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1、-?过程控制?课程设计报告题目:锅炉汽包液位的双冲量调节*: 戴翔宇 *: 090210103 *: 邵夏静 *: 090210113 *: 严宏举 *: 090210123 *: *一博 *: 090210130 2012年11月16日?过程控制?课程设计任务书三专 业自动化班 级0902101学 生代翔宇 邵夏静 严宏举 *一博指导教师冯乃章题 目锅炉汽包液位的双冲量调节设计时间2012年 11月12 日 至 2012 年 11 月 16 日 共 1 周设计要求锅炉汽包液位是锅炉运行中一个重要的监控参数，反映了锅炉负荷与给水的平衡关系，要求汽包液位控制在一定*围内。锅炉汽水系统构造如以下图
2、所示。锅炉汽水系统示意图1给水泵；2给水母管；3调节阀；4省煤器5锅炉汽包；6下降管；7上升管；8蒸汽母管汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水别离效果；水位过低容易使水全部被汽化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时，水就会被急剧汽化，出现大量气泡，形成“虚假液位。单冲量控制系统的负荷一旦急剧变化就会出现虚假液位，因液位升高，调节器就会关小供水阀门而造成事故。双冲量控制系统，是在单冲量控制系统的根底上加上一个蒸汽冲量，以抑制虚假液位，如以下图所示。双冲量控制系统框图、分别为蒸汽流量变送器、给水流量变送器、差压变送器的转换系
3、数。*供汽量为120t/h的锅炉，给水流量与水位的传递函数，蒸汽流量与水位的传递函数分别为：、分别为：0.0667及0.0333。调节阀采用线性阀，增益为15。根据该锅炉特点选用液位变送器的量程为300mm水柱，流量计的量程为150tPh。要求：1、采用常规的PID控制方法；2、系统超调小、调节时间短、无静差，给出控制策略和选定参数，并详细说明参数整定过程；3、仿真无扰动和蒸汽流量增加20%情况下的控制情况，给出MATLAB下的SIMULINK框图和仿真曲线；4、给出基于单片机的硬件实现方案，需给出检测和控制回路所有芯片的具体型号，从集成度、本钱等方面说明芯片选择的理由此局部特别重要，鼓励创新
4、。指导教师签字： 系教研室主任签字：2012 年 11 月 12 日一、任务分析6二、PID参数整定6三、模拟PID控制器的离散化9四、由脉冲传递函数求解差分方程10五、硬件电路设计111 控制器的选择与电路设计122 AD的选择与电路设计123 DA的选择与电路设计124 系统电路图13六、单片机程序设计141程序流程图142源程序15七、心得体会16八、参考文献17一、任务分析按照设计任务要求可知，要做的工作就是PID控制器的设计。而PID控制器设计的关键就在于PID参数的整定，故应把主要精力用在PID参数的整定上。二、PID参数整定1、运行如下程序，将传递函数化为有理分式。% Nucle
5、ar Woody of Inspire 2012-12-14%Process System puters=tf(s);G1=0.0529/(s*(8.5*s+1)G2=2.613/(6.7*s+1)2-0.0747/sKv=15;ad=0.0667;ah=0.0333;得G1的传递函数为： 0.0529-8.5 s2 + sG2的传递函数为：-3.353 s2 + 1.612 s - 0.0747- 44.89 s3 + 13.4 s2 + s 2、得到Simulink仿真框图如下：从框图可以看出，这实际上是一个串级控制系统，副回路已经设计完毕，现在只要完成主回路的设计即PID控制器的参数整定
6、。3、 PID参数的理论计算将PID调节器置于纯比例作用的条件之下，改变的值，得到主调节器在下的比例带值和被调量的振荡周期；利用“衰减曲线法的计算公式，分别求出调节器的整定参数值。把积分作用和微分作用置零，不断改变的值。当时，得到如下曲线：由上图可知，衰减比，此时，时，衰减曲线法计算公式如下表TDTIPPIPID规律参数 得到故得到：，将PID控制系参数之位，得到无扰动和蒸汽流量增加20%情况下的阶跃响应曲线：4、 PID参数的调整由理论计算的出的PID整定参数与理想参数会存在一些偏差，故可以再此根底上做一些微调，以求改善系统性能。由上图可以看出，响应曲线超调偏大，调节时间也较长，可以适当减弱
7、积分作用或者增大微分作用来减小超调，可以适当加强比例调节作用，以增强系统响应的速度。，无扰动和蒸汽流量增加20情况下%响应曲线如下：很明显，蒸汽流量增加20%根本无影响，超调减小到了10%左右，调节时间也缩短为20s左右,到达了较好的控制效果。此时PID控制器的传递函数为：三、模拟PID控制器的离散化模拟控制器的离散化可以采用如下几种方法：1后向差分法Fowler代换法2前向差分法Euler3双线性变换法4零极点匹配法这里采用后向差分法，将离散化，可得到数字控制器的脉冲传递函数。即：取运行如下Matlab程序：% Nuclear Woody of Inspire 2012-11-14%PID
8、Controller c2dz=tf(z);T=0.05;s=(1-z-1)/TGc=100+5/s+250*s得结果如下：Transfer function:102005 z2 - 202000 z + 100000- 20 z2 - 20 z即脉冲传递函数为：四、由脉冲传递函数求解差分方程控制器脉冲传递函数为：即：求得到差分方程如下：五、硬件电路设计（1） 控制器的选择与电路设计 控制器选择AT89S52单片机，晶振选择12MHZ。（2） AD的选择与电路设计AD转换芯片采用美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809，即分辨率为8位。130s时钟为
9、500kHz时，单个5V电源供电 ，模拟输入电压*围05V，不需零点和满刻度校准，工作温度*围为-4085摄氏度，低功耗，约15mW。由于该AD内部没有时钟，要外接时钟输入，时钟可以从单片机的ALE引脚引出，经过两个触发器四分频，可以得到500KHz的时钟信号，D触发器可以选择74LS74，这样AD的转换时间为130us，可以满足本设计的要求。（3） DA的选择与电路设计DA转换则采用8分辨率的电流输出型数模转换芯片DAC0832，电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电+5V+15V；低功耗，200mW。可以满足本设计的需求。WR2和*FE
10、R引脚接地，ILE引脚接5V，Vref选择+5V， 8位数字信号输入端DI0DI7分别接单片机的P0.0P0.7引脚。此时DAC0832处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC存放器，进展D/A转换。DAC输出的电压值为：将CS、WR1、.其中：D为输入的数字量大小。为参考电压，这里是-5V，这样输出与数字量同极性。4ADC0809局部 DAC0832局部：单片机局部：分频局部：总电路图：六、 单片机程序设计1程序流程图2源程序*include*define ucharunsigned char*define uintunsigned intsbit ST=P22;sbit OE=P
11、21;sbit EOC=P20;uchar flag=0;void Init_Timer1(void);/产生50ms的延时void main(void) floatuk_1=0.0;floatuk=0.0;floatek_2=0.0;floatek_1=0.0;floatek=0.0;ST=0; OE=0; /输出数据线呈高阻态 ST=1; ST=0; /开场转换数据Init_Timer1(); while(1) if(EOC=1)&(flag=1) uk_1=uk; ek_1=ek; ek_2=ek_1; OE=1;/输出转换得到的数据 ek=P1; /保存数据 OE=0; /输出数据线呈
12、高阻态 flag=0; uk=5100.25*ek-10100*ek_1+5000*ek_2+uk_1;/转换公式 P0=(uchar)uk;/将uk输出给DAelse;/等待转换完毕 void Init_Timer1(void)TMOD|=0*10;/设置T1为工作方式1，为16位定时器TH1=0*3C;TL1=0*B0;/装初值，设置定时时间为50msEA=1;/开总中断ET1=1;/允许T1溢出中断TR1=1;/计数器1开场工作void Timer1_isr(void) interrupt 3 using 1TH1=0*3C;TL1=0*B0;/重装初值，设置定时时间为50ms ST=1
13、; ST=0; /开场下一次转换数据flag=1;七、心得体会经过为期四天的课程设计，我们收获良多，感触颇深。本设计的内容涉及了?过程控制?、?自动控制原理?、?计算机控制理论与应用?、?控制系统CAD?、?传感器?、?单片机?、?模拟电子技术根底?、?数字电子技术根底?、Protel原理图的设计、单片机及AD与DA的编程和应用等知识，通过复习应用这些知识，将这些知识联系起来，真正的做到了理论和实际相结合，这不仅使我们加深稳固了所学到的知识，更重要的是让我们明白了这些知识的应用所在，并最终转化我们所掌握的专业技能。在整个课程设计的过程中，最重要的是团队协作以及解决问题的能力。作为一个团体，我们从的查阅资料，控制器的设计，到后期的调试，仿真，每一个步骤都是协作完成的。首先利用根据题目要求，结合Matlab通过计算，设计出控制器，再通过Matlab仿真对系统进展离散化，并利用Simlink完成了系统整个流程的仿真设计。然后我们开场硬件电路的设计，查阅了相关资料了解A/D及D/A的性能指标意义，结合本设计的要求，最后选择了ADC0809和DAC0832。在芯片选型后，按照芯片引脚功能及特性实现了AD、DA与单片机接口的设计。接着是软
