淮海工學院課程設計報告書課程名稱：專業綜合課程設計題目：鍋爐溫度控制系統設計系（院）：電子工程學院學期：2011-2012-1專業班級：自動化081姓名：學號：1引言鍋爐參數控制，是過程控制的典型實例。鍋爐微計算機控制，是近年來開發的一項新技術，它是微型計算機軟、硬件、自動控制、鍋爐節能等幾項技術緊密結合的產物，我國現有中、小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產量的1/3，目前大多數工業鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環境污染等嚴重的生產狀態。提高熱效率，降低耗煤量，用微機進行控制是一件具有深遠意義的工作。工業生產過程中，用模擬控制來控制電加熱爐溫已經取得了較為成熟的經驗，但他的控制精度較低，顯示操作不方便，為此引入了計算機控制系統對溫度進行數字算法控制。由于鍋爐加熱的時間常數相對于采樣周期來說很大，所以鍋爐加熱控制系統的動態特性可以看作一階滯后環節來近似，在控制算法上可采用最小拍無紋波控制或其他純滯后補償算法。根據控制系統要求，設計控制方案和主電路及各檢測控制模塊電路，然后針對溫度控制要求計算電路元件所需參數，應用最小拍無紋波控制算法，實現鍋爐溫度控制。進而了解溫度控制系統特點及運用計算機設計控制程序實現計算機自動控制溫度的方法。2設計電路圖及工作原理控制系統原理圖如圖1所示，爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓可在0～140V內變化?？煽毓璧膶ń菫?～5bH。溫度傳感器是通過一只熱敏電阻及其放大電路組成，溫度越高其輸出電壓越小。外部LED燈的亮滅表示可控硅的導通與關斷的占空比時間，如果爐溫低于設定值則可控硅導通，系統加熱，否則系統停止加熱，爐溫自然冷卻到設定值。設爐溫的給定值為450C,廣義被控對象的傳遞函數為Wd(s=o10e-s(s+1s。圖1系統的基本原理第1頁共10頁3系統硬件設計3.1輸入通道擴展如圖2所示的是輸入通道的擴展圖，利用8051單片機和ADC0809以及74LS373芯片組成的中斷控制方式的電路圖，在圖2中，由于ADC0809正在轉換是EOC＝０，轉換結束時EOC=1，而如果設單片機的外部中斷0為下降沿觸發的話，則EOC需要經過反相器后才能連接至INT0。圖2中采用P2.5和WR啟動A/D轉換器，在單片機的振蕩頻率不太高的情況下，若ALE引腳的輸出頻率范圍滿足ADC0809的要求的話，可以直接作為ADC0809的時鐘輸入。第2頁共10頁圖2輸入通道擴展電路圖3.2輸出通道擴展圖3輸出通道擴展電路圖圖3所示的是單片機與DAC0832組成的輸出通道的擴展，圖中單片機與DAC0832采用的是單緩沖方式的接口電路，采用單緩沖方式的接口電路，DAC0832不能同步輸出，圖中DAC0832的CS和XFER都與地址線P2.2相連，當地址線選通DAC0832后，只要輸出WR控制信號，DAC0832就能一步完成數字量的輸入所存和D/A轉換成輸出，圖3中采用的輸出方式為單極性輸出方式。3.3A/D轉換電路設計A/D轉換器的作用就是把模擬量轉換為數字量，是模擬量輸入通道必不可少的器件。常用的A/D轉換器從轉換原理上可分為逐次逼近型、計數比較型和雙積分型；從分辨率上可分為8位、12位、16位等。A/D轉換器與單片機的硬件接口有3種方式：查詢方式、延時方式和中斷方式。查詢方式就是首先由CPU向A/D轉換器發出啟動脈沖，然后讀取轉換結束信號，根據轉換結束信號的狀態，判斷A/D轉換是否結束。如果結束，可以讀第3頁共10頁取A/D轉換結果，否則繼續查詢，直到A/D轉換結束。轉換結束引腳通常連接到數據線或I/O口線上。這種方法程序設計簡單，且可靠性高，但實時性差，大多數控制系統對于這點都是允許的，這種方法用的最多。該系統采用查詢方式。A/D轉換電路圖如圖4所示：圖4A/D轉換電路圖3.4D/A轉換電路設計D/A轉換器就是一種把數字信號轉換為模擬電信號的器件，是模擬量輸出通道必不可少的器件。D/A轉換器與計算機的連接方式可有3種：直接連接、采用可編程并行接口和采用鎖存器連接。DAC0832是電流型輸出器件，根據運放和DAC0832的連接方法不同，可以分為單極性輸出和單極性輸出。其控制方式可以分為雙緩沖和單緩沖方式。本系統采用了雙緩沖單極性輸出方式的接口電路如圖5所示：第4頁共10頁圖5D/A轉換電路圖3.5報警電路電路原理圖如圖6所示：圖6報警電路圖其中使用光耦TLP521-1進行單片機隔離,當加熱水溫超過預設值時，單片機口P2.4輸出高電平，光耦導通，繼電器開始動作，其長弊端閉合，+5V電源接入，聲光報警功能啟動。音樂芯片采用市場上常用的警笛報警芯片，價格便宜，同時發出聲音比蜂鳴器大許多。3.6鍵盤電路設計圖7所示的為獨立聯接式無編碼鍵盤電路。當鍵盤數較少時,采用獨立聯接式鍵盤可以使系統簡單有效。獨立式鍵盤是最簡單的鍵盤結構形式，每個按鍵的電路是獨立的，都有單獨一根I/O口線采集鍵的通斷狀態。當某鍵按下時，對應口線被下拉到地；斷開時，口線被電阻上拉到＋5V。顯然，通過檢測各I/O口線的狀態，就能知道有無鍵閉合以及哪個鍵閉合。圖7鍵盤電路圖3.7LED顯示電路設計如圖8所示的是LED動態掃描接口電路，圖中LE=P2.7+WR，片選信號是從8051單片機的P1.4至P1.7經過反相器連接至LED顯示管上的，而位選信號則是8051單片機經過74LS373連接至4個LED的顯示管上。圖8LED顯示電路圖4最少拍無紋波計算機控制系統設計已知被控對象的傳遞函數為Wd(s=10e-s(s+1s，取采樣周期T=0.5s用零階保持器溝通數字控制器與被控對象聯系時，該系統廣義對象的脈沖傳遞函數G(z=Z[1-esTs?10e-ss(s+11s2]1s-1=10z(1-z(=10z(1-z[z-2-1-1-1-1-1-+1s+121+11-e-0.50.5z-1(1-z-0.5-1-z-1z-1]=[z(1-1.5e-1-3+(e-0.5-2-1-0.5-1-0.5](1-z(1-e0.9025z-1z=+1.065z(1-z(1-0.6065z再確定閉環脈沖傳遞函數和誤差脈沖傳遞函數φ(z=az-2+0.09025az-1-3-2We(z=(1-z(1+f1z-1+f2z通過φ(z=1-We(z聯立求解上式得f1=1,f2=0.8474,a=0.1526We(z=1-0.1526z-2-0.8474z-3因此控制器的脈沖傳遞函數D(z=φ(zG(zWe(z-1=(1-1.6065z(0.9025z-3+0.6065z-2-2-2(0.1526z-3-2-2+0.1293z-0.8474z-4-3-3-5+1.0652z(1-0.1526z-2-3-4-5-61.065z+0.9025z-0.1625z-1.0402z-0.7648z=0.1526z-0.1159z-0.1152z+0.0784z5MATLAB仿真5.1Simulink仿真圖如圖9所示:圖9Simulink仿真圖5.2MATLAB仿真波形如圖10所示：圖10MATLAB仿真波形6軟件設計控制系統的軟件主要包括：溫度的采樣和處理、控制計算、中斷、顯示、調節參數修改、溫度設定及修改。其中控制算法采用最小拍無紋波控制算法，以達到更好的控制效果。系統的軟件流程圖如圖11所示:圖11程序總體流程圖7說明書該系統是鍋爐溫度控制系統，首先用鍵盤輸入給定的溫度值，溫度傳感器進行溫度的采集，通過A/D轉換器轉換得到二進制溫度數據，并對其進行、標度變換并與輸入的參照溫度相比較，得出誤差，根據最小拍無紋波控制算法求出控制溫度達到期望值所需要的控制量控制可控硅的導通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，從而改變電路的輸出功率，達到調溫作用。8參考文獻[1]范立南，李雪飛.計算機控制技術.北京：機械工業出版社.2009[2]陳夕松，汪木蘭.過程控制系統.北京：科學出版社,2005[3]潘新民.微型計算機與傳感器技術.北京：人民郵電出版社,1996[4]劉玉強，劉曉為等.高溫擴散爐恒溫區溫