（机械电子工程专业论文）燃煤供暖锅炉自动控制系统的设计与研究.pdf

： rl t j ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c o a l f i r e dh e a t i n gb o i l e ra u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e md e s i g na n dr e s e a r c h b yf a nh u a n y u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uj i e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 _ 1 l 独创性2 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 ， 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同 意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 园f 啪 r ： 东北大学硕士论文摘要 燃煤供暖锅炉自动控制系统的设计与研究 摘要 冬季供暖供热是衡量我国北方地区居民生活质量的重要指标，因此，以供热 为主的供暖锅炉被广泛应用。然而由于我国目前供暖锅炉控制的自动化程度相对 较低，锅炉系统的整体效率不高，造成了大量能源的浪费和大气的污染。由于锅 炉系统存在的时变、非线性、不确定性等因素，使我们很难建立其精确的数学模 型，因而采用基于数学模型的传统的p i d 等控制规律，将很难达到满意的控制 效果。并且现在大部分的供暖锅炉没有独立的给料系统和计量系统，这给成本计 算和原料量统计带来很大的不便。 鉴于以上的原因，提出了设计燃煤供暖锅炉的控制系统的课题。近年来随着 模糊集合理论与计算机技术的发展，模糊控制理论在各行各业得到了广泛的应 用，基于模糊控制规律的锅炉计算机控制系统备受人们关注。为此，本文分析模 糊控制技术，对供暖锅炉的计算机控制系统进行了研究和设计，并配合实验室已 有的电磁振动给料系统完成对燃煤供暖锅炉的控制系统和给料计量系统的设计， 主要内容如下： ( 1 ) 对实验室已有设备电磁振动给料系统进行分析和研究。 ( 2 ) 对模糊控制理论进行了研究总结，论证了供暖锅炉模糊控制系统的可 行性方案及其优越性。 ( 3 ) 对供暖锅炉的燃烧系统结构和运行机理进行了分析，建立了系统的模 糊控制模型，分别对锅炉的燃烧系统的给煤、送风、引风系统进行了控制规律的 设计。 ( 4 ) 使用仿真软件m a t l a b 7 1 中的模糊控制工具箱，比较模糊p i d 与传 统p i d 的控制结果，运用a v r 单片机a t m e g a l 2 8 设计出锅炉自动控制系统的 硬件并编制系统软件。 关键词：电磁振动给料系统；供暖锅炉；模糊控制 一l l谴 ，、，kl，l-， 东北大学硕士论文a b s t r a c t c o a l - f i r e dh e a t i n gb o i l e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e md e s i g n a n dr e s e a r c h a bs t r a c t w i n t e rh e a t i n gi sh e a t i n gr e s i d e n t st om e a s u r ec h i n a sn o r t h e r nr e g i o no ft h e i m p o r t a n ti n d i c a t o r so ft h eq u a l i t yo fl i f e ，t h e r e f o r e ，t ot h em a i nh e a t i n gb o i l e r h e a t i n gi sw i d e l yu s e d h o w e v e r ，d u et oc h i n a sc u r r e n th e a t i n gb o i l e rc o n t r o lo ft h e r e l a t i v e l yl o wd e g r e eo fa u t o m a t i o n ，a n dt h eo v e r a l le f f i c i e n c yo fb o i l e rs y s t e m si s n o th i g h ，c a u s i n gal o to fw a s t e de n e r g ya n da t m o s p h e r i cp o l l u t i o n b e c a u s et h e b o i l e r s y s t e ma tv a r i a b l e ，n o n - l i n e a r ，u n c e r t a i n t i e sa n do t h e rf a c t o r s ，m a k e si t d i f f i c u l tt oe s t a b l i s ht h e i r p r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l ，w h i c hi s s t i l lu s e da sa m a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do nt h et r a d i t i o n a l ，s u c ha sp i dc o n t r o ll a w , i tw i l lb e d i f f i c u l tt oa c h i e v es a t i s f a c t o r yc o n t r o le f f e c t a n dn o wm o s to ft h ea b s e n c eo fa n i n d e p e n d e n th e a t i n gb o i l e rf e e ds y s t e ma n dm e t e r i n gs y s t e m ，a n dt ot h ec o s to fr a w m a t e r i a l so u t p u ts t a t i s t i c sb r i n gal o to fi n c o n v e n i e n c e i nv i e wo ft h ea b o v er e a s o n s ，m ys u p e r v i s o rp r o f e s s o rl i uj i ed e c i d e st od e s i g n t h ec o a l - f i r e dh e a t i n gb o i l e rc o n t r o l s y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ef u z z ys e t t h e o r ya n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，f u z z yc o n t r o lt h e o r yi na l l w a l k so fl i f eh a v eb e e nw i d e l yu s e d ，b a s e do nf u z z yc o n t r o lo ft h eb o i l e rc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mh a sp e o p l e sa t t e n t i o n t ot h i se n d ，t h i sp a p e ra n a l y z e sf u z z yc o n t r o l t e c h n o l o g y ，c o m p u t e r - c o n t r o l l e dh e a t i n gb o i l e rs y s t e mr e s e a r c ha n dd e s i g n ，a n dw i t h t h ee l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nl a b o r a t o r yh a sb e e nc o m p l e t e do nt h ef e e dc o a l f i r e d h e a t i n gb o i l e rc o n t r o ls y s t e mo p t i m i z a t i o n ，t h ef o l l o w i n gm a jo re l e m e n t s ： ( 1 ) a n a l y s i s a n dr e s e a r c hl a b o r a t o r i e sh a v e e q u i p m e n te l e c t r o m a g n e t i c v i b r a t i o nf e e d i n gs y s t e m ，c o n t r o lm o d ec h a n g ef u z z y - p i d ( 2 ) t h et h e o r yo ff u z z y c o n t r o l s t u d y c o n c l u d e dt h a tt h e h e a t i n g b o i l e r d e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ff u z z yc o n t r o lp r o g r a ma n di t sa d v a n t a g e s ( 3 ) o nt h eh e a t i n gb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e ms t r u c t u r ea n do p e r a t i o nm e c h a n i s m 、：l一 一i v - 卅。l 寸；、上 东北大学硕士论文 目录 目录 独创1 生声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 论文的选题背景：l 1 2 给料系统目前发展概述2 1 2 1 给料装置2 1 2 2 计量装置分类3 1 3 锅炉自动控制国内外现状及趋势4 1 3 1 锅炉自动控制的国内外现状4 1 3 2 传统p i d 控制与模糊控制的比较5 1 3 3 锅炉自动控制的发展趋势j 5 1 4 论文的主要研究工作小6 第2 章锅炉给煤计量系统7 2 1 锅炉给煤计量系统综述7 2 1 1 机械系统7 2 1 2 控制系统8 2 1 3 电磁振动定量给料系统的工作原理8 2 2 机械系统组成8 2 2 1 电磁振动给料机8 2 2 2 固体流量计1 0 2 3 控制系统组成1 2 2 3 1 信号测量与放大1 2 2 3 2 信号采集与处理1 3 2 3 3 电磁振动给料机控制箱1 6 第3 章锅炉燃烧控制系统分析l7 ，j， 东北大学硕士论文目录 3 1 锅炉的概述1 7 3 1 1 锅炉的分类1 7 3 1 2 锅炉的基本结构一1 7 3 1 3 锅炉采暖系统特点及控制要求1 9 3 2 锅炉燃烧控制系统概述1 9 3 2 1 燃烧控制的基本任务1 9 3 2 2 锅炉燃烧过程的动态特性2 0 3 3 锅炉燃烧过程自动调节的基本方案2 1 3 3 1 燃烧控制系统总体方案2 1 3 3 2 母管调节系统2 2 3 3 3 负荷控制系统2 2 3 3 4 送风调节系统。2 3 3 3 5 引风调节系统2 3 3 4 本章小结2 4 第4 章锅炉控制系统设计2 5 4 1 控制理论基础2 5 4 1 1 模糊控制的基本原理2 5 4 1 2p i d 控制原理3 0 4 1 3 模糊p i d 复合控制3 1 4 2 负荷控制系统的设计3 4 4 3 送风调节系统的设计4 0 4 4 引风调节系统的设计4 3 第5 章仿真与系统实现4 5 5 1 仿真工具介绍4 5 5 2s i m u l i n k 构造的模糊自整定控制器模型4 6 5 3 仿真4 7 5 4 系统硬件设计5 3 5 4 1a t m e g a l 2 8 单片机介绍5 4 5 4 2 键盘和液晶屏显示电路5 8 5 4 3 模拟量输入电路5 8 ， u ； 一 东北大学硕士论文目录 5 4 4 控制量输出电路5 9 5 5 系统软件设计6 0 5 5 1 系统主程序流程图6 0 5 5 2 锅炉点火启动子程序流程图6 0 5 5 3a d 采样子程序流程图6 1 5 5 4 控制算法子程序流程图6 2 5 5 5 软件完成的任务6 2 第6 章结论与展望6 4 6 1 结论：6 4 6 2 展望? 6 4 参考文献6 6 致谢- 6 9 - ，；。 东北大学硕士论文第l 章绪论 1 1 论文的选题背景 第1 章绪论 无论在工厂、矿山，还是在人们的日常生活中，锅炉都是很重要的，我国现 有工业锅炉三十万台，每年消耗原煤产量三分之一以上。在我国北方的广大地区， 一到冬季严寒的天气，人们的日常生活就离不开供暖，地处我国东北部高寒地区 的哈尔滨市，有将近半年的时间处于供暖期，有几万台供暖锅炉同时运营。冬季 供暖供热是发展经济、保障人民生活质量方面的重要内容，也是评价一个城市基 础建设水平的一个重要方面，我国各地政府都把它作为一项重要大事来抓。我国 目前拥有2 0 多万台供暖用中小型锅炉，绝大部分是固体燃料，就运行情况来看， 由于燃煤技术还很落后，大部分供暖锅炉控制还停留在手工操作阶段，未能实现 自动控制，从而存在着运行质量差，工况不稳定，燃烧效率低，故障率高等缺点。 如何提高国产中小型供暖锅炉的运行质量和可靠性、降低煤耗一直是一个有待解 决的问题【2 2 】。 目前，地球大气质量正在下降，我国政府在控制大气污染、改善空气质量方 面投入了大量的人力物力，作了大量的工作，各级部门纷纷颁布条例、公告，限 制不合格气体的排放然而，由于燃烧技术的原因，锅炉烟尘排放浓度，烟气黑 度以及烟气中含有的有毒气体仍是造成大气污染的重要原因，这给国家的大气治 理工作带来了很大的困难，据不完全统计，我国有一半以上的锅炉需要改造，很 多研究所、工矿部门、大学正在致力于这方面课题的研究，这是一件利国利民的 大事。 从能源以及工矿效益的角度来看，每年锅炉的燃烧用煤要消耗原煤产量的三 分之一以上，其中一部分就为供暖锅炉所消耗掉。在我国，供暖锅炉般都为中 小型锅炉，相比较于电站锅炉等大型工业锅炉，更加易于改造。供暖锅炉一般都 位于人口密集区，利用新开发的技术来提高锅炉的运行质量，降低煤耗，可为国 家节约能源，提高供暖单位的经济效益，并为环保、居民的身体健康做出贡献。 随着科学技术的进步，在微计算机技术的迅猛发展和广泛应用的推动下，计 算机的性能价格比有了很大的提高，其性能之优良，价格之低廉，使计算机的应 东北大学硕士论文第1 章绪论 用已经逐渐深入到各行各业的应用之中。目前，我国的锅炉燃烧大部分处于传统 的仪表监测和手动控制的方式，已经很难适应锅炉稳定、安全、经济运行，因而， 在供暖锅炉中投入计算机控制，实现生产过程自动化正成为一种迫切的需要。 然而，由于供暖锅炉系统存在着较强的非线性、时变性和较大的随机干扰， 过程机理错综复杂，不可能建立系统的精确数学模型，若采用传统的控制方法， 包括基于现代控制理论的控制方法，不易达到控制要求，这又为生产过程自动化 带来了困难。 近年来随着模糊集合理论与计算机技术的发展，模糊控制理论在各行各业得 到了广泛的应用，由于模糊控制器的设计思想是模拟人脑的思考过程，在模糊控 制器的设计过程中，对实际经验的依赖性很大，要求设计者结合实际经验，选取 控制量、设计控制规则，这恰好与锅炉的人工经验控制有相似之处，同时也可以 避开控制对象模型不精确的缺点。基于模糊控制规律的锅炉计算机控制系统备受 人们关注。在我国的中小型锅炉的改造过程中，模糊控制技术正在得到越来越广 泛的研究，某些技术已经成功运用于锅炉的优化控制当中，为此，国家经贸委曾 专门下发简报关于模糊控制技术对中小型锅炉运行改造的调研报告。由此看 来，将模糊控制技术运用于供暖锅炉的运行中正在成为一种趋势【2 6 1 。 本文所做的工作也是基于模糊控制理论在供暖锅炉自动控制系统的应用研 究配合本实验室较为成型的电磁振动定量给料系统完成对燃煤供暖锅炉的自动 控制系统和给料计量系统的设计。 1 2 给料系统目前发展概述 1 2 1 给料装置 本课题采用电磁振动给料机作为给料设备，它具有以下的优点： ( 1 ) 振动给料设备具有体积小，重量轻，结构简单，维修方便，成本低， 容易密封，适用面广的优点，市场需求量较大。 ( 2 ) 振动给料机及其控制系统的配套技术具有先进性，适合于目前工矿企 业机电一体化的改造需求。 电磁定量给料机一般是采用控制振幅来达到定量给料的目的，结合其特点， 目前国内的电磁振动机普遍采用可控硅整流器调节振幅，但几乎都是开环控制。 2 东北大学硕士论文第1 章绪论 没有措施检测振幅和给料量，随着实际给料量的变化，电压的波动以及系统自身 的影响，电磁振动机的工作点就会发生漂移，引起电磁振动机振幅的大幅度波动， 导致系统工作的不稳定。振幅太小，不能完成额定的给料量，振幅太大，电磁振 动机的铁芯和衔铁会发生碰撞，容易损坏设备。因此，要使这种设备在生产中发 挥更重要的作用，必须解决振幅稳定的控制问题。利用振动机械设备组成闭环的 定量控制给料系统是一个重要的发展方向，即不论外界的条件怎么变化，闭环控 制系统都可以使振动给料机给料量趋于稳定均匀，从而保证自动给料生产要求。 电磁振动给料系统的单片机控制系统是机电一体化技术发展的必然结果，它为各 行各业的给料配料生产线提供了自动化生产的一个基础，因此，对它的开发，研 究是十分必要的 1 - 5 】。 1 2 2 计量装置分类 目前应用于实际的大致有以下几种计量装置： ( 1 ) 定量电子皮带秤：定量电子皮带秤既是计量装置也是定量调节装置， 可以实现给料量自动调节。根据调节功能的不同，由恒速型和变速型两种结构。 恒速电子皮带秤速度恒定不变。目前成型成品有电磁振动给料机和皮带输送机。 调速型定量电子秤是一种独立的系统，它是利用调速电机改变皮带速度来实现 的。 ( 2 ) 输送电子皮带秤：输送电子皮带秤有单托辊，多托辊和悬臂式三种结构， 它们的秤重原理相同，都是根据皮带单位长度的物料重量和皮带速度的乘积与输 送量成正比关系计量的。因此，只要检测荷重和皮带速信号，即经过运算放大器， 便能得出物料流量。 ( 3 ) 物料流量计：固体物料流量计是利用物料动能，通过计量环节来连续 检测流量。这种装置本身没有运动部件，结构比电子皮带秤简单，可靠性耐用。 ( 4 ) 损失重量式计量给料器：损失重量式计量是从料仓称重计量的方法发展 而成的一种新型的计量装置，称重方式属于准静态计量称重。因此计量精度高于 电子皮带秤和冲击流量计等动态计量精度。 ( 5 ) 减量计量装置：减量计量装置是从料仓称重计量法发展而成的星星计量 装置。称重方式属于准静态称重，因此，计量精度高于一般电子皮带秤和冲击流 3 北大学硕士论文第1 章绪论 计等动态计量精度【5 】【15 1 。 3 锅炉自动控制国内外现状及趋势 3 1 锅炉自动控制的国内外现状 锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数仪表 控制，进入上世纪五十年代后，美国，前苏联等国家都开始进行对锅炉的操作和 控制的进一步研究。但由于当时科技发展的局限性，对锅炉的控制主要停留在使 用汽动仪表( 包括汽动单元组合仪表和汽动基地式仪表) 的阶段，而且大多数锅炉 只是检测工艺参数，不进行自动控制。到上世纪六十年代，在发达国家，锅炉的 控制主要以电动单元组合仪表( 相当于我国的d d z i i ，d d z i i i 仪表) 检测与控制， 还是以检测报警为主，控制为辅助功能。到了上世纪七十年代，随着计算机技术 和自动控制技术理论的发展，使得锅炉的计算机控制成为可能。尤其是近一、二 十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不 断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。许 多发达国家都相继开发出了锅炉计算机控制系统。 如今在国外，锅炉的控制已基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采 用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的 热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。 在国内，由于经济技术条件的限制，锅炉设备水平一直比较落后，大多数中 小型锅炉水平基本上停留在手动和简单仪表操作的水平。8 0 年代中后期，随着 先进的控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至 9 0 年代，锅炉的自动化控制己成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制 器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，已逐渐用于对原 有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸 如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最 新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用但由于控制技术单一，或控制算法 的建模往往不能反映真实的锅炉燃烧状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不 能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。 进入本世纪以来，为了进一步改善锅炉操作状况，降低能耗，确保安全运行，减 少对大气的污染，同时随着人工智能理论的发展成熟，智能控制技术的大规模应 4 东北大学硕士论文笫1 章绪论 用，对新一代锅炉计算机优化控制系统的开发和应用已势在必行且条件成熟【3 9 1 。 1 3 2 传统p i d 控制与模糊控制的比较 由于受到传统习惯长期的影响，科学发展一直把“精确”作为追求目标，认 为精确与有意义总是一致的，而且越精确越有意义。这意味着，对复杂事物进行 人为的“精确”化，必然是以降低方法的有意义性为代价的。然而，模糊理论却 把复杂性和精确性的关系总结成“不相容性 ，认为当系统复杂性增加时，我们 就逐渐失去精确而有意义描述系统行为的能力，直至某一界限，这一精确性与有 意义就变的互斥了或者说，当复杂性增大时，精确描述就逐渐失去了意义，这是 因为系统越复杂，系统变量和参数的个数就越多，当其个数变得很庞大时，就无 法达到要求。 对于传统p i d 控制方案，要用计算机实现控制，首先要设定控制目标值， 根据被控制对象的特性变化和环境变化，通过负反馈原理不断进行调节以跟踪目 标值，要设计一个满足控制目标的控制器，必须有控制数学模型，即输入到输出 的一个映射关系或者某种函数，以对被控对象的物理系统做数学抽象。实际上被 控对象能用传统数学模型描述其内在特性及其变化规律的并不很多，甚至原则上 说就没有，只是有些简单系统可以忽略其次要因素而进行某种简化，这种抽象实 际上是用精确的数学模型对真实的物理系统而作的近似描述。我们对于大多数系 统的认识都是相当粗略的，特别是对那些复杂的非线性系统、多因素的时变系统。 在近代和现代的工业控制过程中，有很多控制过程都不能很好地实现自动控 制，问题在于这些复杂的过程模型无法建立，或者即使经过某些简单化能建立模 型，但其模型还是太复杂甚至连控制目标都不能确定，参量也无法测量，其过程 具有高度非线性、时变性，要用传统方法来实现控制是非常棘手的难题。例如像 真空微量滴灌机这样的系统，由于其作用时间长，情况十分复杂，影响因素多， 并且有很多因素都无法测量，所以无法建立起精确的过程模型。如果经过简化建 立数学模型，用传统方法进行控制，但得到质量结果是不满意的。而模糊逻辑控 制方法就是一种可行的有效方法【2 3 1 。 1 3 3 锅炉自动控制的发展趋势 现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂， - 5 东北大学硕士论文第1 章绪论 对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此， 生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重 要指标。因此，仅用常规仪表已经不能满足现代化企业的生产要求。由于计算机 具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点， 已在过程控制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控 制水平也已经随着过程计算机系统的发展而发展。 从当前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理 融为一体的综合自动化系统。在自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基 础上，通过计算机系统将工厂全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统 有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优 的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为当前控制领域的一个重要 研究方向。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模 型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了很大的 重视，获得了广泛的研究。 因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控 制一体化的趋势发展【1 1 】。 1 4 论文的主要研究工作 本论文主要是针对燃煤供暖锅炉的自动控制系统和给料计量问题的研究，改 进电磁定量给料系统，再对供暖锅炉自动控制系统提出模糊控制方案。 ( 1 ) 根据需要对已有的电磁振动给料系统进行分析、研究和改造； ( 2 ) 由于我国国产中小型锅炉的机理复杂，干扰因素众多，难以建立精确 的数学模型，很多为大型锅炉建立的数学模型并不适用，如果专门为中小型锅炉 建立一套适用的精确数学模型，从时间和经费上来讲都是不允许的，基于这个原 因，本文采用鲁棒稳定性好，抗干扰能力强的模糊控制规律对控制系统进行了控 制规律的设计； ( 3 ) 根据实验和实际采集数据设计出完整和较为精确的模糊控制策略； ( 4 ) 对设计方案运用m a t l a b s i m u l i n k 仿真并对系统进行软硬件设计。 - 6 ， ， 东北大学硕士论文 第2 章锅炉给煤计量系统 第2 章锅炉给煤计量系统 锅炉控制系统总体方案如图2 1 所示，本章着重介绍给煤计量系统一电磁振 动给料系统，锅炉的自动控制系统将在下一章中说明。 图2 1 锅炉控制系统总体简图 f i g u r e2 1d i a g r a mo fb o i l e rc o n t r o ls y s t e m 2 1 锅炉给煤计量系统综述 该锅炉给煤计量系统为电磁振动给料系统设备可分为机械部分和控制部分， 其简图如图2 2 ： 图2 2 锅炉给煤计量系统简图 f i g u r e2 2d i a g r a mo fb o i l e rf e e d e rm e a s u r e m e n ts y s t e m 2 1 1 机械系统 机械系统的设备包括：电磁振动给料机，溜槽式固体流量计。 7 东北大学硕士论文 第2 章锅炉给煤计量系统 2 1 2 控制系统 控制系统包括：传感器，变送器，a d 转换，工控机( 控制器) ，d a 转换， 可控硅半波整流控制箱。 物料流量传递给传感器转变成电信号，经过变送器传递到a d 转换器中，由 a d 转换器转换成计算机处理的数字信号，在计算机中经过计算得到一个数字控 制信号，再由d a 转换器转换成为控制对象接收的模拟信号，从而完成整个控制 过程。 。 2 1 3 电磁振动定量给料系统的工作原理 作为控制对象的电磁振动给料机，进行给料。给料量的大小由料斗振幅的大 小决定，而振幅的大小由晶闸管控制的电压决定，这个电压的有效值与晶闸管的 触发角有关，而触发角由控制电压决定。固体流量计用于检测物料流量，当料速 一定时，固体流量计传感器产生的电压信号与流量成正比。这个电压信号送进计 算机，经过处理，并与设定值比较，通过某种控制算法的运算，产生一个控制信 号，经过晶闸管控制箱，产生控制电压，送进电磁振动给料机，从而使电磁振动 给料机的给料量与设定值趋于一致，这样，就达到了定量给料的目的。 在机械系统与控制系统中，由溜槽，十字板弹簧，秤杆，秤杆回转轴承等组 成的固体流量计是整个系统的核心部分，对于称重的精确度有很大的影响。下面 将对于给料系统的各组成部分的结构及其工作原理作一个简单的介绍。 2 2 机械系统组成 2 2 1 电磁振动给料机 电磁振动给料机，又称电振机，在机械、矿山、冶金、煤炭、建材、轻工、 电力、粮食等各行各业中广泛采用，尤其在散料输送系统中应用十分广泛。它用 于把块状颗粒状及煤状物料从贮料仓或漏斗中均匀连续或定量地给到受料装置 中去。电振机用电磁铁作为激振装置，不需要电动机和减速器，因此，结构紧凑， 重量轻。同时，由于充分利用机械共振效应，能耗比其它类型的给料机小很多。 此外还有一个显著的特点，就是输送量可以无级调节，在需要定量、计量和远距 离控制的生产工艺过程中易于实现自动化操作。当时用自动控制给料系统的解决 方案时，配备的控制器简单，不需要使用如变频调速器一类的设备，大大降低技 - 8 一 东北大学硕士论文第2 章锅炉给煤计量系统 术改造的成本。因此本系统采用电振机作为给料装置是比较适合的。 2 2 1 1 电磁式振动给料机简介 电振机主要由料槽、激振器和减振器三部分组成。激振器又由电磁铁( 铁芯 和线圈) ，衔铁和装在两者之间的主振弹簧等构成。它是产生振动的激振源，可 以通过控制装置对其实行控制。 电振机按照电磁激振力与弹性力的形式可分为以下五类： ( 1 ) 电磁力为谐波形式的线性电振机，弹性力为线性，整个振动系统也为 线性。这类电振机包括交流激磁的电振机；电磁铁漏磁很小，电路内的电阻可以 忽略的半波整流电振机及半波整流加全波整流的电振机等。 、( 2 ) 电磁激振力为非谐波形式的线性电振机。其中包括可控半波振流电振 机；半波整流或可控半波整流的降频电振机；电路没电阻不能忽略的半波整流电 振机与半波振流加全波振流电振机等。 ( 3 ) 电磁力为拟线性或非线性的电振机。其中包括漏磁不能忽略的电振机 和利用电感进行调节的电振机等。 ( 4 ) 弹性力为拟线性或非线性的电振机。其中包括剪切橡胶弹簧或压缩橡 胶弹簧的电振机，带有安装间隙的橡胶弹簧电振机和两侧带曲线压板的板弹簧电 振机等。 ( 5 ) 冲击作用的电振机。电振机利用冲击原理进行工作，如冲击式电磁振 动落砂机等 2 2 1 2 电磁振动给料机结构形式的分类及用途 根据电振机工作状况的不同，电振机的结构也有所不同，可分为如下的几种 类型： ( 1 ) 基本型；结构型式为下振式，用于无特殊要求情况下给料。 ( 2 ) 上振型；结构型式为上振式，将振动器安装在给料槽上方与基本型相 反的方向上，适于配置空间不够的情况下安装使用。其它均与相对应的基本型相 同。 ( 3 ) 封闭型；适用于易碎颗粒、煤尘较大及具有挥发性的物料。 ( 4 ) 轻槽型；适用于比重较小的轻比重物料。 ( 5 ) 平槽型：适用于薄料层均匀给料，可用于配料。 ( 6 ) 宽槽型；适用于选煤，也可用于向筛分设备给料。 9 东北大学硕士论文第2 章锅炉给煤计量系统 2 2 1 3 电磁振动给料机的工作原理 电振机的工作原理如图2 3 所示。图中m 1 由槽体、联结叉、衔铁、部分板弹 簧质量以及物料质量组成。m 2 由微振器、铁芯、线圈以及部分板弹簧组成。m 1 和m 2 这两个质体通过板弹簧联结在一起，形成一个双质体的定向振动系统。当 流入电振机的电流经过可控半波整流时，在电源正半周电压，晶闸管导通，有电 流流过线圈，在铁芯和衔铁之间产生一脉动的电磁引力，使槽体向后运动，激振 器的主弹簧发生变形，储存了一定的势能。 正半周结束时，电流和电磁激振力接近于最大值，根据电磁感应原理，自感 电势电流并不立即截止，而要延续一段时间，电流和电磁力逐渐减小，最后消失。 当电磁激振力接近最大值时，两质体靠近，当电磁激振力最小时，槽体在弹 簧力的作用下与电磁铁分开，这样电振机便以5 0 h z 的电源频率往复振动。 本实验使用的电振机的控制设备采用了可控硅半波整流的控制箱，调节给料 机的振幅，在额定振幅范围内，通过旋转控制箱电位器旋钮可以直接调节振幅， 从而可以无级的调节给料机的生产率，并可以实现生产流程的集中控制和自动控 制。 本课题采用的电磁力为非谐波形式的可控半波整流的线性电振机为研究对 象。实验室的设备为一机部联合设计组设计的g z 系列产品g z 2 型电磁振动给料 机，水平安装时生产率1 0 吨小时，给料粒度为5 0 r a m ，双振幅为1 7 5 m m ，工作电压 2 2 0 伏，工作电流3 o 安。 图2 3 电振机的工作原理图 f i g u r e2 3w o r kp r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nm a c h i n e 2 2 2 固体流量计 对于一个定量控制系统控制性能来说，检测装置是很重要的部分，检测装置 1 0 东北大学硕士论文第2 章锅炉给煤计量系统 的性能，很大程度上决定了整个控制系统能达到的性能，流量计结构如图2 4 所 示。 固体流量计的主要结构是一个类似于秤杆的结构，轴承3 为支点。在未加物 料时，增减砝码，使得秤杆机构平衡，即传感器输出为零。溜板1 的作用一是导 料，另外物料流经时能提供一个料速。溜槽7 的作用是改变物料动量的方向，而 动量的大小几乎可以认为不变，因为物料经过溜槽的时间很短，且改变的角度不 是很大。溜槽7 所受冲量使秤杆摆动，压动秤杆下面的传感器6 产生形变。初始 时秤杆机构已是平衡的，由杠杆平衡，传感器的形变完全有物料流量引起。传感 器形变后，它将产生输出电压，它产生的电压信号与加在它上面的力成正比，再 将电压信号传送给计算机处理。 概固体流量计的轴承采用普通的滚珠轴承，这种轴承存在较大的间隙，间隙 的存在很大程度上影响了流量测量精度，如何减少或者消除这种影响呢? 如图 2 5 所示，称杆的两端一端为弧形检测板的重量，另一端为配重砝码，支点为滚 动轴承支座，阻力较小。当固体流量计中有物料流过时，由于流槽施加给传感器 的力，使传感器内的弹性元件产生形变，但这种变形是很微小的，由于流量存在 微小的波动，因此，流量产生的信号也存在波动，这种波动的信号很容易受支点 轴承间隙的干扰，另外，轴承间隙游离会引起秤杆支点的变化，破坏平衡条件， 影响测量精度，故在支点轴承座处安装了十字板弹簧，依靠板弹簧的张紧力，使 轴承的外圈与滚珠及内圈紧靠一侧，限制住了轴承间隙的随意游离，保证称杆的 轴只能产生转动，禁止其在竖直平面内上下左右的移动，这有利于杠杆的测量精 确。在弧形检测板一端安装测量托架，托架上装有压力传感器。当合理调整砝码 重量，使空的弧形检测板上沿保持水平位置，这是秤杆处于水平状态，当有物料 通过时，将使秤杆倾斜，压迫测量托架上的压力传感器，使压力传感器产生电压 信号。由杠杆原理可知，在一定变化范围内可以认为压力传感器受到的压迫变形 是线性的，则压力传感器的电压值也是线性的。 北大学硕士论文第2 章锅炉给煤计量系统 图2 4 固体流量计 f i g u r e 2 4s o l i df l o wm e t e r 1 溜板2 秤杆3 板弹簧4 轴承5 砝码6 传感器7 溜槽 图2 5 十字板弹簧结构图 f i g u r e2 5f i g u r a t i o no fc r o s ss h e e t m e t a ls p r i n g 2 3 控制系统组成 2 3 1 信号测量与放大 信号测量与放大部分，也即前向通道，它的功能主要是对流量信号的采集、 变换、放大，包括传感器与放大器。由于控制器是基于给定量和测量量来工作的， 因此，前向通道设计性能好坏直接影响控制性能。 物料流经固体流量计时，传感器所受的压力正比于流量。流量是由传感器去 一1 2 ， 东北大学硕士论文 第2 章锅炉给煤计量系统 测量，因此，传感器是个关键性的环节，它的选择合适与否，直接影响到整个控 制系统的可靠性及精度。为了选择合适的传感器，应考虑系统机构的要求和传感 器结构以及其特性。 传感器安装时，应保证荷重与传感器的压头垂直，荷重的偏斜将导致测量误 差，为此，这里设计的秤杆机构压头为垂直度很高的丁字型圆板触头。保证荷重 与传感器压头垂直。 2 3 2 信号采集与处理 从放大器出来的信号仍为模拟量，应先进行a d 转换，将模拟量变成数字量， 以便计算机处理。经计算机处理后的量为数字量，而给料机的控制电压为模拟量， 故还应进行d a 转换，输出给给料机的控制箱，从而完成闭环控制过程。 2 3 2 1 ( a d 转换) 模拟量输入通道 a d 转换的实现方式有多种，常见的有积分式、逐次比较式、二进制斜波法 和量化反馈法等。输入的模拟量经过多路复用开关，通过采样和保持，经a d 转 换成数字量，采样就是周期性的读出一种连续信号，测量的周期为采样周期。根 据采样定理，为了从采样信号中能完全恢复连续信号，采样信号的重复频率至少 应为源信号的最高频率( 包括噪声频率) 的2 倍。否则，将引起频率混叠现象。 经采样保持器后，信号为离散的模拟量，再经a d 转换，成为数字量。 a d 转换器的主要结构为： ( 1 ) 多路复用开关； ( 2 ) 采样保持放大器； ( 3 ) 模拟数字转换器； ( 4 ) 通道控制电路： a d 转换器的主要性能指标有： ( 1 ) 量化误差和分辨率 a d 转换器的位数n 有8 位、1 2 位、1 6 位等，分辨率= ( 1 2 n ) 1 0 0 ( 2 ) 输出精度和转换时间 输出精度为实际a d 转换器在量化值上和理想a d 转换器进行模拟量数字 量转换的差值：转换时间为a d 转换一次所需时间。 ( 3 ) 电源抑制比 - 1 3 - 东北大学硕士论文 第2 章锅炉给煤计量系统 电源抑制比反映了刖