小型燃油采暖锅炉电气控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

小型燃油采暖锅炉电气控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

种方案的优点是配备灵活，扩充方便，规模可大可小，维修容易。 用户不必进行硬件设计。 然而，缺点是提供的系统软件和应用软件少。 用户对软件开发的工作量大，模板与硬件资源得不到充分发挥。 新型计算机控制系统方案 用户以芯片开始，设计出控制系统所需要的专用计算机。 这种方案的好处是针对性强、灵活方便。 所用元器件最少，硬件、软件资源都能得到充分利用。 系统性能价格比高。 缺点是硬件、软件都需要用户从头全部设计，工作量大，设计周期长，要求设计者具有熟练的硬件和软件知识。 这种方案以各种 CPU 或单片机为核心，构成系统，特别适用于智能仪器仪表及小型控制系统。 目前，各种 单片机控制系统是这种方案的主流。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 9 系统的相关配置 本系统采用专用设计方式。 利用芯片，设计出一个专用系统。 它的配置包括 CPU，采用单片机 MC51 系列的 8031 芯片。 外部扩展 ROM 为 2732，外部 RAM 采用芯片 6116， D/A 转换采用 DACO832， A/D 转换采用 ADC0809。 燃油锅炉的控制方法 一、实时控制系统 实时是指计算机对外来信息要以足够快的速度进行处理，并在一定时间内做出反应，也就是说对外来信息及时的接收、分析、处理并给出反应。 实时系 统可简单的定义为能在规定时间内完成所有信号采集控制功能的控制系统，其控制部分是由外部事件触发的。 但是这个定义并不充分，它仅描述了其主要特征，实时控制系统计算和控制的反应时间必须严格限制在被控对象允许的范围(有效采集控制时间 )内，在此时间内控制系统的数据不会发生有效的变化，系统必须对这些变化做出及时的响应，以保证系统能有效的避免干扰，这就涉及到了系统的状态参数发生变化的速度和响应速度之间的关系，只有系统的反应时间在有效范围之内才能称为实时，实时系统必须建立在具有快速处理能力的计算机系统的基础上。 因此，实时控制 系统就是对实时性有苛刻要求的计算机控制系统 [13]。 二、设计要点 根据工业锅炉现有的运行条件和微计算机的特点，在设计其微计算机控制系统时，要着重考虑如下几个方面： 在生产企业中，工业锅炉通常是现代化连续生产的重要环节之一。 一旦锅炉出现故障以至停止供汽，将严重影响生产的其它环节，造成极大的损失。 因此，在设计和实施中都应该把可靠性摆在第一位。 多数工业锅炉用户维护计算机的技术力量都比较薄弱，设计硬件时应尽可能简化硬件系统。 要具有较好的可维护性，尽可能以软件代替硬件，以简化硬件系统，减少维护量，提高可靠 性，还须有行之有效的自诊断和容错措施。 要充分考虑到司炉工人的文化水平和技术水平的现状，因为要求所有的使 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 10 用人员具有计算机的知识和操作技能是不切实际的。 所以微计算机系统的使用和操 作方法要越简单越好。 例如，采用简单的操作方法， CRT 显示采用汉字方式等。 必须具有较高的性能价格比，这样才能有维护应用的价值。 三、 设计方法 在设计小型控制系统时，一般是在提出系统指标要求后就开始着手硬件的设计制作和软件的编写。 然而对于复杂的实时控制系统，其难点在于设计规范的建立，系统规范的设计工作量在系统的整个项目的 开发设计中占很大比重，因此简单的设计方法往往难以满足要求，需采用规范的实时系统设计方法 (如模块化设计方法 )，根据用户需求进行系统结构的综合描述，建立详细的系统用户需求模型、系统结构模型及系统规范文件，然后再去具体的实现。 实 时 系 统 设 计 的 主 要 特 点 体 现 为 层 次 性 (Hierarchical) 和 重 复 性( Iterative)，前者表示系统开发过程依据一定的层次规程，后者表示系统开发中不断反复考虑用户需求。 复杂实时系统设计的主要问题是控制策略的设计，即整个系统需求模型和系统结构模型的设计。 其具体设计规程包括 :用户需求模 型设计。 系统结构模型设计 :系统硬件设计。 系统软件设计。 系统集成测试。 实时系统的特点决定了其设计方法，在每一步的设计过程中都要采用相应的辅助工具，例如在系统要求模型设计时，要建立系统的数据流图 DFD 和过程规程PSPEC、控制流图 CFD 和控制规程 PSPEC，在系统的结构模型设计时，采用结构流图 AFD 和结构模块规程 AMS 以及结构词典 AD、结构连接图 AID 和结构连接规程 AIS等作为辅助工具，通过需求模型和结构模型的设计进而提出整个系统的技术指标，用以指导下一步的硬软件设计。 锅炉是一个较复杂的调节对象，为保证提供 合格的蒸汽适应负荷的变化，生产过程主要参数必须严格控制。 主要调节量有：负荷、锅炉给水、燃料量、减水量、送风等。 主要输出量有：汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气等。 这些输入量与输出量之间是互相制约的。 例如，蒸汽负荷变化，必然会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度的变化；燃料量的变化，不仅影响蒸汽压力，还会影响汽包水位，过热蒸汽温度、空气量和炉膛负压等。 对于这样复杂的对象，工程处理上作了一些简化，将锅炉控制划分为若干个调节系统。 主要调节系统有：汽包水位，燃烧和炉膛负压调节。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 11 燃油 锅炉控制系统的理论 PID 控制理论 本文用 8031 单片机实现控制，为了便于用户根据不同的实际需要对工作方式及其他参数组态进行修改，要求所有的参数及组态状况均可通过面板的几个操作键输入、检查、修改，并可在断电情况下，使参数保存半年。 为了便于与上级计算机构成两级控制系统，在单片机控制系统中还加入了通信功能。 采用 RS232 接口，通信速率为 1200b/S、 2400b/S、 4800b/s 和 9600b/s 等四种波特率，由用户通过键盘自行按需要选择。 系统的测量值和所有设定参数均由 LED 数码管直接显示， 读数清晰，直观。 控制器的结构如图 22所示。 P I D控 制 器执行机构被控过程参 数 检 测 与 变 送 eW给 定 值++Y 图 22 PID 控制结构空图 一、 PID 调节器 按照偏差的比例，积分和微分进行控制的调节器，叫 PID 调节器。 它是连续系统中技术成熟，应用最为广泛的一种调节器。 结构简单，易于参数调整。 二、 PID 调节器的特点 比例调节器 比例调节器的优点是反映快，对于干扰有及时而有效的抑制作用。 但它有一个不可避免的缺点，即存在静态误差。 一旦被调量偏差不存在，调节器输出也就为零。 即调节作用是以偏差的存在为前提 的。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 12 积分调节器 积分调节器的优点是只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强直到偏差为零。 偏差消除以后，输出将停留在新的位置上，而不回复原位。 因而能保持静差为零。 它的缺点是动作过于迟缓，因而在改善静态准确度的同时，往往使调节动态品质变坏，过渡过程时间延长，甚至造成系统的不稳定。 微分调节器 它的优点是能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽之中 [12]。 缺点是它对静态偏差毫无抑制作用。 以上三种调节器组合起来，组成比例 +积分 +微 分作用的调节器，称 PID 调节器。 这种 PID 调节器，其微分作用主要用来加快系统的动作速度，减少超调，克服振荡。 积分作用主要用来消除静差。 PID 调节器的突出优点为： （ 1）技术成熟 PID 调节器是连续系统中技术最成熟，且应用最广泛的一种控制方法。 它结构灵活，不仅可以用常规的 PID 还可以根据系统的要求，采用各种 PID 的变种，如 PI、 PD 等。 （ 2）易被人们熟悉和掌握 生产技术人员及操作人员都比较熟悉它并在实践中积累了丰富的经验，特别是一些工作时间较长的工程技术人员。 （ 3）不需求出数学模 型 到目前为止，仍有许多工业对象很难或根本得不到数学模型。 应用直接数学控制方法比较困难甚至根本不可能，所以必须用 PID 算法。 （ 4）控制效果好 计算机控制是高效的，对于时间常数比较大的系统来说，是近似于连续变化的。 因此用数字 PID 完全可以替代模拟调节器。 所以数字方式模拟 PID 仍是目前应用比较广泛的方法 [3]。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 13 PID 控制理论扩展 在实际控制系统中，控制变量实际输出值往往受到执行机构性能的约束（如放大器的饱和），而被限制在有限的范围内，即： yy y m axm in  (式 31) 其变化也限制在一定范围内，即： yy|| max (式 32) 如果计算机输出的控制变量 n 在上述范围内，那么 PID 控制可以达到预期的效果。 一旦超出上述范围（如超出蒸汽阀门的最大开度），则实际执行的控制量就不再是计算值，由此将引起不期望的效应，称为饱和效应。 为了克服积分饱和，有以下几种改进的 PID 控制算法，下面分析介绍。 一、遇限制消弱积分法 这种方法的思想是：一 旦控制变量进入饱和区，停止增大积分项。 具体说，在算 Ui 时，特别注意上一时刻的控制量 yi1是否超出限制。 如果已超出，那么将根据偏差的符号，判断系统输出是否在超调区域，由此决定是否应将相应偏差计入积分区，如图 23 所示： 图 23 遇限制消弱积分法克服积分饱和 e 0e 00Umaxttyw0长春工业大学人文信息学院毕业设计（论 文） 14 图 24 采用遇限制积分削弱法 PID 算法框图 二、积分分离法 减小积分饱合的关键在于不能使积分项过大，上面的修正方法是一开始就积分，在进入限制范围内即停止积累。 积分分离法在开始时不进 行积分，直到偏差达到一定值后才开始进行积分。 如图 25 所示（ a 不采用积分分离法， b 采用积分分离法）。 当误差的绝对值小于预定的门限值时，才进行积累。 计算误差根据增量式 PID 算式计算比例及积分量Ui Umin ?Ui Umax ?Ei o ?Ti 0 ?计算积分输出控制入口Y出口NNNYYYN长春工业大学人文信息学院毕业设计（论 文） 15 图 25 积分分离法克服积分饱和 这样一方面防止了一开始就有过大的控制量，另一方面即进入饱和后，因积分累积小，也能较快退出，减少了超调。 积分分离法框图如图 26 所示。 当误差在门限外时，该算法相当于比例微分调节器。 只有在门限范围内，积分才会起作用，以消除系统误差。 图 26 采用积分分离法框图 输出控制计算微分项根据增量 PID 算法计算比例及积分项计算误差Ei eYN入口出口abw0ty长春工业大学人文信息学院毕业设计（论 文） 16 三、有效偏差法 当 控制量 u 超出范围时，控制量实际上只能取边界值，即 uu max 或 uu min (式 33) 有效偏差法是将相应于实际输出的控制变量的误差值计入积分项，而不是将实际测得的误差值计入积分项。 当计算出的控制量超出限制范围时，如果实际实现的控制量为 u =u （上限值或下限值），则有效误差可按下式计算出，即为（式 34）。 有效偏差法程序框图如图 27 所示。 在 PID 位置算法中，除了对控制量的限制外，对 控制量变化率的限制也会引起饱和，可用类似的方法加以消除。 本次设计中为了克服积分饱和，我们采用了积分分离法。 （式 34） 图 27 有效偏差的算法程序框图 TTdTiTeiTTiejTiTkp ijxx ue//11*//)(*/1 10 按增量式计算 Uu = uz* ei累计 ei 积分项 ， 给出控制变量U = UmaxU = UminU Umax ?U Umin ?入口出口NYNY长春工业大学人文信息学院毕业设计（论 文） 17 第 3 章 燃油锅炉控制系统的硬件设计 锅炉控制系统的目的 实现对锅炉汽包水位，蒸汽压力，风／油比值，烟气含氧量和炉膛压力的控制。