两顿锅炉内胆水温控制系统

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学计算机控制技术计算机控制技术课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 两吨锅炉内胆水温控制系统设计两吨锅炉内胆水温控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化103103 学学 号：号： 100302068100302068 学生姓名：学生姓名： 王颖旭王颖旭 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间：2013.12.30-2014.01.102013.12.30-2014.01.10本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化

2、本科生课程设计（论文）注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号100302068学生姓名王颖旭专业班级 自动化103班课程设计（论文）题目两吨锅炉内胆水温控制系统设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能实现功能无线网-CAN 总线适配器设计，实现无线网与 CAN 总线协议的转换。设计硬件包括 CPU 选型、CAN 总线控制器、CAN 总线收发器及无线网接口电路等。软件采用汇编语言或 C 语言，并调试与分析。设计任务及要求设计任务及要求1、确定设计方案，画出方案框图。2、适配器硬件设计，包括元器件

3、选择。3、画出适配器的原理图。4、绘出程序流程图，并编写 CAN 总线初始化、接收及发送程序。5、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。6、按学校规定的格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数技术参数1、CAN 总线符合 CAN2.0B 规范；2、自动匹配 CAN 总线通信速率；3、CAN 总线进行光电隔离设计；4、可扩充 110 个 CAN 总线节点；5、无线频率在 240960 MHz 频段内。进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统设计方案（2 天）2、系统硬件设计及模块选择（3 天）3、系统软件设计及编写功能程序及调试（3 天）4、

4、撰写、打印设计说明书（1 天）5、验收及答辩。 （1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）III摘 要本文以锅炉内胆水温作为被控变量，着重讨论关于锅炉内胆水温的控制方案，使得系统在安全稳定运行的前提下能够更高效率的工作。系统在工作过程中，由于受到的扰动不同，所需采取的控制方案也不同，需根据扰动的的大小程度和类型来选择控制方案。锅炉水温具有非线性、时变性、大滞后和不对称性等特点,常规的方法难以达到理想的控制效果。因此，针对锅炉内胆水温的控制，常用的控制方案有串级控制系统，前馈-反馈控制系统等。前者有迅速克服进入副回路扰动的能力

5、，而后者能够克服原料流量的波动，各有其特色。通过选择对比，来达到一定的设计精度和要求。关键词：锅炉；水温；控制；精度本科生课程设计（论文）IV目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 课程设计的方案 .32.1 概述.32.2 系统组成总体结构.3第 3 章 系统硬件设计 .43.1 单片机最小系统.43.1.1 单片机.43.1.2 复位电路.43.1.3 晶振电路.43.1.4 单片机最小系统外部接线图.43.2 温度传感器接口电路设计.53.2.1 温度传感器.53.2.2 A/D 转换器 .53.2.3 温度传感器接口电路接线图.63.3 LED 显示器接口电路设计 .63.4 加热器件

6、设计.73.5 键盘电路设计.7第 4 章 软件设计 .94.1 程序流程图.94.2 PID 算法 .10第 5 章 调试及分析 .12第 6 章 课程设计总结 .15参考文献 .16附录 .17本科生课程设计（论文）0第 1 章 绪论锅炉是将燃料中的可燃元素碳、 氢等成分在高温条件下与氧结合发生化学反应， 放出热量，进而又将此热量传递给水，使水升温变成热水或蒸汽，供用户使用的一种设备，因此， 我们可以把锅炉称之为将燃料的化学能转化为热能的一种设备。 锅炉的发展可追溯到 18 世纪上半叶，蒸汽机的发明使得对蒸汽的需求量大大增加，这就要求锅炉有一定的的产生蒸汽的能力。此时，所用的蒸汽压力等于大

7、气压力。19 世纪，常用的蒸汽压力提高到 0.8 兆帕左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。1830 年左右，在掌握了优质钢管的生产技术之后出现了火管锅炉。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火(烟气)在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。 19 世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了

8、锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。 20 世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。 第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机

9、组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，70 年代最大的单台容量是 27 兆帕压力配 1300 兆瓦发电机组。后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。 如今，锅炉的发展无论是在安全方面还是工艺效率都达到了前所未有的高度。绝大多数锅炉采用了单片机、PLC、 智能仪表等进行控制。采用此类的控制方法使得系统运行稳定、反应快、精度高、安全系数高，满足工业的控制要求。 锅炉所产生的热水或蒸汽可以供给用户用以采暖、空

10、调、通风、制冷，也可用以工业加热、烘干、蒸煮、消毒等。本科生课程设计（论文）1除此之外， 锅炉所产生的蒸汽还可用于拖动、发电等。 锅炉除了可将固体燃料、液体燃料、气体燃料中的化学能转变为热能外，也可直接用电能、核能或废热能使水变成热水或蒸汽以供用户使用。 目前，我国制造和使用的锅炉是量大面广的供热锅炉，因此，对锅炉内胆的水温控制显得极其重要。当其温度过高时，产生的蒸汽压力会过高，如果不对其进行控制，很可能发生工业事故。而温度过低时，又不能满足用户或工业要求。根据目前国家有关标准、规范、 规定的限定，供热锅炉一般指额定蒸发量 D65t/h，额定压力 P3.9MPa 的锅炉，这也是 与建筑环境与设

11、备专业密切相关的锅炉，是本专业重点研究和使用的对象。 要顺利完成化学能与热能之间的转换， 或者说要顺利地产生用户所需的蒸汽或热水， 光 有锅炉本体设备还是不够的，还必须配以其他辅助系统，如燃料输送及出灰渣系统，引、送风系统，汽水系统，仪表附件及控制系统。 我国供热锅炉恒久以来不停存在所谓的“大马拉小车”现象，大多数锅炉处于低负荷运转状态，一方面是由于设计院和用户在选用锅炉时，考虑到今后的生长等因素，所选锅炉的容量及台数往往超过现实需求量很多，另一方面，锅炉现实运转中负荷常随用汽、用热负荷变革在较大范围内波动，形成很多锅炉恒久在低负荷下运转。我国供热锅炉一样平常均匀负荷率在 50%70%，锅炉容

12、量愈小，均匀负荷率愈低，反之则较高。 尽管供热锅炉在节能新技能、新产物应用方面获得了一些成果，但由于缺乏须要的政策支持，总体推行力度不大。循环流化床锅炉、新型水火管锅炉、渣滓焚烧锅炉、燃生物质锅炉、真空锅炉等新产物都有不同程度的生长。螺纹烟管技能在锅壳式锅炉上险些得到片面采用，并在其他换热设置装备摆设中得到应用。燃煤分层安装、锅炉复合相变尾部换热器、锅炉计算机控制体系等产物在现有锅炉改造中也有不同程度的应用，其中燃煤分层安装应用相对广一些。各地在供热锅炉改造中，还不同程度地采用了变频调速技能对供热锅炉配套的水泵和鼓、引风机进行控制改造。本科生课程设计（论文）2第 2 章 课程设计的方案2.1

13、概述 锅炉内胆温度控制系统，硬件包括了单片机、温度传感器、LED 显示、加热电路、报警电路键盘电路以及晶振电路和复位电路。2.2 系统组成总体结构本课设将通过系统组成的总体结构框图来设计系统的硬件以及其外部的接线。控制芯片采用 51 系列单片机。温度传感器采集温度后通过单片机在 LED 显示上显示，并且锅炉内胆的温度由键盘来输入温度值来控制其温度的高低，当水温低于设定值时加热器件开始加热，反之则加热器件不加热，直到内胆水温达到预设值为止。其中单片机采用 AT89C51,温度传感器采用 PT100,加热器件采用一个加热电阻,键盘采用独立按键。本系统采用 PID 算法控制，PID 算法具有简便、准

14、确性高等特点。将这些器件分别按照对应的关系连接起来得到系统组成总体结构框图如下：单片机温度传感器晶振电路复位电路LED显示加热电路键盘电路图 2.1 系统组成整体结构框图本科生课程设计（论文）3第 3 章 系统硬件设计3.1 单片机最小系统3.1.1 单片机AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许

15、 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.1.2 复位电路单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。3.1.3 晶振电路晶振电路在单片机系统里可以结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。3.1.4 单片机最小系统

16、外部接线图将复位电路与 AT89C51 单片机的 XTAL1 和 XTAL2 两个引脚连接，再将复位电路与 AT89C51 单片机的 RESET 引脚连接，AT89C51 单片机的 EA 引脚接地，这样就构成了 AT89C51 单片机的最小系统。单片机最小系统是保证单片机能正常工作的外围元件。因此，复位电路和晶振电路对单片机的正常工作是及其重要的。单片机最小系统外部接线图如下：本科生课程设计（论文）4C230uFC330uFY112MHZC110uFR110KVCCS1EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P1

17、34P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10AT89C51图 3.1 AT89C51 单片机最小系统外部接线图3.2 温度传感器接口电路设计3.2.1 温度传感器温度传感器选择了 PT100，PT100 温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由

18、测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器） ，有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。3.2.2 A/D 转换器单片机控制系统中通常要用到 AD 转换，根据输出格式，常用的 AD 转换方式可分为并行 AD 和串行 AD。并行方式一般在转换后可直接接收，但芯片的引脚比较多；串行方式所用芯片引脚少，封装小，但需要软件处理才能得到所需要的数本科生课程设计（论文）5据。可是单片机 I/O 引脚本来就不多，使用串行器件可以节省 I/O 资源。ADC0832 是位逐次逼近模数转换器，可支持两个单端输入通道和一个差分输入通

19、道。相同功能的器件还有 ADC0834，ADC0838，ADC0831。3.2.3 温度传感器接口电路接线图将 PT100 与 AD 转换器 AD0832 连接起来，再与单片机相连接。温度传感器接口电路接线图如下：P0.0P0.1P0.2P0.3P0.7P0.5P0.4P0.6CS1WR12GND3D34D25D16D07Vref8Rfe9GND10VCC20ILE19WR218XFER17D416D515D614D713Iout112Iout211AD0832+5VPT100R710KC4VCC图 3.2 温度传感器接口电路外部接线图3.3 LED 显示器接口电路设计显示接口电路由三块 LE

20、D 显示屏组成，分别代表个位、十位和百位。用于显示锅炉内胆的温度。LED 显示器接口电路外部接线图如下：EA/VP31X 119X 218RESET9RD17WR16IN T012IN T113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29A LE/P30TXD11RXD10A T89C51abfcgdeD PY1234567abcdefg8dpdpabfcgdeD PY1234567abc

21、defg8dpdpabfcgdeD PY1234567abcdefg8dpdpP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.5P2.6P2.6P2.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.5P2.6P2.6P2.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.5P2.6P2.6P2.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.5P2.6P2.6P2.7本科生课程设计（论文）6图3.3 LED 显示器接口电路外部接线图3.4 加热器件设计加热器件是用来改变锅炉内胆水温的器件。单输入了设定值后，如水温高于设定值则加热器件停止加热，当水温低于设定值时加热器

22、件开始工作队锅炉内胆水进行加热直到达到设定值为止。加热器件接口接线图：D2D1加加加加Q1R210KR110KVCCP1.7图 3.4 加热器件接线图3.5 键盘电路设计键盘电路是用来控制锅炉内胆水温。当想要控制锅炉内胆水温达到某个值时，需要通过键盘电路讲这个值输入后来使单片机做出反应，在控制加热器件将锅炉内胆水温加热到预设值。键盘电路接口接线图如下：本科生课程设计（论文）7C230uFC330uFY112MHZC110uFR110KVCCS1EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P16

23、7P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10AT89C51S1S2S3S4S5S6R110KR210KR310KR410KR510KR610K+5VD1D2加加加加Q?PNPR810KR910KP1.7P1.7图 3.5 键盘电路接口接线图本科生课程设计（论文）8第 4 章 软件设计4.1 程序流程图键盘设定温度值后，判断内胆水温是否达到设定值，如果未达到则返回继续判断是否达到水温设定值，直到温度达到设定值后加热器件开始进行

24、加热，再判断锅炉内胆水温是否达到设定值，如果未达到则返回继续加热，直到温度达到了设定值后停止加热，并且返回给定设定值后的判断水温是否达到设定值。两吨锅炉内胆水温控制系统的软件设计流程图如下：开始键盘设定温度值锅炉内胆水温是否达到设定值加热器件开始加热锅炉内胆水温是否达到设定值YNNY停止加热图 4.1 程序流程图本科生课程设计（论文）94.2 PID 算法两吨锅炉内胆水温控制系统的 PID 算法流程图如下：采样rik(k)和you(t)计算偏差e（k）计算e（k）计算Kpe（k）更新e（k-1）计算Kie（k)计算e（k）计算Kde（k）更新e（k-1）计算u（k）=Kpe（k）+Kie(k)

25、+Kde（k）输出u（k）计算u（k）=u（k-1)+u（k）更新u（k-1）返回图 4.2 PID 算法流程图PID 一般算式及模拟控制规律：由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此在计算机控制系统中，必须先对上式进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：本科生课程设计（论文）10将上面两式带入到第一个式子中，则可以得到离散的 PID 表达式：本科生课程设计（论文）11第 5 章 调试及分析逐次逼近法 这是一种主副回路反复调试以逐步接近最优的方法，其过程有以下 4个步骤：主回路开环，按单回路方法，整定副

26、控制器。主回路闭环，在已经整定的副控制器下整定主控制器。在主回路闭环的条件下，重新整定副控制器的参数。在副控制器的基础上，再重新整定主控制器。按照逐次逼近法，先主回路开环，按单回路方法整定副控制器，建立的Simulink 模型。图 5.1 系统开环 Simulink 模型不断试验，当 kc2= 45 时，副回路阶跃响应如图：图 5.2 副回路阶跃响应曲线本科生课程设计（论文）12由图可以看出，调节时间大约为 1 秒，超调量为 10，基本符合要求，因此可以进入主控制器的参数整定。即主回路闭环，此时的 Simulink 模型如图。图 5.3 系统闭环 Simulink 模型不断试验，调节主控制器，

27、当 Kc1=18 时，主回路的阶跃响应如图 4.4 所示，由图可知，此时 Ts1=5s,调节时间过长，因此在主回路闭环条件下重新整定副控制器的参数，根据衰减曲线法，取 Kc1=15，Kc2=30，此时系统主回路阶跃响应曲线如图。图 5.4 主回路的阶跃响应曲线图 5.5 系统的阶跃响应由图可知，系统的阶跃响应效果不是很理想，超调量太大，需要精调。反复试验，最终得到的阶跃响应曲线如图。本科生课程设计（论文）13图 5.6 系统最终的的阶跃响应曲线由曲线可知，超调量变短，调节时间基本符合要求。此时主副控制器的 PID 参数如下：主控制器：P:13 I:5 D:6副控制器：P:40 I:6 D:5本

28、科生课程设计（论文）14第 6 章 课程设计总结通过这次工业控制网络技术课程设计，让我更加深刻理解了课本的知识，并使我熟悉和掌握了温度传感器PID 控制算法和 MATLAB。通这次设计，提高了我的动手和动脑能力，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在工业控制网络技术原理以及编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步。在本次课程设计中，学会如何更好的与老师和同学去交流，这样自己不太懂得一些知识，在自己熟悉的过程中会发现许多问题，现在对于这学期的课程设计两吨锅炉内胆水温控制系统设计，自己学到很多，先前没有接触过温度传感器，

29、现在自己也能很熟练进行工程的搭建与操作，还有自己可以更好的将自己大学里学过的知识进行一次实战性的综合应用，我觉得这是最好的。这学期的课程设计本身对于我们大四的学生来说就是为了下学期的毕业设计做的准备。在这次课程设计中自己学到很多，也去尝试着让老师指导着去从事一些东西的研究，更好的学到了一些东西，我觉得这是最重要的。同时感谢老师同学在本次设计中对我的帮助，感谢老师为我们认真挑选课题，指导同学们完成课程设计，再次表示非常感谢。本科生课程设计（论文）15参考文献1于海生，丁军航.微型计算机控制技术M.北京：清华大学出版社，2008：61-1182梅丽凤.单片机原理及接口技术M.北京：清华大学出版社，

30、2009：7-613冯影.锅炉内胆水温控制系统建模和仿真研究J.中国科技信息，2008，11（4）：190-2004张平.神经网络在锅炉内胆水温定值控制系统中的应用J.微计算机信息，2001，5（5）：259- 2595王建晖.锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统的实验教学方案设计J.常熟理工学院学报，2010,2（3）：173-1756王景芝.DCS 锅炉水温控制系统优化设计J.科学技术与工程，2003，4（1）：15-607郑玲玲.基于单片机的水温控制系统J.华章，2009.5（5）：42-448杨智.PID 控制器设计与参数整定方法综述J.化工自动化及仪表，2009,11（10）：1116-1

31、1209黄保瑞.基于 AT89C51 单片机的温度测控系统设计J.现代电子技术，20010,6（3）:20-5010陈晓风.DAC0832 数模转换器转换速度的测试与研究J.福建师范大学学报，2013,3（2）：44-4711冯晓江.浅谈 DAC0832 的应用J.硅谷，2010,7（7）：98-10212鲁杰爽.采用 DAC0832 的数模转换设计与调试J.机床电器，2008,3（2）：15-20 13张修太.基于 PT100 的高精度温度采集系统设计与实验研究J.传感技术学报，2007,4（3）：29-3914隋洪岗.PT100 温度传感器在温度数据实时监测系统中的应用J.电脑开发与应用，2004,4（2）：32-35 15陈曹维.基于 MATLAB 提高 PT100 测温系统响应速度的研究J.河北工业科技，2008,2（5）：101-115本科生课程设计（论文）16本科生课程设计（论文）17附录C230uFC330uFY112MHZC110uFR110KVCCS1EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2