锅炉汽包液位的三冲量调节

题目：锅炉汽包液位的三冲量调节姓名：学号：_姓名：学号：_姓名：学号：2010年 12月10 日过程控制课程设计任务书设计时间设计要求指导教师锅炉汽包液位的三冲量调节2010年12月4 日 至 2010年12月10 日 共 1 周设计任务：锅炉汽包液位的三冲量调节，用PID、模糊PID控制等 方法实现对锅炉液位的控制。要求：1、超调小、调节时间短，对扰动的抑制效果好;2、给出控制策略和选定参数，并详细说明参数整定过程;3、给出MATLAB下的仿真曲线。4、给出硬件实现方案，包括控制器和检测回路芯片的具体型号。方案设计:1.采用Matlab完成控制系统的设计仿真;2.选择元器件，完成电路设计，使用Protel绘制原理图;3.控制器采用单片器实现，型号可自选。报告内容:1.控制系统仿真和设计步骤，应包含Matlab仿真的性能曲线、 控制策略、参数选择和详细的参数整定过程、结果分析；2.元器件选型及选型原则，电路设计，以及绘制的Protel原理图;3.软件流程图，以及含有详细注释的源程序;4.设计工作总结及心得体会;5.列出所查阅的参考资料。指导教师签字:系（教研室）主任签字:2010 年 12 月 4 日1 问题重述锅炉汽包液位是锅炉运行中一个重要的监控参数，反映了锅炉负荷 与给水的平衡关系，要求汽包液位控制在一定范围内。锅炉汽水系统结 构如图 1 所示。图 1 锅炉汽水系统1给水泵；2给水母管；3调节阀；4省煤器5锅炉汽包；6下降管；7上升管；8蒸汽母管汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易 使水全部被汽化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还 有蒸汽负荷和给水流量的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时， 水就会被急剧汽化，出现大量气泡，形成“虚假液位”。单冲量控制系统的负荷一旦急剧变化就会出现虚假液位，因液位升 高，调节器就会关小供水阀门而造成事故。双冲量控制系统，是在单冲 量控制系统的基础上加上一个蒸汽冲量，以克服虚假液位。三冲量调节 系统，它是在双冲量控制系统上再加上一个给水流量的冲量。由蒸汽流 量、给水流量前馈与汽包液位反馈所组成的三冲量控制系统，如下图所 示。aPIE萎汽流量水位设定值控制器汽包对象*调节阀三冲量控制系统框图a 、 a 、 a 分别为蒸汽流量变送器、给水流量变送器、差压变送D W H器的转换系数。已知某供汽量为 120t/h 的锅炉，给水流量与水位的传递函数G (S)，蒸汽流量与水位的传递函数G (S)分别为：12(1)(2)G (S)=H(S) =0.05291- W(S厂 S(8.5S + 1)H(S)2.6130.0747G (S)=2D (S)(6.7 S +1)2Sa 、a 、a 分别为： 0.0667， 0.0667 及 0.0333。调节阀采用线性阀，D W H增益为 15。试用PID、模糊PID控制等方法实现对锅炉液位的控制。要求：1、超调小、调节时间短，对扰动的抑制效果好；2、给出控制策略和选定参数，并详细说明参数整定过程；3、给出MATLAB下的仿真曲线。4、给出硬件实现方案，包括控制器和检测回路芯片的具体型号。2.采样周期T的选择采样周期在计算机控制中是一个重要的参数。从信号保真度看， 采样周期不宜太长，即采样频率不应该过低。Shannon采样定理给出了 下限角频率3S三2, 为原信号的最高频率。采样周期应尽可 max max 能的短，以使采样后的离散信号可以近似于连续信号，数字控制具有接 近于连续控制系统的质量。但采样频率过高，将使得数据存数容量加大， 计算工作量加大，并且采样频率高到一定程度，对系统性能的改善效果 并不显著。所以，我们要找到一个最佳的采样周期。综合各种因素考虑， 我们选择采样周期 T=0.02S3. 汽包锅炉水位控制系统的设计汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是 控制领域的一个典型的难问题。随着控制理论、控制技术和现代控制方 法的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐渐提高。其间主要经历了上世 纪三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表 控制，以及六十年代兴起的计算机控制等几个阶段。通常有如下几种方 案：(1) 单冲量控制系统。即汽包水位的单回路水位控制系统；(2) 双冲量控制系统。即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号；(3) 三冲量控制系统。是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而 构成。根据课程设计的要求，本文着重研究三冲量控制系统的方案设 计。如下图所示的三冲量串级控制系统框图中，主调节器接受水位信 号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节 器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量信号。蒸汽流量信 号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化 时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用， 因此减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流量信号作为调节阀动作 后的反馈信号，能使控制器及早知道控制的效果，做出相应的调整。恥）%萎汽流量设定值水位控制器汽包对象6调节阀由题目我们可以得知上图中的参量：给水量与水位的传递函数：0.0529s(8.5s +1)蒸汽流量与水位的传递函数：2.613 0.0747G2( S)=丽每 I蒸汽流量变送器的转换系数：二0.0667D给水流量变送器的转换系数：二0.0667W压差变送器的转换系数：a = 0.0333H面我们用衰减曲线法进行主回路中 PID 控制器的参数整定。将上面的系统框图进行简化，我们可以得到如下框图:使用Matlab进行系统仿真，置PID调节器积分时间T为最大，I 微分时间 T 为零，比例带为较大值，使设定值为阶跃响应，观察系统D 的响应。若系统响应衰减太快，则减小比列带；反之，系统响应衰减过 慢，应增大比例带。如此反复，直到系统出现如下图所示的4:1 衰减振 荡过程。可以得到，此时的比列带5 =0.05和振荡周期T =70数值。ss根据经验，我们的控制器使用 PI 控制规律，再由课本表3.4 的衰 减曲线法整定计算公式可得:5 二 1.25 二 1.2 x 0.05 二 0.06T = 0.5T = 0.5 x 70 = 35sIs所以我们得到：k - 1 - 1 -16.7p 50.067 k T 16.7 x 0.02k - - 0.001i T35I即差分方程：Au(k) = u(k) 一u(k 一 1) = k e(k) 一e(k 一 1) + k e(k) = 16.7e(k) 一e(k 一 1) + 0.001e(k)pI4.锅炉汽包水位的Matlab仿真串级三冲量控制系统的 SIMULINK 仿真模型如下图所示。串级三冲量控制系统 SIMULINK 仿真模型主控制器参数为k =-= 丄 =16.7 , k二kP二167二0.48，调节p 50.06i T 35I阀参数为仏=15,仿真时间设为1000s,加单位阶跃信号，并分别在400s和 700s 分别加给水流量扰动和蒸汽流量扰动，最终得到的响应曲线如下图所示。串级三冲量控制系统响应曲线仿真结果分析：串级三冲量控制系统在快速性、抗干扰性上优越， 响应曲线平稳，对蒸汽流量扰动的抑制也很强。5 硬件设计实现本系统是关于锅炉的液位控制介绍。具体控制过程为:利用由高亮 二极管和光敏三极管所组成的液位传感器把液位的状态转换成模拟信 号，再通过模数转换器 ADC0809 把输出状态直接接到单片机的 I/O 接 口，单片机经过运算控制，输出地数字信号再通过DAC0832转化成为 模拟信号。5.1单片机的选择8051单片机是由运算器、控制器、定时器/计数器及I/O接口电路 等构建组成，并且集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它以体积 小，功能全，价格低及控制功能强等特点，使之在控制中得到广泛应用。 此外， 8051 单片机的应用时面向现场的，因此它具有很强的抗干扰能 力，这是其它计算机所不及的。此外， 51 单片机的价格相对于其他同 类产品也较便宜，即性价比较高，故而我们选择 51 单片机作为系统控制器。5.1.1 工作原理首先给出锅炉水位的正常工作范围，由于水不断蒸发使水位下降， 8051 单片机发出控制信号，控制执行机构，使给水阀门开打，注水量 增加，水位恢复到规定范围内；当水位高于规定值时，8051 单片机再 次发出控制信号，使给水阀门变小，注水量降低，水位又恢复到规定范 围。如此循环工作，使汽包水位得以准确控制，保证锅炉的安全、可靠 运行。51 单片机与 AD 和 DA 的接口连接如下图所示：5.1.2 控制的程序框图系统控制的程序流程图5.2 AD转换器AD转换器选择ADC0809, ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入，8 路数字输出的 A/D 转换器。AD 转换器的电路设计 ： 由于需要两路信号，选择IN-O, IN-1输入，其中地址线ADD-A和ADD-B固定接地，ADD-C为低时选IN-0输入，ADD-C为高时选IN-1 为输入。(2) 单片机的 ALE 经过二分频后与 ADCO8O9 的时钟端相连。(3) START脚为AD转换启动信号，高电平有效，由程序控制，故与单 片机的P2.0脚通过非门相连。(4) AD 采样值为系统的偏差信号，有正负两种情况，故选择 ADCO8O9 的参考电压为正负 5V。(5) AD转换结束后，EOC脚输出高电平，此时单片机接收EOC信号， 读取AD转换的结果，将EOC脚经反相器与单片机的INTO脚相连。 AD转换结果由P0 口读入，故将AD转换器的输出与单片机P0 口相连, 高低位依次相连。经以上分析，设计AD转换器的接口电路如图所示5.3 DA转换器DA转换器选择DAC0832,DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与51单片机相连，其主要特性为：a) 分辨率为8位b) 电流输出，稳定时间为1sc) 可双缓冲输入，单缓冲输入或直接数字输入,单一电源供电DA转换器的电路设计：(1) 参考电压选择+5V,直接与供电电源相连。(2) 选择 DAC 为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态， DAC 寄 存器处于直通状态，由 DACO832 的引脚特性，将 DACO832 的引脚接 发如下：CS：片选端，低电平有效，直接接低电平ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效，直接接高电平。WR2： DAC 寄存器写选通控制端，低电平有效，由于其处于直通状态， 故直接接低。XFER:数据传送控制，低电平有效，故直接接地。WR1；第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。其输入为上升沿 时，将输入数据锁存到 DAC 寄存器，故将该脚与单片机 P2.2 口相连 由程序控制 DA 转换的时间。(3) DA的八路输入，与单片机的P1 口相连，高低位依次对应。电路总图如下所示：6 部分程序代码#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intfloat CL0p=0;/系数 CLO；#define ADC0809 P0;/AD0809 的端口部分,P0 为 AD 的数据接口； sbit M=P22;/AD读入数据选择控制；sbit AD_Start=P20;/开始转换信号有TO定时来控制；sbit AD_CLOCK=CLK; /时钟信号由单片机提供；#define DAC0832 P1； /DAC0832 的端口部分;P1 为 DA 的数据接口; float C1_O,C1_1;/分别为k,k-1时刻输入的偏差；float DUK;/为k时刻PID控制器的输出floa t R;/系统液位的预定值； main()C1_O=C1_1=O;DUK=O;M=1;WHILE(M=1) R=ADO8O9;M=O;TMOD=OXO1;/定时器控制方式TLO=OXEO;/定时器初始化；THO=OXB1;TRO=O;/关闭TO计时；ETO=1;PTO=1;/TO中断允许优先级；EXO=1;ITO=1;/触发方式，跳沿 触发；DAO832=OxOO;/先清零DA；TRO=1;/定时器开始计时，20ms转换次;EA =1;/总中断开；while(1);/等待中断/单片机中断处理程序；/输入偏差递推赋值；void int_O(void) interrupt OEA=O;AD_START=1;C1_O=R-ADO8O9;DUK=1.67C1_O-C1_1+O.OO1C1_O C1_1= C1_O;DACO832=CKO;EA=1;void inter_timer0()interrupt 1 /定时器0溢出中断；EA=0;TL0=0XF0;TH0=0XD8;AD_Start=0;/启动 AD；EA=1;6 工作总结和心得体会本文以工业锅炉控制为背景，主要以其中的汽包水位控制系统为 对象，研究了典型的控制方案并用Mat lab工具作了仿真，主要作了一 下工作：1. 设计锅炉汽包水位的控制方案并在Matlab进行仿真计算。2. 利用单片机完成相关硬件设计，绘制Pro tel原理图。3. 软件流程图及源程序。通过这次过程控制课程设计，我们不仅更加深刻地理解了锅炉液 位的三冲量控制，而且将我们在过程控制控制， matlab， protel 与单片 机课程上所学到的知识相结合，更进一步提高了我们综合运用知识的 能力。通过课程设计将所学到的专业知识联系在一起，我们明白了理 论知识的重要性和应用范围的宽广，加深了对专业、对工程设计的理 解。更加重要的是我们认识到做事要有耐心，切忌浮躁。当刚开始看到课程设计的题目要求时，我感觉我们的题目很简单。 可是进一步做分析后我发现 1、思路不明确，根本不知道从什么地方入 手； 2、基础知识不扎实，发现很多概念都模糊了。当我静下心来，认 真理解题目并规划好做题步骤，就发现原来目标还是很明确的。首先， 我把有关过程控制这门课的基本知识重新复习了一遍，包括简单控制系 统的工程整定， AD、DA 转换，串级控制系统等相关内容。然后我经 过多方查阅资料，将课程设计的大体步骤列出。最后将每一步的工作都 具体化，就这样我们一步步完成了课程设计。