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基于单片机的余热锅炉汽包水位控制系统设计毕业设计说明书.doc
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基于单片机的余热锅炉汽包水位控制系统设计毕业设计说明书.doc
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摘 要
汽 包 水 位 是 影 响 余 热 锅 炉 安 全 运 行 的 一 个 重 要 参 数 。 汽 包 水 位 过
高 或 过 低 的 后 果 都 是 非 常 严 重 的 。 因 此 对 汽 包 水 位 必 须 进 行 严 格 控 制
单 片 机 技 术 的 快 速 发 展 使 得 单 片 机 广 泛 应 用 于 过 程 控 制 领 域 并 极 大 地
提 高 了 控 制 性 能 。
本 设 计 从 分 析 影 响 汽 包 水 位 的 各 种 因 数 出 发 , 提 出 了 采 用 汽 包 水
位 三 冲 量 控 制 系 统 方 案 。 按 照 工 程 整 定 的 方 法 , 进 行 了 PID参 数 整 定
并 以 MATLAB为 仿 真 平 台 进 行 仿 真 , 仿 真 结 果 表 明 此 控 制 系 统 具 有 较
高 的 调 节 质 量 和 调 节 精 度 , 能 够 维 持 汽 包 水 位 的 稳 定 。 根 据 控 制 要 求
和 所 设 计 的 控 制 方 案 进 行 了 系 统 的 硬 件 设 计 , 利 用 了 单 片 机 的 编 程 实
现 控 制 算 法 并 进 行 系 统 的 软 件 设 计 , 最 终 完 成 单 片 机 在 余 热 锅 炉 汽 包
水 位 控 制 系 统 中 的 应 用 。
关 键 词 : 汽 包 水 位 三 冲 量 控 制 单 片 机 PID控 制
ABSTRACT
D r u m w a t e r l e v e l i s a n i m p o r t a n t p a r a m e t e r i n f l u e n c i n g t h e s a f e
o p e r a t i o n o f t h e s u r p l u s e n e r g y b o i l e r . T h e c o n s e q u e n c e s a r e v e r y
I
s e r i o us w h e n t h e w a t e r l e v e l i s t o o h i g h o r t o o l o w. S o t h e d r u m w a t e r
l e v e l m u s t b e s t r i c t l y c o n t r o l l e d . T h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f S C M
t e c h n o l o g y m a k e s i t w i d e l y u s e d i n c o n t r o l f i e l d a n d i t i m p r o v e s t h e
performance of control greatly.
A c c o r d i n g t o t h e i n f l u e n c e o f v a r i o u s f a c t o r s o n t h e d r u m w a t e r
l e v e l , t h i s d e s i g n a d o p t s t h e t h r e e i m p u l s e c o n t r o l s y s t e m s c h e m e o f
d r u m l e v e l . A c c o r d i n g t o t h e m e t h o d o f e n g i n e e r i n g t u n i n g , t h e d e s i g n
a d o p t s t h e t u n i n g o f P I D p a r a m e t e r s a n d u s e s M A T L A B a s t h e
simulation platform. The simulation results show that this control system
has high quality regulation and it can maintain the stability of the drum
l e v e l . A c c o r d i n g t o t h e c o n t r o l r e q u i r e m e n t s a n d t h e d e s i g n s c h e m e o f
t h e c o n t r o l s y s t e m , t h e h a r d w a r e d e s i g n w a s c a r r i e d o u t . T h e s o f t w a r e
d e s i g n o f t h e s y s t e m u s e s S C M p r o g r a m m i n g c o n t r o l . F i n a l l y , w e c a n
f i n i s h t h a t t h e d r u m w a t e r l e v e l o f t h e s u r p l u s e n e r g y b o i l e r i s
controlled based on SCM.
K e y w o r d s: w a te r l e v e l o f t h e s t e a m d r u m t h r e e i m p u l se c o n t r o l S C M
PID control
II
目 录
摘 要 .......................................................................................................I
ABSTRACT...........................................................................................II
摘 要 .................................................................................................... . . ........ I
ABSTRACT................................................................................ . . ........ . . ........ I
目 录 .................................................................................................... . . ........ I
CON TENTS................................................................ . . ........ . . ........ . . ........ . . .IV
第 1章 绪 论 ............................................................................................... . . .... 1
1.1 本 设 计 研 究 的 目 的 和 意 义 ......................................................... . ......... . ...1
1.2 国 内 外 发 展 情 况 ......................................................................... . ......... . .3
第 2章 余 热 锅 炉 汽 包 水 位 的 设 计 ..................................... . ........ . . ........ . . ........ . . .4
2.1 汽 包 水 位 控 制 系 统 的 动 态 特 性 分 析 ........................................... . ......... . ...4
2.1.1
保 持 汽 包 正 常 水 位 的 意 义
.......................................... ........ . . ........ . . ...4
2.1.2
被 控 参 数 与 控 制 变 量 选 择
.......................................... ........ . . ........ . . ...4
2.1.3
在 给 水 流 量 扰 动 下 的 动 态 特 性
.................................... . . ........ . . ........ . .7
2.1.4
在 蒸 汽 流 量 扰 动 下 的 动 态 特 性
.................................... . . ........ . . ........ . .8
2.2 控 制 系 统 的 方 案 ......................................................... . ......... . ......... . .....11
2.2.1
单 冲 量 控 制 系 统
......................................... . . . ....... . . . ....... . . . ....... . . . ...11
2.2.2
双 冲 量 控 制 系 统
............................................... ........ . . ........ . . ........ . .13
2.2.3
三 冲 量 控 制 系 统
............................................... ........ . . ........ . . ........ . .14
2.2.4
方 案 选 择
.................................................................................... . . ..15
2.3 建 立 数 学 模 型 .................................................. . ......... . ......... . ......... . .....16
2.3.1
汽 包 水 位 控 制 系 统 的 数 学 模 型
....................... . . ........ . . ........ . . ........ . . .17
2.3.2
测 量 变 送 环 节 的 传 递 函 数
...................................... . . ........ . . ........ . . ...18
2.3.3
执 行 机 构 的 传 递 函 数
......................................... . . . ....... . . . ....... . . . ......18
2.4 仪 表 的 选 择 与 各 变 送 器 转 换 系 数 的 确 定 .................... . ......... . ......... . .......19
I
2.4.1
流 量 变 送 器 转 换 系 数 的 计 算
............................................... . . ........ . . .19
2.4.2
给 水 调 节 阀 转 换 系 数 的 计 算
............................................... . . ........ . . .20
2.4.3
液 位 变 送 器 转 换 系 数 的 计 算
............................................... . . ........ . . .20
第 3章 硬 件 电 路 设 计 ................................................................. . . ........ . . ........21
3.1 A/D转 换 电 路 ............................................................................. . ......... . 22
3.2 I/V变 换 电 路 ........................................................................... . ......... . ...23
3.3 D/A转 换 电 路 .............................................................................. ........ . . 24
3.3.1 DAC0832
的 简 介
........................................... . . ........ . . ........ . . ........ . . ..25
3.3.2 AT89C51
与
DAC0832
的 接 口 电 路 设 计
..................... . . ........ . . ........ . . ....26
3.4 V /I变 换 电 路 ......................................................................... . ......... . .....28
3.5 AT89C51对 LCD的 接 口 电 路 ............................................................... . ...29
3.6 声 光 报 警 电 路 .................................................. . ......... . ......... . ......... . .....30
为 了 安 全 生 产 , 在 单 片 机 控 制 系 统 中 , 对 于 重 要 的 参 数 一 般 都 设 有 上 下 限 检 查
及 报 警 系 统 , 以 便 提 醒 操 作 人 员 注 意 或 采 取 紧 急 措 施 。 本 设 计 根 据 控 制 要 求 ,
当 测 出 采 样 值 大 于 180MM 或 小 于 -180M M 时 , 报 警 系 统 启 动 , 且 系 统 能 自 动 调 整
参 数 。 该 报 警 系 统 共 有 1个 报 警 参 数 , 即 水 位 H, 2个 报 警 点 , 即 水 位 上 限 和 水
位 下 限
[ 1 5 ]
。 ............................................................................. . ......... . ....... 30
3.7 AT89C51的 最 小 系 统 ............................................................... . ......... . ...31
3.7.1
复 位 电 路
.................................................................................... . . ..31
3.7.2
时 钟 电 路
.................................................................................... . . ..32
3.7.3
电 源 电 路
.................................................................................... . . ..34
3.8 上 位 机 与 AT89C51的 通 信 .................................................................. . ...35
第 4章 软 件 设 计 .......................................................................... . . ........ . . ......37
4.1 程 序 流 程 设 计 .................................................. . ......... . ......... . ......... . .....37
4.1.1
系 统 主 程 序 流 程 图
................................................................. . . . ......37
汽 包 水 位 检 测 量 通 过 单 片 机 输 出 信 号 作 为 给 水 调 节 阀 的 模 入 信 号 控 制 给 水 流
量 。 系 统 软 件 采 用 模 块 式 的 设 计 方 法 , 结 构 紧 凑 , 调 试 方 便 。 系 统 的 软 件 部
分 由 系 统 的 主 程 序 、 初 始 化 子 程 序 、
A/D
检 测 子 程 序 、
PID
控 制 算 法 子 程 序 、
D/A
转 换 监 控 子 程 序 和 阀 门 控 制 及 数 据 处 理 程 序 组 成 。 检 测 的 信 号 通 过
A/D
转
换 送 入 单 片 机 进 行 处 理 , 处 理 后 的 数 据 再 经 过
D/A
转 换 对 阀 门 进 行 控 制 。 当 汽
II
包 水 位 调 节 满 足 系 统 要 求 时 , 程 序 结 束 。 系 统 的 主 程 序 流 程 图 如 图
4-1
所 示
............................................................................................... . . ........ . . ... 37
4.1.2
系 统 的 初 始 化 子 程 序
......................................... . . . ....... . . . ....... . . . ......38
4.1.3 A/D
转 换 检 测 子 程 序
........................................................... . . ........ . . .39
4.1.4
增 量 型
PID
控 制 算 法 子 程 序
........................................... . . ........ . . ......42
控 制 算 法 是 单 片 机 应 用 系 统 中 一 个 重 要 组 成 部 分 , 整 个 系 统 的 功 能 主 要 由 控
制 算 法 来 完 成 。 目 前 提 出 的 控 制 算 法 有 很 多 种 。 根 据 偏 差 的 比 例 (
P
) 、 积 分
(
I
) 、 微 分 (
D
) 进 行 控 制 , 称 为
PID
控 制 。
PID
算 法 是 至 今 应 用 最 广 的 控
制 算 法 。
............................................................................. . ........ . . ........ 42
1.PID
算 法 原 理
.................................................... . . ........ . . ........ . . ........ . . ...43
PID
调 节 器 是 一 种 线 性 调 节 器 , 它 根 据 给 定 值 与 实 际 输 出 值 构 成 的 控 制 偏 差
............................................................................................... . . ........ . . ... 43
(
4-1
)
............................................................................ . . ........ . . ........ . 43
将 偏 差 的 比 例 (
P
) 、 积 分 (
I
) 、 微 分 (
D
) 通 过 线 性 组 合 构 成 控 制 量 , 对
控 制 对 象 进 行 控 制 , 故 称 为
PID
调 节 器 。
............. . ........ . . ........ . . ........ . . ....43
PID
调 节 器 的 控 制 规 律 为
........................................................... . . ........ . . ..43
4.1.5 D/A
转 换 监 控 子 程 序
................................................................. . . . ....47
4.1.6
报 警 子 程 序 流 程 图
................................................................. . . . ......48
第 5章 PID参 数 整 定 及 仿 真 ................................................................... . . .......49
5.1 PID控 制 器 参 数 整 定 ........................................ . ......... . ......... . ......... . ......49
5.2 系 统 仿 真 分 析 .................................................. . ......... . ......... . ......... . .....52
总 结 .................................................................................................... . . ...... 55
致 谢 .................................................................................................... . . ...... 56
参 考 文 献 ..................................................................................... . ......... . ...... 57
附 录 1: VI 电 路 仿 真 图 ................................................................... ........ . . .......59
附 录 2: 硬 件 电 路 大 图 ............................................................. . . ........ . . ........ . . .61
III
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