基于单片机的余热锅炉蒸汽温度控制系统设计_毕业设计

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1、基于单片机的余热锅炉蒸汽温度控制系统设计摘 要过热蒸汽温度是影响余热锅炉安全运营的重要参数，蒸汽温度过高会使过热器壁的金属强度下降，容易烧坏过热器。为了保证余热锅炉的正常运营，要针对余热锅炉的特点设计控制系统，使出口蒸汽温度维持在一种设定值。1设计时采用单回路控制系统对余热锅炉的过热蒸汽温度进行控制，以AT89S51单片机为核心，涉及温度采集模块、按键解决模块、温度显示模块、控制输出模块、执行机构模块和通信模块等构成。12温度控制的核心在于测温和控温两个方面。温度测量是温度控制的基本，这方面的技术比较成熟。但由于控制对象的越来越复杂，在温度控制方面还存在许多问题。本论文采用PID算法锅炉温度控

2、制系统的设计，并运用仿真软件MatlabSimulink对控制算法进行了仿真。21核心词：单回路 过热蒸汽 单片机 温度控制ABSTRACTThe superheated steam temperature is an important parameter that affects the safe operation of the waste heat boiler, the steam temperature is too high will make the metal strength superheater wall down, easy to burn out. In order

3、 to ensure the normal operation of waste heat boiler, to design characteristic of the control system for waste heat boiler, the outlet steam temperature maintained at a set value. Designed with a single loop control system for waste heat boiler superheated steam temperature is controlled to AT89S51

4、microcontroller as the core, including temperature acquisition module, the key processing module, temperature display module, the control output module, actuator modules and communication modules and other components. Temperature control is the key to both temperature and temperature. Temperature me

5、asurements are the basis for temperature control, this technology is more mature. However, due to more complex control object, the temperature control many problems still exist. This paper uses the PID algorithm boiler temperature control system design, and the use of simulation software MATLAB / SI

6、MULINK simulation of the control algorithm.Keywords: single loop superheated steam microcontroller temperature control 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论1 1.1 设计的背景及意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 设计的目的4第2章 余热锅炉蒸汽温度控制系统设计6 2.1 控制方案选择62.1.1 影响过热蒸汽温度的因素62.1.2 单回路控制方案92.1.3串级控制方案102.1.4 前馈控制方案12 2.2 控制方案的比较和方案拟定142.2.1 控制方案

7、的比较142.2.2 方案的拟定15第3章 系统硬件设计17 3.1 系统构造框图17 3.2 单片机与8155的接口电路17 3.3 信号输入部分183.3.1 温度信号采集与解决183.3.2 A/D转换19 3.4 显示电路设计19 3.5 信号输出部分213.5.1 D/A转换213.5.2 4-20mA原则信号输出22 3.6 串口与上位机通信电路22 3.7 报警电路设计23 3.8 键盘电路设计24 3.9 稳压电源电路设计25 3.10 单片机最小系统263.10.1时钟电路263.10.2复位电路27第4章 系统软件设计28 4.1 软件设计思路28 4.2 系统软件流程图2

8、84.2.1 主程序流程图284.2.2 采样子程序304.2.3 数字滤波304.2.4 中断服务314.2.5 显示环节软件设计334.2.6 上位机控制软件设计344.2.7 PID子程序35第5章 系统的仿真38 5.1 仿真工具38 5.2 MATLAB及其模糊逻辑工具箱和仿真环境385.2.1 MATLAB概况385.2.2模糊逻辑工具箱39 5.3 PID算法的设计及分析405.3.1控制算法的拟定405.3.2数学模型的建立41 5.4 基于Matlab仿真44结 论47致 谢48参照文献49附录1 设计系统部分源代码.51附录2 系统硬件图.54CONTENTSABSTRAC

9、TIABSTRACTIIChapter 1 Introduction1 1.1 Design background and significance of a1 1.2 Research status2 1.3 Design Objective4Chapter 2 HRSG steam temperature control system design6 2.1 Control scheme selection6 2.1.1 Factors affecting the superheated steam temperature6 2.1.2 Single-loop control scheme

10、9 2.1.3 Cascade Control Programme10 2.1.4 Feedforward control program12 2.2 Comparison of control schemes and programs identified14 2.2.1 Comparison of 11 control scheme14 2.2.2 The program identified15Chapter 3 Hardware Design17 3.1 System Block Diagram17 3.2 With 8155 microcontroller interface cir

11、cuit17 3.3 Signal input section17 3.3.1 The temperature signal acquisition and processing18 3.3.2 A / D converter19 3.4 Shows the circuit design19 3.5 Signal output section21 3.5.1 D / A converter21 3.5.2 4-20mA standard signal output22 3.6 Serial Communication between PC Circuit22 3.7 Alarm Circuit

12、 Design23 3.8 Keyboard Circuit Design24 3.9 Regulated Power Supply Circuit Design25 3.10 Minimum System Microcontroller26 3.10.1 Clock Circuit26 3.10.2 Reset Circuit27Chapter 4 System Software Design28 4.1 Software design ideas28 4.2 System software flow chart28 4.2.1 The main program flow chart28 4

13、.2.2 The sampling subroutine30 4.2.3 Software Design Display link30 4.2.4 Interrupt Service31 4.2.5 Digital Filter33 4.2.6 PC control software design34 4.2.7 PID subroutine35Chapter 5 System Simulation38 5.1 Simulation Tools38 5.2 MATLAB and fuzzy logic toolbox and simulation environment38 5.2.1 MAT

14、LAB Overview38 5.2.2 Fuzzy Logic Toolbox39 5.3 PID algorithm design and analysis40 5.3.1 Determination of the control algorithm40 5.3.2 Mathematical Model 41 5.4 Based on Matlab simulation 44Conclusion47Acknowledgements48References49Appendix 1 design system part of the source code.51Appendix 2 Syste

15、m hardware chart.54第1章 绪论1.1 设计的背景及意义余热锅炉是专门用于与转炉配套的热能运用转换设备，涉及热互换、锅筒、除氧水箱等三部分。它运用转炉吹炼过程中产生的高温烟气对锅筒中的水循环加热，并在锅筒中进行汽水分离，把产生的蒸汽送往厂区热力网。其中，锅筒的给水来自除氧器，通过给水调节阀门来调节给水流量。11同步，锅筒内的水通过循环泵循环流经热互换器，吸取热互换器中烟气的热量，以获得能量。锅筒内的水温远高于水的沸点，由此产生蒸汽，通过蒸汽流量调节阀门送入厂区热力网，产生经济效益。9从转炉来的烟气通过热互换器后，温度达到旋风收尘和化工厂所能接受的数值，参与后续生产过程。尽管锅

16、炉系统种类繁多，多种类型锅炉的工艺流程和操作控制各有特点，但对过程检测、控制的规定是基本相似的。这既涉及对锅炉产汽量和产汽压力的规定，也涉及对锅炉自身安全、稳定运营的规定。锅炉生产过程检测控制应达到下述基本目的：锅炉汽包水位必须保持在一定范畴内；锅炉产汽量必须适应用汽设备用汽量变化的规定；锅炉产汽压力必须满足用汽设备的规定；过热蒸汽温度必须根据用汽设备的规定保持在一定的范畴内；燃烧系统必须维持安全、经济的运营。过热蒸汽温度是火力发电厂锅炉设备的重要参数，在热电厂生产过程中，整个汽水通道中温度最高的是过热蒸汽温度。过热器正常工作的温度，一般要接近于材料容许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，则过热

17、器易损坏，还会使汽轮机内部引起过度的热膨胀，严重影响生产运营的安全；如果过热蒸汽温度偏低，则设备的效率将会减少，同步使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增长，引起叶片的磨损。因此，在锅炉运营中，保证过热蒸汽的温度在正常范畴内是非常重要的。此外，在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的重要被控参数，人们都需要对各类加热炉、热解决炉、反映炉和锅炉中的温度进行检测和控制。可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。因此，这就需要在既有锅炉控制技术的基本上进行一定的改善，设计一种性价比合理的、使用和维护以便的锅炉过热蒸汽温度控制系统。此外，如果过热蒸汽温度变化过大，

18、还会引起汽轮机转子和汽缸的涨差变化，甚至会产生剧烈振动，危及到机组的运营安全。因此，必须相称严格地将过热汽温控制在给定值附近。一般中、高压锅炉过热蒸汽温度的临时偏差不容许超过10，长期偏差不容许超过5，这个规定对过热蒸汽温度控制系统来说是非常高的。因此对锅炉蒸汽温度的控制非常必要。1.2 国内外研究现状目前，国外运用余热发电的新趋势，是单机功率小，载热体温度低（即运用中低温余热发电）。或内也有某些运用余热发电，如炭黑工业中的低热值尾气余热和硫酸工业中的硫酸余热发电等，所发的电能重要工厂自用。目前，已把如何运用中低温的低品位余热发电，作为开发节能新技术的重要课题。余热锅炉是一种抱负的节能设备，它

19、不仅能节省能源，并且对提高主流程的质量，减轻公害和满足某些工艺流程规定，都起着十分重要的作用。既有的余热锅炉按进锅炉的介质特性，有如下几种重要型式：1）废烟气不需要进一步解决的余热锅炉；2）废烟气需要进一步解决的余热锅炉；3）废烟气要进一步解决，且其冷却在给定期间内完毕的余热锅炉；4）固体显热的余热锅炉。近十几年，余热锅炉技术发展十分迅猛。七十年代初国内着手并开始实行发展余热锅炉的规划。从1974年到1980年，先后投资扩建余热锅炉研究和制造基地，现已形成具有一定的余热锅炉研制能力以及科研基地。至今已开发并制造了波及15个类别、74个品种、101个规格的余热锅炉余台。国内余热锅炉产品技术水品，

20、除少数接近或达到国际上同类产品的先进水平外，大多数相称于国外五、六十年代的水平，其重要差距反映在如下几种方面：1）热运用率低；2）自控水平落后；3）积灰率高和清除效果差（特别是有色冶炼工艺中的余热锅炉）。实践证明，余热锅炉在各公司的节能中发挥了相称有效的作用，获得了较好的经济效益，其投资一般可在34年内回收。余热锅炉的作用现已超越了单纯的余热运用，事实上它的作用与工艺流程现代化和避免环境污染方面已无法截然分开，因此多种类型的余热锅炉相继问世。国内近几年产量每年约在400500蒸吨之间，尚不能满足市场的需要。据预测，1990年，全国余热锅炉需要量在1000蒸吨/年以上。随着技术的进步，此后工业部

21、门将普遍采用高能效的先进工艺流程，这样能源的有效运用率提高，高温余热资源总量相应减少，而中、低温余热资源相应增长。因此，余热运用技术将由高温余热回收技术转向中，低温和固体显热的余热回收运用技术，但在近期仍以发展高温余热回收的锅炉产品为主。如干法熄焦余热锅炉，化铁炉余热锅炉，转炉余热锅炉等。固然也必须为此后发展中、低温和固体显热回收的余热运用技术以及都市垃圾焚烧余热锅炉开展某些科研工作，以加快设计，制造多种类型、容量和参数的余热锅炉，来满足是长的需求。余热锅炉是机械产品及余热发电设备的一种重要构成部分，因此发展余热锅炉，振兴余热锅炉行业，也是振兴机械工业和电力工业，增进产品质量、上品种和上水平不

22、可缺少的环节。为实现上述目的，建议采用如下措施：1）改善老式产品，开发新产品，赶上世界先进水平；2）在产品发展中，科研设计要与推广应用相结合；3）加强与国外的技术交流，借鉴国外的先进经验；4）制定必要的技术和经济政策，发挥科研人员的工作积极性。1.3 设计的目的余热锅炉是燃气蒸汽联合循环发电的主设备之一。和常规锅炉不同，余热锅炉中不发生燃烧过程，也没有燃烧有关的设备，从本质上讲，它只是一种燃气水蒸汽的换热器。其与燃气轮机配合，燃气轮机的排气(温度约在500600）进入余热锅炉，加热受热面中的水，水吸热变为高温高压的蒸汽再进入汽轮机，完毕联合循环。锅炉是火力发电厂单元机组中的重要设备之一，它是一

23、种系统复杂、体积庞大和昂贵上的能量转换设备，其内部发生的物理化学过程非常复杂，并且多种过程机密耦合，她们互相制约、互相影响。对于余热锅炉动态的研究，往往借助于为它建立的某种简化模型。然而，对于锅炉内部的某些工作机理，人们至今尚未充足掌握。因此，如何建立比较符合实际而又相称简朴的锅炉数学模型，尚待研究和值得研究。本文的设计目的，就是针对过热蒸汽温度的特点，在进一步分析过热蒸汽温度调节的过程，过热蒸汽温度调节对象的静态特性、动态特性以及过热蒸汽温度控制的设计难的基本上，拟定在过热蒸汽温度控制系统中应用单回路控制的可行性，并考虑根据蒸汽温度偏差和偏差的变化状况调节控制器的参数，以实现最优控制。并且由

24、控制系统输出信号来控制执行器，通过调节执行器去控制减温水阀门的开度，从而实现控制过热蒸汽温度。并且通过仿真验证来控制效果。采用AT89C51单片机来对温度进行控制，可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而可以大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一种工业生产中常常会遇到的问题。第2章 余热锅炉蒸汽温度控制系统设计2.1 控制方案选择随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中。但这些控制技术重要是为了改善和提高控制系统的控制品质，并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。一般，烟气温度过高是引起过热蒸

25、汽温度过高的重要因素。一般，过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小，而在减温水量扰动下延迟较大，这种特性将使过热蒸汽温度的控制滞后。蒸汽温度系统则是余热锅炉系统安全正常运营，保证蒸汽品质的重要部分。本设计重要考虑的部分是余热锅炉蒸汽温度系统的控制。蒸汽温度系统涉及一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务是使过热器出口温度维持在容许范畴内，并保护过热器时管壁温度不超过容许的工作温度。2.1.1 影响过热蒸汽温度的因素影响过热蒸汽温度的因素诸多，其中重要的有：过热器是一种多容且延迟较大的惯性环节，设备构造设计与控制规定存在若矛盾，多种扰动因素之间互相影响，如蒸汽量、锅炉给水温度、流通过热器的烟气温度及流

26、速的变化等。而对多种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相似。1、蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性引起蒸汽流量扰动的因素有两个：一是蒸汽母管的压力变化，二是汽轮机调节阀的开度变化。构造形式不同的过热器，在相似蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不同样的。当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同步变化，从而变化过热器的对流放热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同步变化，因而汽温反映较快。其传递函数可以表达为： (2-1)式中： 锅炉负荷扰动时被控对象的放大系数； 一负荷扰动后对象的滞后时间； 对象的时间常数。从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有

27、惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比较小，即时间常数和滞后时间都比较小，且较小。动态特性曲线如图2-1所示。2、烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会引起烟气流速和烟气温度的变化，从而变化了传热状况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的变化是沿着整个过热器长度方向上同步发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在15-25s之间。烟气侧扰动的汽温响应曲线如图2-1所示，它与蒸汽量扰动下的状况类似。4烟气热量的扰动也几乎同步影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度，故它是一种具有自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象，其传递函数可表达为一种二阶系统，即： (2-

28、2)式中： 为烟气温度但对象特性总的特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力。图2-1 蒸汽量D和烟气传热量Q扰动3、蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要通过较长的过热器管道才干使出口汽温发生变化，其扰动地点（过热器入口）与测量蒸汽温度的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时过热器是一种有纯滞后的多容对象。动态曲线图如图2-2所示。当扰动发生后，要隔较长时间才干是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大，滞后时间约为30-60s。图2-2 蒸汽温度在减温水Ws扰动综上所述，可归纳出如下几点：（1）过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下均有延迟和

29、惯性，有自平衡能力。并且变化任何一种输入参数（扰动），其她的输入参数都也许直接或间接的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。（2）在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，缩减减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。（3）在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。由图可见，在减温水流量扰动下，减温器出口过热汽温的响应比过热器出口汽温快得多，可以肯定，在喷水减温过热蒸汽温度调节系统中，以减温器出口过热汽温作为导前信号构成调节系统，可大大改善控制系统的性能。总的来说，根据对过热蒸汽温度调节对象做阶跃扰动实验得出的动态特

30、性曲线可知，它们均为有延迟的惯性环节，但各自的动态特性参数值有较大的差别。因此，过热蒸汽温度控制的重要任务就是：（1）克服多种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定容许的范畴内，从而保持蒸汽品质合格；（2）保护过热器管壁温度不超过容许的工作温度。本设计重要以控制减温水流量的变化来论述对蒸汽温度的自动调节。2.1.2 单回路控制方案单回路控制系统是最基本的控制系统。由于其构造简朴，投资少，易于调节，操作维护比较以便，又能满足多数工业生产的控制规定,应用十分广泛。在运营过程中，变化减温水流量，事实上是变化过热器出口蒸汽的热度，亦变化进口蒸汽温度。25减温器有表面式和喷水式两种。减温器尽量德安装在

31、接近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材料的安全问题，这样可以获得较好的动态特性。调节器和控制对象是单回路控制系统的两个重要构成部分。它们的特性将决定控制系统的控制质量，因此讨论控制对象的特性参数和调节器的调节参数对控制质量的影响是非常必要的。对象动态特性是拟定系统构造、调节器的控制规律、设立调节器参数的根据，那么根据对象动态特性和生产过程对控制质量的规定，拟定调节参数的数值是控制系统投入前要做的一项重要工作。如图2-3单回路方式原理图所示，系统引入过热蒸汽温度作为反馈量，是典型的简朴控制系统。当过热蒸汽温度的测量值等于设定值时，喷水阀门不动，系统处在动态平衡状态，此时，若炉膛燃烧工况发变化使蒸汽

32、温度上升，导致给定值和测量值产生偏差，则偏差信号通过控制器的方向判断及数学运算后，产生控制信号使喷水阀门以合适形式打开喷水流量。测量值最后回到设定值，系统重新回到平衡状态。图2-3 单回路方式原理图2.1.3串级控制方案过热器出口蒸汽温度串级控制系统采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，形成了特有的双闭环系统，由副调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调节器和主信号-出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是环在主环之中。如图2-4所示为串级调节系统原理图。过热蒸汽温度调节的重要困难在于引起蒸汽温度变化的扰动因素诸多，不容易控制。如蒸汽流量、火焰中心位置、燃烧工况、烟

33、汽温度和流速、炉温变化。其中起重要作用的是蒸汽流量和减温水流量两个方面。由于被控对象(过热器通道)具有较大的延迟和惯性以及运营中规定有较小的温度控制偏差。针对过热蒸汽汽温调节对象调节通道惯性延迟大、被调量信号反馈慢的特点，应当从对象的调节通道中选择一种比被调量反映快的中间点信号作为调节的补充反馈信号，以改善调节通道的动态特性，提高调节系统的控制品质。图2-4 蒸汽温串级调节系统原理图将图2-4所示过热蒸汽温调节原理图转化为方框图，即为图2-5所示，由图2-5所示可以看出，此串级控制回路是用两个串联的PID控制器和一种执行器来控制主汽温度的。其基本原理就是系统根据过热汽温度设定值和反馈值y1的偏

34、差e，作为主调节器的输入，主调节器通过PID运算后的输出u1作为副调节器的输入设定值，此设定值与二级喷水减温器的出口温度反馈y2的偏差e2作为二级过热器出口温度调节器的输入，其输出u2作为执行器的输入动作指令。图2-5 串级PID控制图一般在过热蒸汽温度调节系统中，副调节回路的动态特性的迟延和惯性比较小，在这种状况下，副回路的调节过程快得多，当副回路消除喷水扰动时，过热汽温度基本上不受影响。因此，当副回路动作时主回路可以看作是开路，主回路动作时，副回路可以看作是迅速动作的随动系统，即二级减温器出口温度基本上与校正信号e2成比例变化。2.1.4 前馈控制方案为改善调节品质，引入导前气温微分信号，

35、构成气温调节系统的有一种方略。由气温被调对象的动态特性可知，导前气温可以提前反映扰动，取其微分信号引入调节器后，由于微分信号动态时不为零稳态时为零，因此动态时可使调节器的调节作用超前，稳态时可使过热器出口温度等于给定值，从而改善调节品质。在过热蒸汽温度的控制中，扰动有诸多如蒸汽流量扰动、烟气侧传热量的扰动、喷水量扰动等等。如果我们引入一种量来校正就构成了前馈控制系统。如图2-6为前馈控制的原理图及方框图。图2-6 前馈控制原理图及方框图将减温器出口温度的微分信号作为前馈信号，与过热器出口温度相加后作为过热器温度控制器测量，当减温器出口温度有变化时，才引入前馈信号。稳定状况下，该微分信号为零，与

36、单回路控制系统相似。其中是原调节算法，是执行元件和也许的其她环节。现但愿用完全抵消扰动的影响。把图2-6等效为图2-7，显然,只有当=才干完全抵消扰动的影响。图2-7 等效的原理框图2.2 控制方案的比较和方案拟定2.2.1 控制方案的比较 闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。闭环控制系统的长处是不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。因此闭环控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力，其应用范畴非常广泛。缺陷是闭环控制系统的控制作用只有在偏差浮现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从

37、而使其控制质量大大减少。17在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。串级控制系统由于副环的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高。同步，由于串级系统有主、副两只控制器，使控制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增强。主调节器为PID，副调节器为PI，在串级系统中，由于副回路可以不久的消除减温水流量的自发性扰动和其她进入副回路的多种扰动，对过热蒸汽温度的稳定起粗调作用，主调节器的作用是保证过热蒸汽温度趋于给定值。然而当工况变化时，对象特性发生变化，这将使得控制质量变坏，一般控制效果不好。单回路控制系统的特点是将被控

38、量的状态测量出来并和给定值进行比较，有偏差就可以修正，因此必须懂得被控量的精确状态，如果不能对的的检测出被控量的状态，就不能进行控制，因此规定检测环节的精度和敏捷度更高。此外，作为被控量的过程变量，如果不先变化其状态而把它直接作为控制系统的信号，在大多数状况下是不合适的。因此除了特别简朴的自动控制外，一般不采用对被控量直接控制的方式。在多数的过程控制中，一般都将通过检测环节的信号变换成便于控制的信号。前馈控制系统是根据干扰的大小；其调节作用发生在过程输出变量浮现偏差之前，比单回路控制及时。前馈控制必须使用针对具体过程的干扰和受控输出变量特性的专用控制器。不也许有专用的前馈控制器。这也给实际应用

39、增长了麻烦和困难。一种前馈控制作用只能消除一种干扰的影响。前馈和反馈完全不同，前馈控制不是闭环而是开环系统。控制变量被调节后并不反过来影响干扰变量；调节作用对受控输出变量影响的成果也没有反馈机制。相形之下，一种反馈回路有也许克服多种干扰的影响。由此可以看出，尽管前馈控制具有在理论上可以实现完美控制的吸引力，实际应用还仍然受到许多限制。2.2.2 方案的拟定不同的控制措施均有自己的长处与缺陷，由于此系统干扰很小可以忽视不计，以上三种方案都能实现对过热蒸汽温度的控制，但是从成本上来看单回路控制更经济些，因此通过度析采用单回路控制能满足本设计的需要，并且单回路控制形式简朴，容易实现。根据控制规定，温

40、度单回路控制系统的控制参数是蒸汽温度，测量便采用温度传感器，控制器是单片机，执行器是调节阀，因此温度单回路控制系统的构造框图如图2-8所示。图2-8 单回路控制系统方框图第3章 系统硬件设计3.1 系统构造框图余热锅炉蒸汽温度控制系统的主控部分由单片机构成。通过按键电路进行温度报警值的设定，并对锅炉的过热蒸汽温进行采集及解决，然后与报警值比较，当过热蒸汽温度的测量值等于设定值时，喷水阀门不动，系统处在动态平衡状态。8此时，若炉膛燃烧工况发变化使蒸汽温度上升，导致给定值和测量值产生偏差，则偏差信号通过控制器的方向判断及数学运算后，产生控制信号使喷水阀门以合适形式打开喷水流量。测量值最后回到设定值

41、，系统重新回到平衡状态。下图3-1为系统构造框图。图3-1 系统方案框图3.2 单片机与8155的接口电路MCS-51单片机可直接和8155连接，不需要任何外加逻辑电路，可以直接为系统增长256B外部RAM、22根I/O线及一种14位定期器。其基本硬件连接措施如图3-2所示。由于8155片内有锁存器，因此单片机P0口输出的低8位地址不需要另加锁存器，直接与8155的AD7AD0相连，既作为低8位地址总线，又作为数据总线，运用8051的ALE信号的下降沿锁存P0送出的地址信息。片选信号CE和IO/M选择信号分别接P2.7和P2.0。图3-2 51单片机与8155的连接方式3.3 信号输入部分3.

42、3.1 温度信号采集与解决采用构建桥式电路，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一种用Pt100热电阻，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一种电势差，由此电势差换算出温度。电路中使用的是1k（0）的铂电阻，由于铂电阻阻值高达1k因此不受布线温度的影响。R0、R1、Rt构成桥式电路桥式电路的输出电压经由差动放大器放大。可以表达为： （3-1）在图中所示参数的条件下，的敏捷度为1.395mA/;为了将她放大为10mA/的敏捷度，差动放大器的增益G必须为10/1.395=7.17倍。具体电路如图3-3所示。该电路中为了使桥式电路的电阻不受影响，将输入电阻选用了高达1M的数值，由此决定了运算放大器必须是

43、低输入偏置电流的场效应管晶体管输入型。通过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片的INO口，从而把热电阻的阻值转换成数字量。18图3-3 信号采集与解决3.3.2 A/D转换运用热电阻PT100温度传感器具有抗振动、稳定性好、精确度高、耐高压、线性较好的特点作为温度传感器，然后通过运算放大器构建差分放大将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入的0-5V原则信号，再将模拟信号转换为数字信号，送入单片机。AD转换器选ADC0809，ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入，内部具有所存功能，故不需加地址锁存器。ALE脚为地址所存信号，高电平有效，三根地址线固定接地，由于地址信号已经固

44、定，固将ALE接高电平。系统只需要一路信号，选择IN-0作为输入。START脚为AD转换启动信号，高电平有效，程序控制。AD采样值为系统的偏差信号，固选择ADC0809的VREF接+5V和-5V。由图可以看出，ALE信号和START信号联系在一起，这样连接可以在信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动A/D转换。START和ALE互连可以使ADC0809在接受模拟量路数地址时启动工作。START启动信号由89S51的WR和P2.5经或非门产生。AD转换成果由8155的PA0PA7口读入，故将AD转换器的输出与8155的PA0PA7口相连，高地位依次相连。AD转换器与单片机的接口电路如下图3-4所示

45、。图3-4 ADC0809与单片机的接口设计3.4 显示电路设计数码管动态显示实际是将所有数码管的8个笔画段ah的各同名段分别并接在一起，并把她们接在单片机的字段输出口上。为了避免各个数码管同步显示相似的数字，各个数码管的公共端COM还要收到另一组信号的控制，即把她们连到位输出口上。这样，一组数码管显示屏需要由两组信号来控制：一组字段输出口输出的字形代码，用来控制显示的字形，称为段码；另一组是位输出口的控制信号，用来选择第几种显示屏工作，称为位码。所谓动态显示就是运用循环扫描的方式，分时轮流宣统各个数码管的公共端，使各个数码管轮流导通，在导通的同步送上不同的段码。当扫描速度达到一定限度时，人眼

46、就辨别不出来了，即觉得各个数码管在同步显示。12如图3-5所示，8155的PB口作为段控制，PC口通过4个PNP型三极管8550控制数码管的4个COM公共端。如果要第一种数码管显示数据，PC0需要输出低电平0，则此时第一种PNP三极管导通，通过第一位数码管的COM公共端向第一种数码管供电。以此类推，可以分时点亮4个LED数码管。但是，需要注意的是不能让PC0PC3中的2个或2个以上同步输出低电平0，否则就会导致显示混乱，除非2个数码管上要显示的内容相似。本例中数码管选择的是SM410364共阳极四位一体的LED显示屏。三极管采用PNP型8550，PB口接的限流电阻是8个470的；PC口上接的电

47、阻是4个4.7K的；PB口接的8个上拉电阻都是4.7K的。图3-5 数码管动态显示驱动电路3.5 信号输出部分3.5.1 D/A转换DAC0832的基本原理是把数字量的每一位转换成相应的模拟量，然后根据叠加定理将每一位相应的模拟分量相加，输出相应的电流或者电压。DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC，可以直接与51单片机相连，参照电压+5V，直接与供电电源相连。DAC0832是电流型输出，在应用时外接运放使之成为电压型输出。CSDA：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；WR：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应不小于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生

48、LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；DAC0832的数据口和单片机的P1口相连，片选信号CS为P2.6。如图3-6为DAC0832与单片机的连接电路。图3-6 DAC0832与单片机的接口设计3.5.2 4-20mA原则信号输出 LM324的5管脚与DAC0832的（IOUT2）12管脚相连，LM324的6管脚与DAC0832的（IOUT1）11管脚相连，LM324的7管脚与DAC0832的REF（9）管脚相连。第一级运算放大器的作用是将DAC0832输出的电流信号转化为电压信号V1，第二级运算放大器的作用是将输出的0-5V电压转换为4-

49、20mA原则信号。从而控制输出调节蒸汽温度减温阀，达到减温的目的。4-20mA原则信号输出如下图3-7所示。图3-7 4-20mA原则信号输出3.6 串口与上位机通信电路单片机与外部设备或单片机与单片机之间的数据传播称为通信，其传播介质称为通信接口。按信号传播方式，通信可分为并行通信与串行通信两种基本方式。14上位机的RS232串口原则为：正电平在+3V+15V，负电平在-3V-15V。也就是说对于RS232信号而言，当传播点评的绝对值不小于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3V+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也觉得无意义。因此，实际工作时，应保证电平在（315）V

50、之间。而单片机使用的是TTL/COMS电平，与RS232串行借口原则是不兼容的，因此要实现上位机和单片机之间的通信，必须进行电平的转换。这里采用电平转换收发芯片MAX232进行RS232与TTL/CMOS电平的转换，实现单片机与计算机通信，51单片机与该芯片接口电路如图3-8所示，T1IN、T2IN为TTL/CMOS电平输入端，T1IN、T2IN可连接单片机的TXD（发送）引脚。R1OUT、R2OUT为TTL/COMS电平输出端，R1OUT、R2OUT可连接单片机的RXD（接受）引脚。R1IN、R2IN为RS232电平输入端，R1IN、R2IN连接DB9借口的3脚，接受上位机发来的数据。T1O

51、UT、T2OUT为RS232电平输出端，T1OUT、T2OUT连接到DB9的2脚，向上位机发送数据。1、3和4、5引脚之间分别接电容，Vcc和V+之间接电容，GND和V-之间接电容。DB9接口的5脚必须接地。图3-8 单片机与MAX232的接口电路3.7 报警电路设计报警电路与8155的PC4口相连接，由于单片机的I/O口输出的电流无法直接驱动蜂鸣器，因此设计了报警电路如图3-9所示：当蒸汽温度高于上限温度、低于下限温度或者在输入错误时，单片机给8155的PC4口输出一种低电平信号来导通三极管8550以驱动蜂鸣器和LED灯，进行系统报警，当温度恢复到设立范畴内后，声光报警自动撤销。图3-9 报

52、警电路3.8 键盘电路设计键盘是由一组规则排列的按键构成，一种按键事实上是一种开关元件，也就是说键盘是一组规则排列的开关。本次设计中，按键较少，故而选择独立式按键。进入系统之前一方面对温度报警值的设立。本系统有四个按键分别K1,K2,K3,K4。(1)K1功能键：选择修改温度设定值、上限值、下限值、显示温度。(2) K2确认键：对成果确认并保存。(3) K3加1键：设立余热锅炉锅炉温度报警值的温度值增长按键；K3每按下一次，位选标志所指的目前位的值加比上一次值增长一。(4) K4减1键：设立余热锅炉锅炉温度报警值的温度值减少按键；K4每按下一次，位选标志所指的目前位的值比上一次值减少一。如图3

53、-10所示四个按键分别与单片机的P2.1、P2.2、P2.3、P2.4相连，各个按键的开关处均采用了4*10K的上拉电阻，这是为了保证按键开关断开时，各I/O口线有拟定的高电平。图3-10 键盘电路3.9 稳压电源电路设计如下图3-11所示是由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电源等几部分电路构成。变压器的输出端是三抽头的，通过两组整流二极管整流，在通过电容C1、C6和C2、C7滤波后分别输入到稳压片子7812和7912的输入端，从7812 和7912的输出端就可以得到比较稳定的12V电压和-12V电压。12V电压在通过两个电容滤波后输入到7805稳压芯片的输入端，在7805的输出端就可以得到5

54、V的稳定电压。图3-11中两个发光二极管起到电源批示作用。图3-11 稳压电源电路图3.10 单片机最小系统3.10.1时钟电路单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。运用芯片内部的振荡电路，在第18脚XTAL1、第19脚XTAL2上外接定期元件，内部的振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观测到XTAL2输出的时钟信号。振荡晶体可在1.2MHz12MHz之间选择，电容值无严格规定，但在电容值取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少量影响，CX1、CX2可在20pF100pF之间取值。在外部晶体上选用晶体振荡器，频率为12MHz，为提高频率稳定性，CX1、CX2都

55、为30pF。时钟电路如图3-12所示。图3-12 时钟电路3.10.2复位电路复位是单片机的初始化操作，在其上电后第9脚RESET浮现24个振荡周期以上的高电平后，单片机内部初始复位。如图3-13所示是一种简朴的手动复位与上电复位综合的复位电路。R1、R2构成手动复位电路，R2一般取15K.当R1=200时，R2=1K时，若按键按下，实现可靠复位其复位电压为4.17V。当k闭合、Urst3V时，是可靠的复位电平，则该电路的复位时间约为11ms。为保证可靠复位，一般选用复位时间为10ms即可。2图3-13 复位电路第4章 系统软件设计4.1 软件设计思路本章具体的简介了基于AT89S51单片机的

56、余热锅炉过热蒸汽温度控制系统的软件设计。根据系统功能，可以将系统设计为若干个子程序进行设计，如温度采集子程序、PID控制子程序、显示子程序等。本章从设计思路、软件系统框图出发，先简介整体思路，在逐个分析各模块程序算法的实现，最后编写满足任务需要的程序。本系统要完毕温度信号的采集与控制，需要实现温度信号的采集与A/D转换、数据解决、数据显示、数据传播等基本功能。从功能上可以将其分为信号输入、控制单元、信号输出三大部分进行设计。4.2 系统软件流程图4.2.1 主程序流程图在系统软件中，主程序依次完毕系统初始化、温度信号采集与解决、PID控制算法、温度显示、上位机等.系统的初始化涉及通信的初始化（

57、串口的初始化，ADC0809的初始化，通信缓冲区的初始化），LED显示的初始化，输出端口的初始化，采集、合计数据的初始化。A/D转换涉及数据转换（重要实现将测量电路监测到的电压信号转换成LED显示所需的数据类型）。显示数据涉及显示温度的上限值、下限值以及温度数值显示。其程序主流程图如下图4-1所示。设计时采用单回路控制系统对余热锅炉的过热蒸汽温度进行控制，以AT89S51单片机为核心，涉及温度采集模块、按键解决模块、温度显示模块、控制输出模块、执行机构模块和通信模块等构成。图4-1 主程序流程图4.2.2 采样子程序一方面由热电阻温度传感器检测外部输入的模拟量信号，通过运算放大器构建差分放大后

58、，温度信号转换成ADC模拟通道输入的原则信号，将模拟信号转换为数字信号后进行显示温度测量成果，图4-2所示为温度信号采集流程图。图4-2 采样子程序流程图4.2.3 数字滤波由于干扰的存在，也许导致AD转换的成果与锅炉蒸汽温度浮现差别，为了提高系统的可靠性和信号的真实性，采用程序计算的措施对采样信号进行平滑加工，从而克服虚假信号，这种算法称为数字滤波。数字滤波的措施有如下几种：1.限幅滤波，其基本措施是通过比较相邻(n和n-1时刻)的两个采样值和，如果它们的差值过大超过了参数也许的最大变化范畴，则觉得发生了随机干扰，并视后一次采样值为非法值，应予剔除。2.中值滤波，就是持续采样三次，取中间值作

59、为本次采样值。3.算术平均滤波，就是持续取几种采样值进行算术平均。因算术平均滤波措施简朴、数据采集更加精确，滤波成果就是对单点温度多次采样的平均值，更加精确的反映了被测温度的大小，因此，本系统采用了算术平均滤波法。设计时，外部输入的模拟量信号一方面由温度传感器送入放大器，然后进行模拟量采集，在一次采样间隔时间T内，依次将各输入量轮流接到A/D转换器进行一次转换。为了精确地反映被测信号，避免干扰，对每一路信号在20 ms内采集4次，即采样间隔时间T=5ms，4次采集完毕后再将4次采集的值求平均得出本次采集的成果。在20ms的采集完毕后，要将数据按照量程或计算公式转换为有实际意义的数据，并根据报警

60、界线判断数据与否有低于下限或超过上限的报警。134.2.4 中断服务T0中断服务程序是温度控制系统的主题程序，用于启动数/模转换器、读入采样数据、数字滤波等。AT89S51运用T1中断的时间完毕本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序。89S51从T1中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序，以等待下次T0中断。重要服务子程序涉及温度检测采样及数字滤波子程序、带符号双字节乘法子程序和标度转换子程序，目的是把实际采样获得的二进制值转换BCD码形式的温度值，然后寄存在显示缓冲区中，供显示子程序调用。22其中断服务程序如图4-3所示。图4-3 中断服务程序框图对于一般线性仪表来

61、说，原则转换公式： (4-1)其中，为一次测量仪表的下限；Am为一次测量仪表的上限；Vx为实际测量值（工程量）；Vm为仪表上限相应的数字量；为仪表下限相应的数字量。4.2.5 显示环节软件设计在本环节由于选用的数码显示是动态数码显示，可以对数码管进行十分位、个位、十位、百位不同位置的提取并进行修改其位值，通过与按键和上位机的结合更简朴的进行温度数值修改如图4-4所示。图4-4 显示环节流程图4.2.6 上位机控制软件设计由单片机采集的测试点实时温度，通过MAX232传播到上位机，实现与单片机串行通信。在上位机中，完毕温度传感器64位激光ROM读取并显示、实时温度数据显示、蒸汽温度控制点、蒸汽温度低报警点、蒸汽温度高报警点、数据存储、历史数据查询。如图4-5所示为上位机控制流程图。图4-5 上位机控制流程图4.2.7 PID子程序根据蒸汽温度对给定温度的偏差，用PID算法对两者之差做变换，然后输出信号控制调节阀。调节阀由给定信号开始动作，控制高温烟气的流量，从而控制出口蒸汽的温度。按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用（PID控制），是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。24PID控制程序PID是对系统进行线性控制的一种控制器。所谓PID控制，就是按设定值与测量值之问偏差的比例、偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制。