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1、摘 要工业自动化涉及的范围很广，过程控制是其中最重要的一个分支。它主要针对工业过程的五大参数，即温度、压力、流量、液位(或物位)、成分和特性等参数的控制问题。过程控制覆盖了很多工业部门，例如石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织等部门，在国民经济中所占有的地位极其重要。根据实际应用领域和工艺过程的不同，所采用的控制方式及其侧重点也不相同。而在大量的工业生产中燃烧都是必要的一环，从燃烧角度来说，有燃油、燃煤、燃气的区别。虽然燃烧的应用场合和燃料可能不同，但燃烧过程的控制都不外是燃烧控制、温度控制、燃烧程度控制、安全性控制、节能控制等。本文仅以燃油蒸汽锅炉为例说明燃烧系统中具有一定普遍性的控制问题。本
2、次课题的目的就是基于生产实际的需求，针对蒸汽压力控制、燃料空气比值控制和炉膛负压控制进行系统框架设计并在MATLAB环境下建立模型、进行控制算法的实现研究。其主要采用了MATLAB中的SIMULINK工具箱进行仿真，通过模拟示波器中的波形来调节参数，改良控制效果。关键字：燃烧控制系统 MATLAB 过程控制 SIMULINKAbstractIndustrial automation involve a very wide range, while process control is one of the most important branches. It mainly refer to
3、control techniques of five industrial processes parameters which are temperature, pressure, and flow, liquid level (or bits), composition and characteristics. Process control covers many industries, such as petroleum, chemical industry, electric power, metallurgy, light industry and textile departme
4、nt.It occupied an extremely important position of the national economy.The control modes and their emphasis depend on the different actual application and process engineering.Combustion is essential in the industrial production.Burning speaking, it can be divide into fuel, coal and gas. Although bur
5、ning applications and fuel combustion process may be different, the control of burning process all involve burning control, temperature control and burning level control, safety control, degree of saving energy control etc. This paper only to take fuel steam boiler combustion system as an example,it
6、 illustrates the control problems with certain universality in the combustion system. The purpose of this subject is to design the system framework for steam pressure control, fuel air ratio control and hearth negative pressure based on the actual production needs, also make model in the MATLAB envi
7、ronment as well as research for the algorithm of control . It mainly uses the MATLAB and SIMULINK toolbox, adjusting the parameters in terms of the waveform of oscilloscope.As a result, the control effect improved.Keywords: Combustion Control System MATLAB Process control SIMULINK独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕
8、业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 二一年九月二十日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服
9、务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二一年九月二十日目 录第1章 概 述- 1 -1.1 锅炉及其微机控制简介- 1 -1.2 燃油锅炉的主要设备- 2 -1.3 燃油锅炉的三大工作过程- 3 -1.3.1 燃料的燃烧过程- 3 -1.3.2 水的汽化过程- 3 -1.3.3 烟气向水的传热过程- 4 -1.4 锅炉的计算机控制系统- 5 -1.5 本文的设计内容及要求- 6 -第2章 锅炉控制系统总体方案设计- 7 -2.1 锅炉控制系统框图- 7 -2.2 系统的控制方案- 7 -2.2.1 微机控制方案- 7 -2.2
10、.2 功能模块板控制方案- 8 -2.2.3 新型计算机控制系统方案- 8 -2.3 系统的相关配置- 9 -2.4 燃油锅炉的控制方法- 9 -2.5 燃油锅炉控制系统的理论- 11 -2.5.1 PID控制理论- 11 -2.5.2 PID控制理论扩展- 13 -第3章 燃油锅炉控制系统的硬件设计- 17 -3.1 锅炉控制系统的目的- 17 -3.2 锅炉控制系统的过程控制机- 17 -3.2.1 芯片介绍与连接- 17 -3.2.2 键盘和显示器- 22 -3.2.3 A/D通道- 24 -3.2.4 D/A通道- 25 -3.2.5 隔离器- 28 -3.3 传感器的选择- 28 -
11、3.3.1 热电偶传感器的工作原理- 29 -3.3.2 热电偶传感器的接触电势- 29 -3.3.3 热电偶冷端温度误差及补偿- 30 -3.4 信号放大- 30 -3.5 克服扰动措施- 32 -3.6 锅炉的给水控制- 33 -3.7 燃烧器的自动调节系统- 35 -3.8 蒸汽压力调节对象的特性- 36 -第4章 燃油锅炉控制系统的软件设计- 37 -4.1 系统主程序- 37 -4.2 系统中断服务程序- 37 -4.3 系统其他子程序- 37 -4.4 主程序清单- 41 -第5章 燃油锅炉控制系统性能分析- 42 -5.1 MATLAB环境下控制算法研究- 42 -5.1.1 系
12、统辨识- 42 -5.1.2 控制系统参数整定- 43 -5.2 控制系统SIMLINK仿真- 46 -结 论- 48 -致 谢- 49 -参 考 文 献- 50 -附录1：小型燃油采暖锅炉电气控制系统原理图- 52 -附录1:小型燃油采暖锅炉电气控制系统主程序清单- 53 -第1章 概 述1.1 锅炉及其微机控制简介锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽，现在可作为风机、压缩机、大型泵类的驱动动力源。又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大、生产设备的不断更新，作为全厂动力源和热源的锅炉，亦向着大容量、高效率发展。为了
13、确保安全、稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得特别重要了。锅炉按燃料种类来分，可分为燃油锅炉、燃汽锅炉和燃煤锅炉。在化工生产过程中，由于产生各种不同的残油、残渣、炼厂气等，所以多用燃油和燃汽锅炉。而在其它工业中，常用的还是燃煤锅炉。锅炉计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作1。工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以
14、下明显优势： 1直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误。2可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象。3在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数。4减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投
15、资也减少了故障率。 5提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高5%计，全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000元。 6锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵，等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%。7 锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生
16、变化。故而理想控制应该采用多变量解耦控制方案。而建立解耦模型和算法通过计算机实现比较方便。8 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。1.2 燃油锅炉的主要设备锅炉是一种产生蒸汽或者热水的热交换设备。它通过煤、油或天然汽等燃料的燃烧过程释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供给工业、生活等生产中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。锅炉的主要设备：气
17、锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。炉子：是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。锅筒：是自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。（须指出，直流锅炉内无锅筒。）水冷壁：主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。过热器：是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧。引风设备：包括引风机，烟囱，烟道几部分。用它将锅炉中的烟气连续排出。送风设备：包括有鼓风机和
18、分道组成。用它来供应燃料所需的空气。给水设备：由水泵和给水管组成。水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。1.3 燃油锅炉的三大工作过程燃油锅炉的工作过程总体包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程 、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。1.3.1 燃料的燃烧过程首先将燃料（这里用石油）加到油箱中，利用油泵将燃料油送入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动，燃料所需要的空气是由风机送入炉排腹中风仓后，进行燃料反应形成高温烟气。（若是燃气式锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程2。1.3.2 水的汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和水
19、分离过程。经处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于饱和状态的汽，水混合物。位于烟温较低区段的对流灌束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而位于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小，从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒形成了锅水的自然循环。蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒本身空间的重力分离力作用，是汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部引出后，进入蒸汽过热气，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部的水中。锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接触的金属受热面的以冷却而不被烧坏，是锅炉能
20、长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要的设备。1.3.3 烟气向水的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛的四周墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传给管内工质水。继而烟棋手引风机，烟囱的引力下向炉膛上方流动。烟气出烟窗炉膛出口）并略过防渣管后，就冲刷蒸汽过热一组垂直放置的蛇型管受热面，使气锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而得到的过热。烟气流经过过热气后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S”型形成曲折地横向冲刷，再次以对流换热的方式将热量传递给管束的工质。沿途降低温
21、度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热气内的工质进行热交换后，以经济的较低的烟温排出锅炉。省煤器实际上同给水预热气和空气预热器一样，斗设置在锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了燃料。以上就是一般锅炉供水的过程，一个锅炉进行工作，其主要任务是：（1）要是锅炉出口蒸汽压力稳定。（2）保证燃烧过程的经济性。（3）保持锅炉负压恒定。通常我们是炉膛负压保持在微负压（-1080Pa）。为了完成上述三项任务，我们对三个量进行控制：燃料量，送风量，引风量。从而使锅炉能正常运行。1.4 锅炉的计算机控制系统常见的工业锅炉系统如图1-1所示。首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给
22、水调节阀进入加热炉，冷水在经过加热炉的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面，因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。图1-1 常见的锅炉系统这种方式使锅炉的热能得到节约。锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、PLC、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、
23、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、滑差电机及阀等，自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故锅炉控制系统，一般有燃烧、水位等控制系统。燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，量出而入不断根据用汽量与压力的变化成比例地调整燃料
24、量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用，其中保持合适的“空燃比”是一个重要因素。“空燃比”是指燃烧中空气量与燃烧量的比值系数。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。炉膛负压控制系统是使进出炉膛的空气量维持平衡的控制系统，一般以炉膛压力作为空气量平衡
25、与否的控制指标，通过调整排向大气的引风量达到空气量进出平衡，为提高控制品质，一般以送风量或送风档板开度作为前馈量构成前馈反馈控制系统。微机锅炉控制技术具有良好实用前景，既可节能又可提高锅炉的运行管理水平，减轻环境污染，目前国内只有几百台锅炉采用微机控制，占总数的很小一部分，所以推广应用该技术就显得十分繁重3。同时，该技术也在不断完善和提高，在进一步降低造价及锅炉本体设备的改造紧密配合方面还有许多工作要做。1.5 本文的设计内容及要求锅炉作为一种多输入、多输出、多回路的非线性控制对象，其各个回路之间相互影响，从而造成多变量之间的耦合，加大了各项指标的控制难度。因此，合理的设计控制回路，使温度、压
26、力及液位等重要控制指标能够被精确的测量和控制。本文就一台燃油锅炉燃烧、加热的自动控制的工作过程进行设计。实现对温度、压力、水位等参数的检测。采用微机控制技术，设计一个2T的燃油锅炉信号采集控制系统。第2章 锅炉控制系统总体方案设计2.1 锅炉控制系统框图锅炉控制系统，一般包含炉内温度、进水温度、出水温度、水位、蒸汽压力检测与控制系统，锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整供油量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用4。系统结构框图如图所示：图2-1 锅炉控制系统结构框图2.2 系统的控制方案2.2.1 微机控制方案现成的微型计
27、算机包括工业控制机、集散系统、可编程控制器和普通微型计算机。（1）选用工业控制机。这种控制机不仅在硬件上考虑了工业控制的要求，并且配有丰富的系统软件，有些还配置了应用软件。可以根据要求灵活运用。所以用户的研制、开发工期小，设计周期短。工控机大多采用模板式结构，可以根据实际要求选择产品的功能和模块，这是一般中小型控制系统的首选方案。（2）选用集散控制系统。这主要针对大型的控制系统，多套设备、复杂过程，需要采用多级分布式控制的场合。这种方案投资大，但收效也大，通常用于大型化工厂、炼油厂、化肥厂、钢铁厂等。（3）选用可编程控制器。这是一种以微处理器为核心的新型控制器，特别适合需要大量开关量的场合。工
28、作可靠性高，使用梯形图语言，编程容易、应用灵活。近年来，发展迅速，但目前性能价格比还是很高。（4）选用普通微型计算机。如 IBM PCXT 机、IBM386 等配上 A/D、D/A 卡和开关量输入输出卡，可用于工业控制。这类机器软件丰富，但他们难以在恶劣的工作环境中连续稳定的运行。2.2.2 功能模块板控制方案标准功能模板具有一定功能和尺寸。这些采用相同的系统总线相连接，根据系统的要求，可以构成不同配置，不同规模的控制机。这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
29、挥。2.2.3 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。2.3 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 MC-51 系列的 8031 芯片。外部扩展 ROM 为 2732，外部
30、 RAM 采用芯片 6116，D/A 转换采用 DACO832，A/D 转换采用 ADC0809。2.4 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
31、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：1、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。2、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
32、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。3、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。4、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
33、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
34、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
35、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。2.5 燃油锅炉控制系统的理论2.5.1 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
36、加入了通信功能。采用RS-232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2-2所示。图2-2 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1、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
37、输出也就为零。即调节作用是以偏差的存在为前提的。2、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。3、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
38、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
39、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。2.5.2 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： (式3-1)其变化也限制在一定范围内，即： (式3-2)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。
40、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yi-1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2-3所示：图2-3 遇限制消弱积分法克服积分饱和图2-4 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2-5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
41、限值时，才进行积累。图2-5 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2-6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2-6 采用积分分离法框图三、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 或 (式3-3)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（
42、式3-4）。有效偏差法程序框图如图2-7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3-4） 图2-7 有效偏差的算法程序框图第3章 燃油锅炉控制系统的硬件设计3.1 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。对于过热蒸汽锅炉，这能实现对过热蒸汽温度的控制。保证了生产的安全，达到降低油耗，提高自动化水平的目的。3.2 锅炉控制系统的过程控制机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 MC
43、-51 系列的 8031 芯片22。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。3.2.1 芯片介绍与连接1.8031 简介 MCS-51 单片机为 40 脚芯片。其引脚功能可分为三部分：（1）I/O 口线：P0、P1、P2、P3共 4 个 8 位口。（2）控制总线：PSEN ，片外取指控制；ALE，地址锁存控制；EA 片外存储器选择；RESET：复位控制。（3）电源及时钟：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2 其应用特性如下：I/O 口线不能都用作用户 I/O 口线，除 8051、8751 外，其它可
44、以完全为用户使用的只有 P1，以及作为多功能使用的 P3口。I/O 口中，P0口可驱动 8 个 TTL 门电路，P1、P2、P3口只能驱动4 个 TTL 门电路。P8 口具有双重功能。2.外部程序存储的扩展在 MCS-51 单片机应用系统中，外部程序存储器有单独的地址编号（0000HFFFFH）、虽然与数据存储器地址重叠，但不会被占用，它使用单独的控制信号和指令。程序存储器的指令，读取控制是由PSEN 控制，读取数据用 MOVC 查表指令。MCS-51 单片机访问外部程序存储器时，所使用的控制信号有：ALE 低 8 位地址锁存控制， PSEN 外部程序存储器“读取”控制。程序存储器扩展时，一般
45、扩展容易大于 256 字。因此，EPROM片内地址线除了由 P0口线锁存器提供低 8 位地址线外，需要由 P2口提供若干地址线。当 EPROM 为 IK 字节时，地址线为 11 根（2k211），4k 字节时需 12 根（4k=212）以此类推。3.外部存储器的扩展外部存储器使用与程序存储器不同的信号，故而它们的地址可重叠。任何扩展的 I/O 口以及设备均占用数据存储器地址。数据存储器控制线使用WR和 RD，不用PSEN ，故两者地址总线和数据总线可以并联使用。它的外部数据操作简单。累加器 A 和外部数据存储器的数据传递操作，可通过以下两句指令来实现：movx Ri A:累加器中数据送片外；m
46、ovxA， Ri ：片外数据送累加器中。或movx DPTR,A ；movx A DPT。图3-1 6116管脚功能6116是2K*8位静态随机存储器芯片,采用CMOS工艺制造,单一+5V供电,额定功耗160mW,典型存取时间200ns,24线双列直插式封装，其引脚功能说明如下：A0A10：地址输入线O0O7：双向三态数据线，有时用D0D7表示CE ：片选信号输入端，低电平有效OE：读选通信号输入线，低电平有效WE：写选通信号输入线，低电平有效Vcc：工作电源输入引脚，5VGND：线路地4.译码器由于构成整个系统所使用芯片较多，故使用二个3-8 译码器，由二个74LS138构成译码器扩展使用，74LS138的管脚功能如图3-2所示：
