辽宁工业大学
过程控制系统课程设计（论文）题目：锅炉汽包温度控制系统
院（系）：
专业班级：
学号：
学生姓名：张朝阳
指导教师：
教师职称：
起止时间：2009.7.6-7.17
课程设计（论文）任务
院（系）：电气工程学院教研室：自动化
目录
第1章锅炉汽包温度控制系统设计方案 (1)
1. 1系统设计方案概述 (1)
1.2 锅炉汽包温度串级控制系统仿真 (2)
第2章锅炉汽包温度控制系统硬件设计 (3)
2.1系统对象特性设计 (3)
2.2系统检测回路设计 (3)
2.3控制器设计 (5)
2.4执行器选择 (7)
第3章锅炉汽包温度控制系统软件设计 (9)
3.1 程序设计 (9)
3.2 温度控制算法程序设计 (10)
第4章设计结论 (13)
参考文献 (14)
第1章锅炉汽包温度控制系统设计方案
1. 1系统设计方案概述
本次设计采用串级控制系统对锅炉汽包温度进行控制。
过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成，通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。
串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。
串级控制系统工程应用场合如下：
（1）应用于容量滞后较大的过程。
（2）应用于纯时延较大的过程。
（3）应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程。
（4）应用于参数互相关联的过程。
（5）应用于非线性过程。
正因为串级控制系统具有上述特点，所以本次设计采用串级控制系统对锅炉汽包温度进行控制。
采用单片机作为主控制器，锅炉汽包温度为主被控对象，上水的流量为副被控对象，电磁阀为执行器，利用AD590传感器检测汽包温度，利用流量传感器检测上水流量。锅炉汽包温度串级控制系统框图如图1.1所示，系统原理图如图1.2所示。
图1.1锅炉汽包温度串级控制系统框图
图1.2 锅炉汽包温度串级控制系统原理图
1.2 锅炉汽包温度串级控制系统仿真
锅炉汽包温度串级控制系统仿真，积分环节Initial=0，两个检测变送环节参数设定时间常数T=0.01s，扰动通道传函为时间常数T=2s。输入信号和扰动信号皆为单位阶跃信号。扰动作用时间F1为step time=50s，
仿真波形如图1.2所示。
图1.2 串级控制系统仿真波形
第2章锅炉汽包温度控制系统硬件设计
2.1系统对象特性设计
锅炉汽包温度串级控制系统选择锅炉汽包温度为主被控对象，副被控对象为上水流量。当锅炉汽包温度变化的时候，通过控制上水流量改变汽包温度，并最终使其恒定。
主被控对象：锅炉汽包温度
=（2—1）副被控对象：上水流量
=（2—2）2.2系统检测回路设计
2.2.1主控、副控回路检测环节传感器选择
主控对象检测元件选择为温度传感器AD590。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K 式中：—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
4、输出电阻为710MW。
5、精度高。
副控回路检测元件选择电磁式流量传感器。
导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感生电动势。因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的，但它还是有许多优点。
由于电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小。
能够得到与容积流量成正比的输出信号。测量结果不受流体粘度的影响。由于电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小。测量范围宽，测量精度高。
2.2.2采样检测电路设计
为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性，超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A/D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。采样检测电路如图2.1示。
图2.1采样检测电路
2.2.3 A/D转换电路
A/D转换电路采用ADC0809转换器。将采集来的模拟信号转换成数字信号输出转换完成的信号EOC经反相器接单片机的P3.2口，A/D转换电路如图2.2所示。
图2.2 A/D转换电路
2.3控制器设计
选用单片机作为控制器，对锅炉汽包温度进行控制。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
2.3.1 CPU选择
单片机接受A/D 转换电路输入的数字信号，并将输入的信号进行处理和运算，以控制控制电流或者控制电压的形式输出给被控制的电路，完成控电磁阀的任务。本设计的单片机选用Atmel 公司的AT89C51 单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚与MCS—51 系列单片机的指令和引脚设置兼容。
AT89C51引脚图,如图2.3所示。
图2.3 AT89C51引脚图
2.3.2时钟电路
单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准。AT89C51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1（X1）和XTAL2（X2）分别是此放大电器的输入端和输出端。该反向放大器可配置为内部振荡。在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，时钟电路如图2.4所示。
图2.4时钟电路
2.3.3 复位电路
单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST 引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST 引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET 引脚保持10ms 以上的高电平，单片机就能实现复位。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用手动复位方式，复位电路如图2.5所示。
图2.5复位电路
2.3.4 电源设计
由10V交流电供电，经过桥式整流，电容滤波，得到12V的直流电压，12V的直流电压与MC7805T芯片，以及电容相接，产生+5V电压，给系统供电。
图 2.6 电源电路
2.3.5 单片机最小系统设计
单片机最小系统如图2.7所示。
图2.7 单片机最小系统
2.4执行器选择
执行器选择气开型电磁阀，通过控制阀的开度来实现流量控制。气开型是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。
故有时气开型阀门又称故障关闭型。气关型动作方向正好与气开型相反。当空气压力增加时，阀门向关闭方向动作，空气压力减小或没有时，阀门向开启方向或全开为止。故有时又称为故障开启型。气动调节阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。当气源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全。
本系统选择的阀为DFD系列液、气电磁阀其型号为DFD-15，其外形图如图2.8所示。
图2.8 气开电磁阀外形图
第3章锅炉汽包温度控制系统软件设计3.1 程序设计
主程序流程图如图3.1所示。
图3.1 锅炉汽包温度控制系统主程序流程图
3.2 温度控制算法程序设计
本次设计采用增量式PID 控制算法，来实现温度控制。 增量式PID 控制算法公式如下：
(3-1)
程序流程图如图3.2所示。
温度控制算法程序如下： /*PID Function
The PID (比例、积分、微分) function is used in mainly control applications.
计算
计算
计算
计算
计算
图3.2温度控制算法程序
PIDCalc performs one iteration of the PID algorithm.
While the PID function works, main is just a dummy program showing a typical usage. */ typedef struct PID
{
int SetPoint; //设定目标Desired Value
long SumError; //误差累计
double Proportion; //比例常数Proportional Const
double Integral; //积分常数Integral Const
double Derivative; //微分常数Derivative Const
int LastError; //Error[-1]
int PrevError; //Error[-2]
} PID;
static PID sPID;
static PID *sptr = &sPID;
/*============================================================== Initialize PID Structure PID参数初始化
==============================================================*/ void IncPIDInit(void)
{
sptr->SumError = 0;
sptr->LastError = 0; //Error[-1]
sptr->PrevError = 0; //Error[-2]
sptr->Proportion = 0; //比例常数Proportional Const
sptr->Integral = 0; //积分常数Integral Const
sptr->Derivative = 0; //微分常数Derivative Const
sptr->SetPoint = 0;
}
/*==============================================================
增量式PID计算部分
==============================================================*/ int IncPIDCalc(int NextPoint)
{
register int iError, iIncpid; //当前误差
iError = sptr->SetPoint - NextPoint; //增量计算
iIncpid = sptr->Proportion * iError //E[k]项
- sptr->Integral * sptr->LastError //E[k－1]项
+ sptr->Derivative * sptr->PrevError; //E[k－2]项//存储误差，用于下次计算
sptr->PrevError = sptr->LastError;
sptr->LastError = iError; //返回增量值
return(iIncpid);
}
第4章设计结论
本次设计的锅炉汽包温度控制系统，采用串级控制系统实现对温度的控制。此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。
本系统采用单片机作为主控制器，单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
本系统选取锅炉汽包温度为主被控对象，上水的流量为副被控对象，电磁阀为执行器，利用AD590传感器检测汽包温度，利用流量传感器检测上水流量。通过调节电磁阀开度实现上水流量控制，进而控制锅炉汽包温度。
参考文献
[1] 孙优贤.工业过程控制技术-应用篇.北京：化学工业出版社，2006.1：79-135
[2] 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004.3：77-88
[3] 邵裕森.过程控制工程（第二版）.北京：机械工业出版社，2004.8：45-90
[4] 翁维勤.过程控制系统及工程. 北京：化学工业出版社，2002.7：42-62
[5] 张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2003：126-135
[6] 何希才.传感器及其应用电路.北京：电子工业出版社，2001.3：134-150