自动化专业毕业设计.docx

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自动化专业毕业设计

摘要

过热蒸汽温度作为工业锅炉运行中的一项重要参数，反映出设备运行的经济性和安全性，锅炉过热蒸汽温度太高或太低，都将给安全生产带来不利影响，必需严格地将温度控制在给定值周围。

锅炉过热蒸汽温度被控对象是一个多容环节，具有大延迟、大惯性和时变性等特性，干扰因素多，属于可控性比较差的一个调节对象。

针对锅炉过热蒸汽温度的上述特点，本文在分析了锅炉过热蒸汽温度的调节任务，温度调节对象的静、动态特性，控制难点和设计原则的基础上，充分利用模糊PID控制的动态特性好和PI调节能消除静态误差的特性，通过调整模糊PID控制器的控制规则，改善了控制系统的系能。

本文设计了一种基于AT89C52单片机的锅炉过热蒸汽温度监控系统,这种方案可大大提高锅炉工作效率和控制精度，使锅炉过热蒸汽温度按实际生产稳固在必然范围，提高锅炉工作的安全性，有助于自动化水平的提高。

而且利用单片机实现温度监控，具有本钱低廉、靠得住性高、结构简单等特点。

关键词：

过热蒸汽；温度；模糊PID控制；单片机

ABSTACT

Superheatedsteamtemperatureisanimportantparameterintheoperatecourseoftheindustryboiler,itreflectsthesecurityandefficiencyoftheequipmentoperate.Theboilersuperheatedsteamtemperatureisexcessivelyhighorexcessivelylow,willallbringdisadvantageeffecttothesafeproduction,sowemustcontrolthetemperatureintheroundofinitialization.Theboilersuperheatedsteamtemperatureobjectisamini-containerelement,ithasabigdelaycharacteristicandavarietymodelwithvarietytimecharacteristic,italsohasmanydisturbances,itbelongstoamoredifficultadjustobject.

Accordingtotheabovefeaturesofboilersuperheatedsteamtemperate,thisdissertationstudiedtheapplicationofFuzzy-PIcompositeserialcontrolintheboilertemperaturesystemofboilerbythefullyuseofboththegooddynamiccharacteristicsoffuzzyPIDcontrolandeliminatingstaticdeviationofPIcontrolonthebaseofanalysistotheadjustmissionoftheboilertemperature,thestaticcharacteristicsandthedynamiccharacteristicsoftheboilertemperatureobject,thedifficultytocontrolitanditsdesignprinciple.ThencontrolrulesofthefuzzyPIDcontrollerwereadjusted,soitimprovestheperformanceofcontrolsystem.

ThispaperintroducesadesignbasedontheboilerAT89C52SCMtemperaturemonitoringsystem,thisprojectcangreatlyimprovetheefficiencyandaccuracy,theboilersuperheatedsteamtemperaturestablesincertainscopeaccordtoactualproduction,italsocanimprovethesafetyofboiler,ithelpstoraisethelevelofautomation.Thisdesignislowcost,simplestructurehighreliability.

Keywords:

SuperheatedSteam;Temperature;FuzzyPIDControl;SingleChip

1绪论

课题研究的背景和意义

锅炉系统是一个复杂的控制系统，它是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强耦合的控制系统。

它的进程控制受汽包水位、炉膛温度、蒸汽压力、锅炉燃烧状况、炉膛负压、炉膛温度、蒸汽流量等各类因素的影响。

由于工业锅炉的重要产品是蒸汽，因此，锅炉过热蒸汽温度控制是锅炉各项控制因素中最为重要的之一。

由于控制因素的复杂性，咱们只针对过热蒸汽温度进行控制，忽略其它因素的影响，是锅炉控制系统中简化进程。

过热蒸汽有其本身的应用领域，如用在发电机组的透平，通过喷嘴至电机，推动电机转动。

可是过热蒸汽很少用于工业制程的热量传递进程，这是因为过热蒸汽在冷凝释放蒸发焓之前必需先冷却到饱和温度，很显然，与饱和蒸汽的蒸发焓相较，过热蒸汽冷却到饱和温度释放的热量是很小的，从而会降低工艺制程设备的性能。

温度是工业生产进程中最多见的控制参数之一，对温度的测量和控制具有专门大的实际应用价值和应用前景。

专门是在很多工业场合，温度控制的好坏直接影响产品的质量、设备运行的安全性和经济性，例如在锅炉过热蒸汽温度的控制中，整个进程都要求对温度进行严格的控制和测量。

通常过热器正常运行时的温度已经接近材料允许的极限温度，因此，必需相当严格地将锅炉过热蒸汽温度控制在给定值周围。

一般中、高压锅炉过热蒸汽温度的暂时误差不允许超过±10ºC,长期误差不允许超过±5ºC，那个要求对锅炉控制系统来讲是超级高的。

温度误差高会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而损坏，要挟机组的安全运行。

温度偏低则会降低机组的热效率，增加燃料消耗量，浪费能源，同时会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀，从而缩短汽轮机叶片的利用寿命，所以锅炉过热蒸汽温度太高或太低都是生产进程所不允许的。

为了保证锅炉过热蒸汽温度的品质和生产进程的安全性、经济性，锅炉过热蒸汽温度必需通过自动化手腕加以控制。

因此对温度进行实时准确的测量和控制对工业生产进程的顺利进行起着相当重要的作用。

锅炉过热蒸汽温度一般能够看做多容散布参数受控对象，其动态特性描述可用多容惯性环节表示，该对象具有明显的滞后特性。

现代锅炉机组大多采用那些大容量、高参数、高效率的大型锅炉，其过热器管道加长，结构也更复杂。

在锅炉运行中，影响过热器出口蒸汽温度的因素很多，有蒸汽流量、燃烧状况、锅炉给水温度、流过过热器的烟气温度、流量、流速等等。

在这些因素的一路作用下，锅炉过热蒸汽温度对象除具有多容大惯性、大延迟特性之外，往往表现出必然的非线性和时变特性，因此，锅炉过热蒸汽温度控制是锅炉各项控制中较为困难的任务之一。

针对上述情形，锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计，既要求对烟气侧扰动及负荷扰动等较大外扰具有足够快的校正速度，同时又要求对温度控制有较强的抑制能力，从而使系统具有足够的稳固性和良好的控制品质，并能保证系统运行的安全性。

因此，可否对锅炉过热蒸汽温度进行有效的控制，研究如何改善锅炉过热蒸汽温度系统的控制品质，对工业生产可否安全运行来讲是相当重要的，在经济性上也有十分重要的意义。

国内外研究现状

工业锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数，控制参数和扰动参数，它们之间彼此作用，彼此影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也常常转变，存在必然的非线性特性，这一切都为锅炉的控制增加了难度。

面对具有大延迟、大惯性对模型参数有较大影响的锅炉温度对象，如何稳固、准确、快速地对其进行有效的控制一直是国内外广大专家学者和现场工作人员关注的热点问题。

纵观温度控制系统的进展历史，大致能够分为五个阶段：

第一阶段是20世纪40年代以前，工业生产比较掉队，大部份工业生产进程都处于手工操作状态，专门是在一些工况转变幅度较大的环境下，只能采用人工手动调节。

第二阶段是50年代前后在有些企业中实现了温度测量仪表化和局部控制自动化，但多数采用的是基地式仪表和气动仪表。

第三阶段是60年代以来，随着工业生产的不断进展，对温度控制系统也提出了新的要求。

电子技术的迅猛进展，为测控系统的进展创造了条件，其前后经历了数据收集系统、直接数字控制系统和监控系统几个表现形式。

气动和电动单元组合仪表，和以运算机为核心的测控系统开始应用于生产领域。

这种测控模式系统的信号处置和运算由测控运算机完成，而测量仪器和执行器由特殊功能原件组成，不对信号进行运算处置。

第四个阶段是20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和各类微处置器的接踵问世，以微处置器为核心的具体程序检测控制功能的温度控制装置取得了普遍应用。

第五个阶段是20世纪80年代，出现了集散控制系统（DCS），又称散布式控制系统。

该阶段的特点是：

以微处置器为核心，实现控制分散，信息集中的功能，利用高速数据通道连接各个模块或设备，并通过通道接口与局域网络相连，使设备间能够运行信息互换而且实现了数据库和系统资源的共享，同时也提高了系统的靠得住性，具有丰硕友好的人机接口。

由于工业进程控制的需要，专门是在微电子技术和运算机技术的迅猛进展和自动控制理论和设计方式进展的推动下，国外锅炉温度控制系统进展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得功效，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优良的锅炉温度控制器及仪器仪表，并在各行业普遍应用。

它们主要具有如下的特点：

1）适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。

2）能够适应于受控系统数学模型难以成立的温度控制系统的控制。

3）能够适应于受控系统进程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。

4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及运算机技术，运用先进的算法，适应的范围普遍。

5）普遍温控器具有参数自整定功能。

借助运算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。

有的还具有自学习功能，它能够按照历史经验及控制对象的转变情形，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。

6）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。

目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速进展。

锅炉系统是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强耦合的控制系统，加上其蒸汽负荷转变的随机性，用传统的控制方式不能达到理想的控制效果。

可是一些熟练的操作人员、锅炉领域专家却能驾轻就熟的进行手动控制，这就给基于知识规则的模糊控制的应用提供了广漠的空间，因为模糊控制是一种模拟人的思维的控制方式，它不要求受控对象的数学模型，能解决大量常规控制难以解决的控制难题。

因此，将模糊PID控制应用于锅炉的控制系统，具有较强的理论与实践意义。

目前，无论是国外仍是国内的锅炉过热蒸汽温度控制也主要采用模糊PID控制。

模糊PID控制效果与控制参数的选择有专门大的关系，通过模糊PID参数的整定和优化，使控制系统具有良好的控制效果，能知足生产实际需要。

本课题研究所采用的方式

温度是一个滞后量，给控制带来了比较大的难度，采用一般的开关量来控制蒸汽温度值会在设定值的专门大范围内上下浮动，不会稳固在设定值，所以要采用一些控制算法，而基于模糊PID控制算法比较成熟，控制精度高，且适应性好，比较简单实用，在工业锅炉控制系统中应用比较普遍。

本文的研究方式，就是针对锅炉过热蒸汽温度的特点，在深切分析锅炉过热蒸汽温度调节的进程，锅炉过热蒸汽温度调节对象的静态特性、动态特性和锅炉温度控制的设计难度的基础上，研究在锅炉温度控制系统中应用模糊PID控制的可行性，通过整定控制参数，以优化模糊控制系统。

而且由控制系统输出信号来控制执行器，通过单片机控制器去控制减温水调节阀的阀位开度，按照调节减温水的流量大小来控制过热蒸汽温度的转变，从而实现对锅炉过热蒸汽温度的控制。

本论文研究的主要内容

本课题采用AT89C52单片机对锅炉过热蒸汽温度进行监控，主要任务是对被控对象进行模糊PID调节控制，完成锅炉过热蒸汽温度控制的软硬件设计，并实现温度传感器的温度检测报警仿真，分析各个模块的功能和系统的控制进程。

1.模糊PID调节控制模块如下：

结合锅炉过热蒸汽温度工艺进程的特点，对被控对象进行理论分析，分析控制系统的静、动态特性，提出适合于锅炉过热蒸汽温度进程控制的模糊PID控制。

并对控制算法的实现、控制器的设计和参数整定技术进行深切的研究。

2.硬件设计模块如下：

（1）单片机控制模块：

采用AT89C52对系统控制。

（2）电源模块：

采用±5V电压对控制系统供电。

（3）温度收集模块:

本设计采用热电偶和DS18B20温度传感器对温度信号进行收集，若采用DS18B20能够精准的收集低温信号，直接将数字量送至单片机和显示模块，若采用热电偶则需要采用A/D转换模块和滤波放大模块。

（4）超限报警模块：

收集到的温度信号经单片机分析超出上下限值时，系统会自动报警，而且进行单闭环温度调节，使锅炉过热蒸汽温度稳固在实际生产值。

（5）A/D转换模块：

A/D转换模块采用了ADC0809。

（6）显示模块：

采用1602液晶显示。

3.软件设计模块如下：

（1）总控制系统软件设计

（2）A/D转换模块设计

（3）DS18B20温度收集模块设计

（4）超限报警模块设计

（5）模糊PID控制参数整定

2锅炉过热蒸汽温度控制系统的概述

锅炉系统的工艺流程简介

锅炉是电力、冶金、石油化工等工业部门不可缺少的动力设备，它是用热能来加热工质（一般为水）产生蒸汽的设备，最大体的组成是汽锅和炉膛两大部份。

常见的工业锅炉系统如图所示。

锅炉设备的工作进程归纳起来包括三个同时进行着的进程：

燃料的燃烧进程，烟气向水的传热进程和水的汽化进程。

现简要叙述锅炉的三个进程。

（1）燃煤锅炉的燃烧进程

燃料煤加到煤斗中并落在炉排上，电机通过减速机、链条带动炉排转动，将燃料煤带入炉内。

燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的空气由鼓风机送入炉排中间的风箱后，向上通过炉排抵达燃料燃烧层。

风量和燃料量成比例（风煤比），以便进行充分燃烧，形成高温烟气。

燃料煤燃烧剩下的灰渣，在炉排结尾通过除渣板后排入灰斗。

这一整个进程称为燃烧进程。

（2）烟气向水的传热进程

由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高。

在炉膛周围墙面上都布置着一排水管，称为水冷壁。

高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的水。

继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。

烟气经出烟窗（炉膛出口）并通过防渣管后就冲洗蒸汽过热器（蒸汽过热器是一组垂直放置的蛇形管受热面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热）。

烟气流通过热器后又通过接在上、下炉筒间的对流管制，使烟气冲洗管制，再次以对流换热方式将热量传递给管制内的水。

沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的水进行热互换后，较低温度的烟气通过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。

省煤器实际上就是给水预热器，它和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部烟道中，以降低排烟温度，提高锅炉效率，从而节省燃料。

（3）水的汽化进程

水的汽化进程就是蒸汽的产生进程，主要包括水循环和汽水分离进程。

通过除氧等处置的水由泵加压，先流经省煤器而取得预热，然后进入汽锅。

锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物。

位于烟温较低区段的对流管制，因受热较弱，汽水的容重较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管制，因受热强烈，相应水的容重较小，因此容重大的往下流入下锅筒，而容重小的则向上流入上锅筒，形成了水的自然循环。

蒸汽产生的进程是借助上炉筒内装设的汽水分离设备，和在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物取得分离。

蒸汽在上锅筒项部引出后进入蒸汽过热器，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部份的水中。

图2-1工业锅炉工艺系统组成图

锅炉设备的控制任务是按照生产负荷的需要，供给必然压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。

依照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：

①锅炉汽包水位控制系统：

主如果维持汽包内部的无聊平衡，使机水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内；

②锅炉燃烧系统的控制：

其控制方案要知足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量维持必然的比值，保证燃烧的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，维持炉膛负压在必然范围内。

③过热蒸汽系统控制：

主要使过热器出口温度维持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；

④锅炉水处置进程：

主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。

锅炉过热蒸汽温度调节的任务

锅炉过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一。

锅炉过热蒸汽温度太高或太低都会影响工业生产的经济性和安全性。

因为在锅炉运行中，过热器正常运行的温度一般接近于材料允许的最高温度。

若是锅炉过热蒸汽温度太高，则过热器、蒸汽管道容易损坏，也会使汽轮机内部引发过度的热膨胀造成汽轮机的高压部份金属损坏；若是锅炉过热蒸汽温度太低，则会降低燃料的热效率，一般温度每降低5—10ºC，热效率约降低1%，而且温度降低会使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载，还会引发汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，易引发叶片侵蚀。

所以，锅炉过热蒸汽温度调节的任务是：

（1）克服各类干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而维持蒸气品质合格。

（2）保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。

自动控制系统的组成及框图

所谓自动控制系统是由控制装置和被控对象所组成的，它们以某种彼此依赖的方式结合成为一个有机整体，并对被控制对象进行自动控制。

任何一个自动控制系统，都是由被控对象（工艺设备）和自动控制设备（变送器、调节器、执行器）两大部份组成的。

由于锅炉过热蒸汽温度控制所涉及的生产设备和进程的复杂性，有必要按照进程的原理，结构和机理分析，了解其动态特性的大体属性、特点。

热电偶将锅炉中检测到的温度值变换为电压信号，再送入与参考输入电压进行比较放大，将放大后的误差驱动电机旋转，来带动阀门的开大与开小。

若是实际的温度值大于理想值，则执行电机将向使阀门关小的方向运行，反之，向开大的方向运行。

其职能框图如图所示。

图2-2自动控制的锅炉温度控制系统职能框图

被控对象：

过热蒸汽；

被控量：

锅炉过热蒸汽温度T；

干扰：

工件的多少，环境温度等；

测量元件：

热电偶用来测量过热蒸汽实际温度，并转变成电压量Ub；

给定元件：

给定电位器，其输出电压相当于要求的蒸汽温度T；

比较元件：

通过比较电路完成给定电压Ur与反馈电压Ub的减法运算，误差电压△U相当于锅炉过热蒸汽温度的误差量。

执行元件：

调节阀及传动装置。

工作原理：

假定实际温度恰好等于给定温度，这时△U=Ur-Ub=0，故调节阀静止不动，调节器输出电压必然，锅炉过热蒸汽处于规定的恒温状态。

若是增加工件，锅炉的负荷加大，而给定电压一时没变，则蒸汽温度就要下降。

经热电偶测量后给出电压Ub减小，使△U=Ur-Ub﹥0，从而使温度回升，直到从头等于给定值Ub=Ur为止。

若是负荷减小或煤气压力突然加大，则蒸汽温度升高。

Ub随之加大，使△U=Ur-Ub﹤0，使温度下降，直到从头等于给定值为止。

由此看出，系统是通过热电偶测量被控量，并反馈到系统的输入端，从而形成了闭合回路，此反馈信号通过比较线路与给定值进行减法运算，取得误差信号，系统再按照误差信号的大小和方向进行调节。

所以，锅炉过热蒸汽温度控制系统是一个按误差调节的闭环系统。

系统中，除烘烤炉和供气设备外，其余部件组成了温度控制装置。

锅炉过热蒸汽温度控制的难点及设计原则

锅炉过热蒸汽温度调节系统的难点在于：

（1）锅炉过热蒸汽温度作为调节对象，其主要特点是滞后时刻较大。

在发生扰动后，温度不会立刻发生转变。

另外，测量温度的传感器也有较大的惯性，在动态进程中不能及时的发出测量和调整信号。

（2）设备的结构设计与自动调节的要求存在矛盾。

从调节的角度看，减温设备应安装在过热器出口的地方，如此能够使调节作用的时滞最小，使输出的蒸汽温度波动小，可是从设备安全的角度看，减温设备应安装在过热器入口的地方。

（3）造成锅炉过热蒸汽温度扰动的因素很多，各类因素之间又彼此影响，使对象的动态进程十分复杂。

能使过热器出口气温改变的因素有：

蒸汽流量的转变、燃烧工况的转变、锅炉给水温度的转变、流通过热器烟气温度即流速的转变、锅炉受热面结垢等。

综上所述，锅炉过热蒸汽温度控制系统设计原则可归纳为：

（1）从动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数（如改变烟温或烟气流速）的调节手腕是比较理想的，但具体实现比较困难的，所以一般很少被采用。

（2）喷水减温对过热器的安全运行比较理想，虽然对象的调节特性不够理想，但仍是目前被普遍利用的锅炉过热蒸汽温度调节方式。

采用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的延迟和惯性和运行中要求有较小的温度控制误差，所以采用单回路调节系统往往不能取得好的调节品质。

针对锅炉温度调节对象调节通道惯性延迟大、被调量信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象调节通道的动态特性，提高调节系统的质量。

（3）利用快速的测量元件，安装在正确的位置，以保证测量信号传递的快速性，减小延迟和惯性。

若是测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反映锅炉过热蒸汽温度的转变，就会造成系统的不稳固，影响控制质量。

（4）由于过热器管道的长度不断加长，延迟和惯性愈来愈大，采用一级减温已不能知足要求，能够采用多级减温，以保证温度控制的要求。

串级控制系统

随着锅炉机组愈来愈向大容量、高参数和高效率的方向进展，生产系统日趋复杂、系统的耦合性、时变性、非线性等特点显得加倍突出，对于这些复杂较难控制的进程，控制质量要求很严的参数，简单控制系统就无能为力了。

因此，需要改良控制结构，增加辅助回路或添加其他环节，组成复杂控制系统，其中最普遍的是串级控制系统，如图所示。

图2-3串级控制系统方框图

由上图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。

主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出转变而转变，因此，副环是一个随动控制系统。

锅炉串级控制系统的工作进程是：

当处在稳固工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀维持必然的开度，现在炉出口温度稳固在给定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级系统便开始了其控制进程。

串级控制系统中增加了一个包括二次扰动的副回路，使系统改善了被控进程的动态特性，提高了系统的工作频率，对二次干扰有