=給水量與水位的傳遞函數(shù)： G1(0.0529 s(8.s5+1)2.6130.0747- (6.7s+1)2s蒸汽流量與水位的傳遞函數(shù)：G2(s)=蒸汽流量變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)：aD=0.0667給水流量變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)：aW=0.0667壓差變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)： aH=0.033 3下面我們

7、用衰減曲線法進(jìn)行主回路中PID控制器的參數(shù)整定。 將上面的系統(tǒng)框圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，我們可以得到如下框圖:使用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)仿真，置PID調(diào)節(jié)器積分時(shí)間TI為最大，微分時(shí)間TD為零，比例帶為較大值，使設(shè)定值為階躍響應(yīng)，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比列帶；反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過慢，應(yīng)增大比例帶。如此反復(fù)，直到系統(tǒng)出現(xiàn)如下圖所示的4:1衰減振蕩過程。可以得到，此時(shí)的比列帶ds=0.05和振蕩周期Ts=70數(shù)值。衰減率4:1的振蕩響應(yīng)過程曲線根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們的控制器使用PI控制規(guī)律，再由課本表3.4的衰減曲線法整定計(jì)算公式可得:d=1.2ds=1.2´0.05=0.06TI=0.5

8、Ts=0.5´70=35s所以我們得到： kp=1=1=16.7 0.06dkI=即差分方程： kpTTI=16.7´0.02=0.001 35Du(k)=u(k)-u(k-1)=kpe(k)-e(k-1)+kIe(k)=16.7e(k)-e(k-1)+0.001e(k)4. 鍋爐汽包水位的Matlab仿真串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型如下圖所示。串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)SIMULINK仿真模型 kp16.71=16.7，kI=主控制器參數(shù)為kp=0.48，調(diào)節(jié)d0.06TI351閥參數(shù)為=15，仿真時(shí)間設(shè)為1000s，加單位階躍信號(hào)，并分別在400s和700s分別

9、加給水流量擾動(dòng)和蒸汽流量擾動(dòng)，最終得到的響應(yīng)曲線如下圖所示。串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線仿真結(jié)果分析：串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)在快速性、抗干擾性上優(yōu)越，響應(yīng)曲線平穩(wěn)，對(duì)蒸汽流量擾動(dòng)的抑制也很強(qiáng)。5 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)是關(guān)于鍋爐的液位控制介紹。具體控制過程為:利用由高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的I/O接口，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算控制，輸出地?cái)?shù)字信號(hào)再通過DAC0832轉(zhuǎn)化成為模擬信號(hào)。5.1單片機(jī)的選擇8051單片機(jī)是由運(yùn)算器、控制器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及I/O接口電路等構(gòu)建組成，并且集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。

10、它以體積小，功能全，價(jià)格低及控制功能強(qiáng)等特點(diǎn)，使之在控制中得到廣泛應(yīng)用。此外，8051單片機(jī)的應(yīng)用時(shí)面向現(xiàn)場(chǎng)的，因此它具有很強(qiáng)的抗干擾能力，這是其它計(jì)算機(jī)所不及的。此外，51單片機(jī)的價(jià)格相對(duì)于其他同類產(chǎn)品也較便宜，即性價(jià)比較高，故而我們選擇51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。5.1.1 工作原理首先給出鍋爐水位的正常工作范圍，由于水不斷蒸發(fā)使水位下降，8051單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使給水閥門開打，注水量增加，水位恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)；當(dāng)水位高于規(guī)定值時(shí)，8051單片機(jī)再次發(fā)出控制信號(hào)，使給水閥門變小，注水量降低，水位又恢復(fù)到規(guī)定范圍。如此循環(huán)工作，使汽包水位得以準(zhǔn)確控制，保證鍋爐的安全、可靠運(yùn)行

11、。51單片機(jī)與AD和DA的接口連接如下圖所示：5.1.2控制的程序框圖系統(tǒng)控制的程序流程圖5.2 AD轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換器選擇ADC0809, ADC0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，8路數(shù)字輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì) ：(1) 由于需要兩路信號(hào)，選擇IN-0，IN-1輸入，其中地址線ADD-A和ADD-B固定接地，ADD-C為低時(shí)選IN-0輸入，ADD-C為高時(shí)選IN-1為輸入。(2) 單片機(jī)的ALE經(jīng)過二分頻后與ADC0809的時(shí)鐘端相連。(3)START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，高電平有效，由程序控制，故與單片機(jī)的P2.0腳通過非門相連。(4)AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號(hào)，有正

12、負(fù)兩種情況，故選擇ADC0809的參考電壓為正負(fù)5V。(5)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，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所示5.3 DA轉(zhuǎn)換器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，其主要特性為：a)分辨率為8位b)電流輸出，穩(wěn)定時(shí)間為1sc)可雙緩沖輸入，單緩沖輸入或直接數(shù)字輸入,單一電源供電 DA轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)：(1)參考電壓選擇+5

13、V，直接與供電電源相連。(2)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。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DA轉(zhuǎn)換的時(shí)間。(3) DA的八路輸入，與單片機(jī)的P1口相連，高低位依次對(duì)應(yīng)

14、。電路總圖如下所示：6 部分程序代碼#include<STC12C2052AD.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intfloat CL0p=0; /系數(shù)CL0；#define ADC0809 P0;/AD0809的端口部分,P0為AD的數(shù)據(jù)接口； sbit M=P22;/AD讀入數(shù)據(jù)選擇控制；sbit AD_Start=P20;/開始轉(zhuǎn)換信號(hào)有T0定時(shí)來(lái)控制； sbit AD_CLOCK=CLK; /時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)提供；#define DAC0832 P1；/DAC0832的端口部分;P1為DA的數(shù)據(jù)接口； f

15、loat C1_0,C1_1;/分別為k,k-1時(shí)刻輸入的偏差；float DUK;/為k時(shí)刻PID控制器的輸出float R;/系統(tǒng)液位的預(yù)定值；main()C1_0=C1_1=0;DUK=0;M=1;WHILE(M=1) R=AD0809;M=0;TMOD=0X01; /定時(shí)器控制方式TL0=0XE0; /定時(shí)器初始化；TH0=0XB1; TR0=0; /關(guān)閉T0計(jì)時(shí)；ET0=1;PT0=1; /T0中斷允許 優(yōu)先級(jí)；EX0=1;IT0=1; /觸發(fā)方式，跳沿 觸發(fā)；DA0832=0x00; /先清零DA；TR0=1; /定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，20ms轉(zhuǎn)換一次；EA =1; /總中斷開；whil

16、e(1); /等待中斷void int_0(void) interrupt 0 /單片機(jī)中斷處理程序； EA=0;AD_START=1;C1_0=R-AD0809;DUK=1.67C1_0-C1_1+0.001C1_0C1_1= C1_0; /輸入偏差遞推賦值； DAC0832=CK0;EA=1;void inter_timer0()interrupt 1 /定時(shí)器0溢出中斷； EA=0;TL0=0XF0;TH0=0XD8;AD_Start=0; /啟動(dòng)AD； EA=1;6 工作總結(jié)和心得體會(huì)本文以工業(yè)鍋爐控制為背景，主要以其中的汽包水位控制系統(tǒng)為對(duì)象，研究了典型的控制方案并用Matlab工具作了仿真，主要作了一下工作：1設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位的控制方案并在Matlab進(jìn)行仿真計(jì)算。2利用單片機(jī)完成相關(guān)硬件設(shè)計(jì)，繪制Protel原理圖。3、軟件流程圖及源程序。通過這次過程控制課程設(shè)計(jì)，我們不僅更加深刻地理解了鍋爐液位的三沖量控制，而且將我們?cè)谶^程控制控制，matlab，protel與單片機(jī)課程上所學(xué)到的知識(shí)相結(jié)合，更進(jìn)一步提高了我們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。通過課程設(shè)計(jì)將所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)聯(lián)系在一起，我們明白了理論知識(shí)的重要性和應(yīng)用范圍的寬廣，加深了對(duì)專業(yè)、對(duì)工程