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，锅炉过热蒸汽温度过高或过低，都将给安全生产带来不利影响，必须严格地将温度控制在给定值附近。锅炉过热蒸汽温度被控对象是一种多容环节，含有大延迟、大惯性以及时变性等特性，干扰因素多，属于可控性比较差的一种调节对象。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，充足运用含糊PID控制的动态特性好和PI调节能消除静态偏差的特性，通过调节含糊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定在一定范畴，提高锅炉工作的安全性，有助于自动化水平的提高。并且运用单片机实现温度监控，含有成本低廉、可靠性高、构造简朴等特点。核心词：过热蒸汽；温度；含糊PID控制；单片机ABSTACTSuperheatedsteamtemperatureisanimportantparameterintheoperatecourseoftheindustryboiler,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目录1绪论 51.1课题研究的背景和意义 51.2国内外研究现状 61.3本课题研究所采用的办法 91.4本论文研究的重要内容 92锅炉过热蒸汽温度控制系统的概述 112.1锅炉系统的工艺流程介绍 112.2锅炉过热蒸汽温度调节的任务 132.3自动控制系统的构成及框图 142.4锅炉过热蒸汽温度控制的难点及设计原则 152.5串级控制系统 163控制系统的设计 183.1被控对象的静、动态特性及控制参数选择原则 183.1.1被控调节对象的静态特性 183.1.2被控调节对象的动态特性 183.1.3选择控制参数的原则 183.2检测、变送器选择 193.2.1温度传感器的选择 193.2.2A/D转换模块 223.3执行器选择 273.4控制器的设计 283.4.1含糊控制基本原理 293.4.2含糊自适应PID控制器 303.4.3控制器参数自整定 323.4.4控制规则的设计 333.4.5采样周期的选用 364控制系统的硬件设计 384.1系统总体方案设计 384．2系统硬件设计 394.2.1AT89C52单片机的特点 394.2.2电源模块设计 404.2.3模拟信号放大模块 414.2.4报警电路设计 424.2.5显示电路模块 435控制系统的软件设计 455.1DS18B20程序模块设计 475.2报警程序设计 475.3A/D转换程序设计 485.4含糊PID参数整定设计 506结论与展望 51参考文献 53致谢 54附录1系统硬件原理图 551绪论1.1课题研究的背景和意义锅炉系统是一种复杂的控制系统，它是一种多参数、多回路、非线性、大滞后、强耦合的控制系统。它的过程控制受汽包水位、炉膛温度、蒸汽压力、锅炉燃烧状况、炉膛负压、炉膛温度、蒸汽流量等多个因素的影响。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，我们只针对过热蒸汽温度进行控制，忽视其它因素的影响，是锅炉控制系统中简化过程。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。但是过热蒸汽极少用于工业制程的热量传递过程，这是由于过热蒸汽在冷凝释放蒸发焓之前必须先冷却到饱和温度，很显然，与饱和蒸汽的蒸发焓相比，过热蒸汽冷却到饱和温度释放的热量是很小的，从而会减少工艺制程设备的性能。温度是工业生产过程中最常见的控制参数之一，对温度的测量和控制含有很大的实际应用价值和应用前景。特别是在诸多工业场合，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，整个过程都规定对温度进行严格的控制和测量。普通过热器正常运行时的温度已经靠近材料允许的极限温度，因此，必须相称严格地将锅炉过热蒸汽温度控制在给定值附近。普通中、高压锅炉过热蒸汽温度的临时偏差不允许超出±10ºC,长久偏差不允许超出±5ºC，这个规定对锅炉控制系统来说是非常高的。温度偏差高会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而损坏，威胁机组的安全运行。温度偏低则会减少机组的热效率，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使用寿命，因此锅炉过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。为了确保锅炉过热蒸汽温度的品质和生产过程的安全性、经济性，锅炉过热蒸汽温度必须通过自动化手段加以控制。因此对温度进行实时精确的测量和控制对工业生产过程的顺利进行起着至关重要的作用。锅炉过热蒸汽温度普通能够看作多容分布参数受控对象，其动态特性描述可用多容惯性环节表达，该对象含有明显的滞后特性。当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，构造也更复杂。在锅炉运行中，影响过热器出口蒸汽温度的因素诸多，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。在这些因素的共同作用下，锅炉过热蒸汽温度对象除了含有多容大惯性、大延迟特性之外，往往体现出一定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。针对上述状况，锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计，既规定对烟气侧扰动及负荷扰动等较大外扰含有足够快的校正速度，同时又规定对温度控制有较强的克制能力，从而使系统含有足够的稳定性和良好的控制品质，并能确保系统运行的安全性。因此，能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，对工业生产能否安全运行来说是至关重要的，在经济性上也有十分重要的意义。1.2国内外研究现状工业锅炉是一种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，它们之间互相作用，互相影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，并且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都为锅炉的控制增加了难度。面对含有大延迟、大惯性对模型参数有较大影响的锅炉温度对象，如何稳定、精确、快速地对其进行有效的控制始终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发展历史，大致能够分为五个阶段：第一阶段是20世纪40年代以前，工业生产比较落后，大部分工业生产过程都处在手工操作状态，特别是在某些工况变化幅度较大的环境下，只能采用人工手动调节。第二阶段是50年代前后在有些公司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，随着工业生产的不停发展，对温度控制系统也提出了新的规定。电子技术的迅猛发展，为测控系统的发展发明了条件，其先后经历了数据采集系统、直接数字控制系统以及监控系统几个体现形式。气动和电动单元组合仪表，以及以计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解决和运算由测控计算机完毕，而测量仪器和执行器由特殊功效原件构成，不对信号进行运算解决。第四个阶段是20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和多个微解决器的相继问世，以微解决器为核心的具体程序检测控制功效的温度控制装置得到了广泛应用。第五个阶段是20世纪80年代，出现了集散控制系统（DCS），又称分布式控制系统。该阶段的特点是：以微解决器为核心，实现控制分散，信息集中的功效，运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交换并且实现了数据库和系统资源的共享，同时也提高了系统的可靠性，含有丰富和谐的人机接口。由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计办法发展的推动下，国外锅炉温度控制系统发展快速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面获得成果，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、性能优秀的锅炉温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们重要含有以下的特点：

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建立的温度控制系统的控制。

3）能够适应于受控系统过程复杂、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、含糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范畴广泛。

5）普遍温控器含有参数自整定功效。借助计算机软件技术，温控器含有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功效。有的还含有自学习功效，它能够根据历史经验及控制对象的变化状况，自动调节有关控制参数，以确保控制效果的最优化。

6）温度控制系统含有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。现在，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。锅炉系统是一种多参数、多回路、非线性、大滞后、强耦合的控制系统，加上其蒸汽负荷变化的随机性，用传统的控制办法不能达成抱负的控制效果。但是某些纯熟的操作人员、锅炉领域专家却能得心应手的进行手动控制，这就给基于知识规则的含糊控制的应用提供了广阔的空间，由于含糊控制是一种模拟人的思维的控制办法，它不规定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，将含糊PID控制应用于锅炉的控制系统，含有较强的理论与实践意义。现在，不管是国外还是国内的锅炉过热蒸汽温度控制也重要采用含糊PID控制。含糊PID控制效果与控制参数的选择有很大的关系，通过含糊PID参数的整定和优化，使控制系统含有良好的控制效果，能满足生产实际需要。1.3本课题研究所采用的办法温度是一种滞后量，给控制带来了比较大的难度，采用普通的开关量来控制蒸汽温度值会在设定值的很大范畴内上下浮动，不会稳定在设定值，因此要采用某些控制算法，而基于含糊PID控制算法比较成熟，控制精度高，且适应性好，比较简朴实用，在工业锅炉控制系统中应用比较广泛。本文的研究办法，就是针对锅炉过热蒸汽温度的特点，在进一步分析锅炉过热蒸汽温度调节的过程，锅炉过热蒸汽温度调节对象的静态特性、动态特性以及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含糊PID控制的可行性，通过整定控制参数，以优化含糊控制系统。并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，根据调节减温水的流量大小来控制过热蒸汽温度的变化，从而实现对锅炉过热蒸汽温度的控制。1.4本论文研究的重要内容本课题采用AT89C52单片机对锅炉过热蒸汽温度进行监控，重要任务是对被控对象进行含糊PID调节控制，完毕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，分析各个模块的功效和系统的控制过程。1.含糊PID调节控制模块以下：结合锅炉过热蒸汽温度工艺过程的特点，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过程控制的含糊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进一步的研究。2.硬件设计模块以下：（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）温度采集模块:本设计采用热电偶和DS18B20温度传感器对温度信号进行采集，若采用DS18B20能够精确的采集低温信号，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：采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，并且进行单闭环温度调节，使锅炉过热蒸汽温度稳定在实际生产值。（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.软件设计模块以下：（1）总控制系统软件设计（2）A/D转换模块设计（3）DS18B20温度采集模块设计（4）超限报警模块设计（5）含糊PID控制参数整定2锅炉过热蒸汽温度控制系统的概述2.1锅炉系统的工艺流程介绍锅炉是电力、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(普通为水)产生蒸汽的设备，最基本的构成是汽锅和炉膛两大部分。常见的工业锅炉系统如图2.1所示。锅炉设备的工作过程概括起来涉及三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的汽化过程。现简要叙述锅炉的三个过程。(1)燃煤锅炉的燃烧过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，向上通过炉排达成燃料燃烧层。风量和燃料量成比例(风煤比)，方便进行充足燃烧，形成高温烟气。燃料煤燃烧剩余的灰渣，在炉排末端通过除渣板后排入灰斗。这一整个过程称为燃烧过程。(2)烟气向水的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高。在炉膛四周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刷蒸汽过热器(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、下炉筒间的对流管束，使烟气冲刷管束，再次以对流换热方式将热量传递给管束内的水。沿途减少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交换后，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。省煤器事实上就是给水预热器，它和空气预热器同样，都设立在锅炉尾部烟道中，以减少排烟温度，提高锅炉效率，从而节省燃料。(3)水的汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，重要涉及水循环和汽水分离过程。通过除氧等解决的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处在饱和状态下的汽水混合物。位于烟温较低区段的对流管束，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束，因受热强烈，对应水的容重较小，因而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。蒸汽产生的过程是借助上炉筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得到分离。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分的水中。图2-1工业锅炉工艺系统构成图锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制规定，锅炉设备将有以下重要的控制系统： ①锅炉汽包水位控制系统：重要是保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畴内；②锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，确保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，保持炉膛负压在一定范畴内。③过热蒸汽系统控制：重要使过热器出口温度保持在允许范畴内，并确保管壁温度不超出工艺允许范畴；④锅炉水解决过程：重要使锅炉给水的水性能指标达成工艺规定。2.2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。锅炉过热蒸汽温度过高或过低都会影响工业生产的经济性和安全性。由于在锅炉运行中，过热器正常运行的温度普通靠近于材料允许的最高温度。如果锅炉过热蒸汽温度过高，则过热器、蒸汽管道容易损坏，也会使汽轮机内部引发过分的热膨胀造成汽轮机的高压部分金属损坏；如果锅炉过热蒸汽温度过低，则会减少燃料的热效率，普通温度每减少5—10ºC，热效率约减少1%，并且温度减少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。因此，锅炉过热蒸汽温度调节的任务是：(1)克服多个干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范畴内，从而保持蒸气品质合格。(2)保护过热器管壁温度不超出允许的工作温度。2.3自动控制系统的构成及框图所谓自动控制系统是由控制装置和被控对象所构成的，它们以某种互相依赖的方式结合成为一种有机整体，并对被控制对象进行自动控制。任何一种自动控制系统，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）两大部分构成的。由于锅炉过热蒸汽温度控制所涉及的生产设备和过程的复杂性，有必要根据过程的原理，构造和机理分析，理解其动态特性的基本属性、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，将放大后的偏差驱动电机旋转，来带动阀门的开大与开小。如果实际的温度值不不大于抱负值，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2.2所示。被控量温度给定温度扰动比较放大被控量温度给定温度扰动比较放大调节阀阀门混合器锅炉放大器热电偶空气热电偶图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，并转变为电压量Ub；给定元件：给定电位器，其输出电压相称于规定的蒸汽温度T；比较元件：通过比较电路完毕给定电压Ur与反馈电压Ub的减法运算，偏差电压△U相称于锅炉过热蒸汽温度的偏差量。执行元件：调节阀及传动装置。工作原理：假定实际温度正好等于给定温度，这时△U=Ur-Ub=0，故调节阀静止不动，调节器输出电压一定，锅炉过热蒸汽处在规定的恒温状态。如果增加工件，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，直到重新等于给定值Ub=Ur为止。如果负荷减小或煤气压力忽然加大，则蒸汽温度升高。Ub随之加大，使△U=Ur-Ub﹤0，使温度下降，直到重新等于给定值为止。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，获得偏差信号，系统再根据偏差信号的大小和方向进行调节。因此，锅炉过热蒸汽温度控制系统是一种按偏差调节的闭环系统。系统中，除烘烤炉和供气设备外，其它部件构成了温度控制装置。2.4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，其重要特点是滞后时间较大。在发生扰动后，温度不会立刻发生变化。另外，测量温度的传感器也有较大的惯性，在动态过程中不能及时的发出测量和调节信号。（2）设备的构造设计与自动调节的规定存在矛盾。从调节的角度看，减温设备应安装在过热器出口的地方，这样能够使调节作用的时滞最小，使输出的蒸汽温度波动小，但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诸多，多个因素之间又互相影响，使对象的动态过程十分复杂。能使过热器出口气温变化的因素有：蒸汽流量的变化、燃烧工况的变化、锅炉给水温度的变化、流通过热器烟气温度即流速的变化、锅炉受热面结垢等。总而言之，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，变化烟气侧参数（如变化烟温或烟气流速）的调节手段是比较抱负的，但具体实现比较困难的，因此普通极少被采用。（2）喷水减温对过热器的安全运行比较抱负，尽管对象的调节特性不够抱负，但还是现在被广泛使用的锅炉过热蒸汽温度调节办法。采用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的延迟和惯性以及运行中规定有较小的温度控制偏差，因此采用单回路调节系统往往不能获得好的调节品质。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）使用快速的测量元件，安装在对的的位置，以确保测量信号传递的快速性，减小延迟和惯性。如果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变化，就会造成系统的不稳定，影响控制质量。（4）由于过热器管道的长度不停加长，延迟和惯性越来越大，采用一级减温已不能满足规定，能够采用多级减温，以确保温度控制的规定。2.5串级控制系统随着锅炉机组越来越向大容量、高参数和高效率的方向发展，生产系统日益复杂、系统的耦合性、时变性、非线性等特点显得更加突出，对于这些复杂较难控制的过程，控制质量规定很严的参数，简朴控制系统就无能为力了。因此，需要改善控制构造，增加辅助回路或添加其它环节，构成复杂控制系统，其中最普遍的是串级控制系统，如图2.3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，是一种定制，因此，主环是一种定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一种随动控制系统。锅炉串级控制系统的工作过程是：当处在稳定工况时，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在相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级系统便开始了其控制过程。串级控制系统中增加了一种包含二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，对二次干扰有很强的克服能力，提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。普通来说，一种设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会较小到控制系统的，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的。但是，如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充足体现。因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。3控制系统的设计3.1被控对象的静、动态特性及控制参数选择原则3.1.1被控调节对象的静态特性锅炉过热蒸汽温度调节对象的静态特性是指过热蒸汽温度随锅炉负荷变化的静态关系。对于辐射式过热器，由于负荷增加时炉膛的温度升高不多，而炉膛的烟温升高所增加的辐射热量不大于蒸汽负荷增大所需要的吸热量，因此辐射式过热器的出口随负荷增加而减少。可见，过热器的传热形式、构造、布置将直接影响过热器的静态特性。现在大型锅炉的过热器系统都采用了对流式过热器、辐射式过热器和屏式过热器交替布置的构造，这有助于减小过热器出口汽温的偏差，并改善过热汽温对象的静态特性。3.1.2被控调节对象的动态特性锅炉过热蒸汽温度调节对象的动态特性是指导起锅炉过热蒸汽温度变化扰动与温度之间的动态关系。引发锅炉蒸汽温度变化的因素诸多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化流通过热器的烟气的温度和流速的变化等等，这些因素还很可能互相制约。归纳起来，锅炉过热蒸汽温度调节的扰动重要来自三个方面：蒸汽流量变化（负荷变化），加热烟气的热量变化和减温水流量变化（过热器入口气温变化）。通过对锅炉过热蒸汽温度调节对象作阶跃扰动实验，可得到在不同扰动作用下的对象动态特性。3.1.3选择控制参数的原则通过上述分析，设计控制系统时，选择参数的普通原则是：（1）控制通道的放大系数K0要适宜大某些；时间常数T0要适宜小某些，纯滞后愈小愈好，在有纯滞后状况下，和T0之比小某些（不大于1），若比值过大，则不利于控制。（2）扰动通道的放大系数Kf应尽量小；时间常数Tf要大；扰动引入系统的位置要靠近调节阀。（3）当过程本身一、存在多个时间常数，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间参数错开，使其中一种时间参数比其它时间常数大诸多。3.2检测、变送器选择信号的检测变送涉及两个方面，一是检测环节，另一种是变送环节。检测与变送设备重要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。被检测参数性质的不同，精确度规定、响应速度规定的不同以及对控制性能规定的不同都影响检测、变送器的选择，要从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。应遵照下列原则：1.尽量选择测量误差小的测量元件。2.尽量选择快速响应的测量元件与变送设备。3.对的采用微分超前赔偿。4.合理选择测量点位置并对的安装。5.对测量信号作必要的解决。3.2.1温度传感器的选择温度是工业生产过程中最常见、最基本的参数之一，因此，温度的检测与控制是自动控制工程的重要任务之一。由于本系统中测量的对象为锅炉过热蒸汽，不易与测量体发生化学反映。因此理所固然选择接触式的温度测量方式更为抱负。表3-1各类传感元件的特点和使用场合测温原理温度计名称测温范畴℃重要特点体积变化固体热膨胀双金属温度计-200～700构造简朴，价格便宜，合用于就地测量，传送距离不很远气体热膨胀玻璃液体温度计液体热膨胀压力式温度计-200～600电阻变化运用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质铂、铜、镍、铑、铁热敏电阻-270～900精确度高，能远传，合用于低、中温测量锗、碳、金属氧化物热敏电阻热点效应运用金属的热点效应普通金属热电阻-200～1800测量范畴广，精度高，能远传，合用于中、高温测量贵重金属热电阻难溶金属热电阻非金属热电阻从表中所列的多个温度测量仪表中，机械式大多用于就地批示；辐射式的精度较差，只有电的测温仪表精度较高，信号又便于传送。因此热电偶和热敏电阻温度计在工业生产和科学研究领域中得到了广泛地应用。镍铬—镍硅热电偶测量锅炉生产中的液体，气体及蒸汽中的中高温度。镍铬—镍硅热电偶的测量范畴为0～1300℃。热电偶的热电势大小不仅与热端有关，并且与冷端温度有关，只有在冷端温度恒定的状况下，热电势才干对的反映热端温度的大小。为了确保热电偶可靠、稳定地工作，对它的构造规定以下：（1）构成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；（2）两个热电极彼此之间应较好地绝缘，以防短路；（3）赔偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；（4）保护套管应能确保热电极与有害介质充足隔离。由于热电偶的材料普通都比较贵重（特别采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，减少成本，普通采用赔偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶赔偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起赔偿作用。因此，还需采用其它修正办法来赔偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶赔偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，赔偿导线与热电偶连接端的温度不能超出100℃。本系统采用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，它能够把温度信号直接转换成串行数字信号供微机解决。由于每片DS18B20含有唯一的硅串行数，因此在一条总线上可挂接任意多个DS18B20芯片。A/D变换时间为200ms，DS18B20减少了外部的硬件电路，含有成本低、易使用的特点，它的性能特点以下：1.独特的单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需一种端口引脚进行通讯；2.多个DS18B20能够并联在一条线上，实现多点组网功效；3.使用中无需外部器件，以计数器原理工作，直接读出数字量，工作可靠，精度高，且通过编程可实现9～12位数字读出方式。4.供电方式可选：可由数据线供电，也可由外部电源供电，电压范畴+3.0V～+5.5V。5.测温范畴为-55℃～125℃，精度为±0.5℃。6.可设定非易失的报警上下限阀值,一旦测量温度超出此设定值,即可给出一报警标志。7.运用每片DS18B20上全球唯一的64bit编码,可轻松组建测量网络。8.多个封装形式可选,根据实际需要组建测温系统。9.负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20内部构造重要由四部分构成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配备寄存器。DS18B20的管脚排列、外部封装形式，DQ为数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也能够向器件提供电源；GND为地信号；VDD为可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。电路图以下：图3-1电路图3.2.2A/D转换模块由于AT89C52不能直接解决模拟信号，因此必须将检测到的温度模拟信号转换为数字信号，单片机才干做出对应的解决。A/D转换器的重要技术指标有转换精度、转换速度等，选择A/D转换器时除考虑这两项技术指标外，还应注意满足其它输入电压的范畴、输出数字的编码、工作温度范畴和电压稳定度等方面的规定。本设计采用的是ADC0809，它是AD公司采用CMOS工艺生产的A/D转换器，ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微解决机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，能够和单片机直接接口。重要特性：（1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。（2）含有转换起停控制端。（3）转换时间为100μs（4）单个＋5V电源供电。（5）模拟输入电压范畴0～＋5V，不需零点和满刻度校准。（6）工作温度范畴为-40～＋85摄氏度。（7）低功耗，约15mW。内部构造：ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部构造如图3-4所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-5所示，下面阐明各引脚功效。IN0～IN7：8路模拟量输入端。2.1～2.8：8位数字量输出端。A、B、C：地址线，通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表3-2所示：表3-2通道选择表CBA被选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7START：A／D转换启动脉冲输入端，输入一种正脉冲（最少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC：A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一种高电平（转换期间始终为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时，此端输入一种高电平，才干打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。规定时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一＋5V。GND：地。IN00IN00IN4IN1IN2IN3IN5IN6IN7地址锁存与译码器ABCALE8路A/D转换器STCLKVREF(+)VREF(-)三态输出锁存器OED0D1D2D5D4D7D6D3EOC8路模拟量开关图3-2ADC0809内部逻辑构造ADC0809的引脚以下图:图3-3ADC0809的引脚ADC0809的工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，批示转换正在进行。直到A／D转换完毕，EOC变为高电平，批示A／D转换结束，成果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换成果的数字量输出到数据总线上。ADC0809与单片机接口电路图3-6以下所示：图3-4ADC0809应用电路3.3执行器选择惯用的执行机构分为电动、气动、液动3种类型。在控制系统中，执行器（执行机构）大多采用阀的形式，控制多个气体或液体的流量与流速，其特性好坏对控制质量的影响是很大的。在控制系统设计中，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不适宜，都会严重影响控制质量。因此要选择适宜的执行器。1.选择适宜的调节工作区间在控制系统设计中，调节阀的Dg、dg比须较好选择，在正常工况下，规定调节阀开度处在15%～85%之间。由于调节阀口径太小，系统受到扰动时，调节阀可能运行在全开或靠近全开的非线性饱和工作状态，使系统失控；调节阀口径太大，系统运行中阀门会经常处在小开度的状态，不仅调节不敏捷，并且易造成阀芯、阀座的腐蚀，产生振荡现象。2.选择适宜的流量特性控制阀的流量特性指的是流过控制阀的流量与阀杆行程之间的函数关系。我国经常使用的控制阀类型涉及线性、等比例和快开等几个，其中前两种用的较多。3.选择适宜的调节阀开、关形式对于一种控制回路而言，控制阀气开气关的选择至关重要，它影响生产过程的安全，控制器正反作用的选择和控制系统的控制品质等。对于控制回路，终究选择气开还是气闭阀，普通由生产工艺决定。普通来说，要遵照下列几条原则选择：（1）生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等状况下，应当确保生产工艺设备的安全，不至发生事故。（2）考虑事故状态下减少经济损失，确保产品质量。（3）考虑介质的性质。对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式。执行机构选择的重要考虑因素：eq\o\ac(○,1)可靠性；eq\o\ac(○,2)经济性；eq\o\ac(○,3)运行平稳、足够的输出力；eq\o\ac(○,4)重量外观；eq\o\ac(○,5)构造简朴、维护方便。因此，该系统选用气关式调节阀。调节阀的流量特性的选择，在实际生产中惯用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。阀门定位器的选用，阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用，它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一种闭环随动系统，阀门定位器能够消除阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高调节阀的精度和可靠性，实现精拟定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统的传递滞后，加紧阀杆的移动速度；阀门定位器还能够变化调节阀的流量特性。3.4控制器的设计在工业生产过程中，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性参数或构造会发生变化。随着智能控制的发展，含糊控制理论的成熟和含糊控制技术的产生，为PID控制的发展带来了新的生机。这种控制器把古典的PID控制与先进的专家系统结合，实现系统的最佳控制。这种控制必须精确地拟定对象模型，首先将操作人员长久实践积累的经验知识用控制规则模型化，然后运用推理便可对PID参数实现最佳调节。由于操作者经验不易精确描述，控制过程中多个信号量以及评价不易定量表达，而含糊理论是解决解决这一问题的有效途径，因此人们运用含糊数学的基本理论和办法，把规则的条件、操作用含糊集表达，并把这些含糊控制规则以及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应状况，运用含糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调节，这就是含糊自适应PID控制。在含糊控制和PID控制的融合中，首先含糊控制的引入弥补了PID控制对复杂对象控制的局限性，例如：大滞后、非线性、无精确数学模型的对象等；另首先，PID控制与含糊控制的结合，也在很大程度上使得含糊控制的控制品质粗糙、稳定精度不高等缺点得到改善。两者扬长补短，使含糊PID控制既含有含糊控制灵活、适应性强、快速性好的优点，又含有PID控制精度高的特点。3.4.1含糊控制基本原理含糊控制是基于含糊推理，含糊人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制，它是含糊理论和控制技术相结合的产物，同时也是构成智能控制的重要构成部分，含糊控制系统的构成与普通控制系统的区别重要在于控制器不同，含糊控制器重要是由含糊化、含糊推理和去含糊三个功效模块和知识库构成。它的基本原理是：把系统的输入进行含糊化解决转化为含糊量，然后按照给出的规则对含糊量进行推理，最后把推理的成果进行去含糊化解决转化为精确量。近几年，含糊控制技术得到了迅猛发展，已经成功的运用于许多领域，在某些含有非线性、强耦合、时变性和时滞性的复杂过程或机器的控制中，含糊控制发挥了独特的作用。含糊控制的突出特点重要有：（1）控制系统的设计不规定懂得被控对象的精确数学模型，只需要提供操作人员的经验及操作数据；（2）控制系统的鲁棒性强，适合于解决常规控制难以解决的非线性、强耦合、时变和时滞系统；（3）以语言变量替代了常规的数学变量，容易构成专家的“知识”；（4）控制推理模仿人的思维过程，采用“不精确推理”，融入了人类的经验，因此能够解决复杂甚至“病态”系统。即使含糊控制器与常规控制器相比含有不必建立被控对象的数学模型，对被控对象的非线性和时变性含有一定的适应能力等特点，但是它也存在某些例如精度不高，自适应能力有限和易产生振荡现象等缺点。3.4.2含糊自适应PID控制器根据被控对象锅炉过热蒸汽温度的特点，本控制系统选择含糊自适应PID控制器。它是在常规调节器的基础上采用含糊推理的思想，根据温度偏差e（k）和温度偏差变化率ec(k)，对PID的比例、积分和微分参数kp、ki和kd进行在线自整定的含糊控制器，它含有响应快、超调小、鲁棒性能强和适应性高等特点。在参数kp、ki和kd与温度偏差e（k）和温度偏差变化率ec(k)间建立起在线自整定的函数关系，并且这种关系是根据人的经验和智能建立起来的，使系统在不同运行状态下能对常规PID控制器参数不停地修改和调节。这犹如人们在控制过程中不停理解和掌握控制规律同样，因此，它属于人工智能的范畴，即对PID参数实现了智能调节。也正由于如此，它在改善被控过程的动态和稳态性能、提高抗干扰能力以及对参数时变的鲁棒性等方面均优于常规PID控制器。自适应含糊PID控制器以温度误差e和温度误差变化ec作为输入，能够满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的规定。运用含糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应含糊PID控制器，其构造如图3-5所示。PIDPID调节器含糊推理de/dtr(t)e对象kpkikdy(t)(图3-5自适应含糊控制器构造由控制系统构造图所示，这是在普通PID控制器的基础上加上了一种含糊控制环节，含糊控制规则环节是为了根据系统实时状态调节PID参数而设立的。因此，含糊参数自适应PID控制系统的核心在于含糊控制规则对PID参数的调节机理及过程。由含糊参数自适应PID控制系统的构造能够看出，其中的参数校正部分实质为一种含糊控制器，该含糊控制器采用以下5个含糊变量：（1）e（k），控制系统的温度输入偏差；（2）ec（k），控制器的温度输入偏差变化率；（3）kp，控制器输出的比例系数；（4）ki，控制器输出的积分系数；（5）kd，控制器输出的微分系数。其中，e（k）和ec（k）为输入含糊语言变量，而kp、ki和kd为输出含糊语言变量。3.4.3控制器参数自整定PID参数含糊自整定是找出PID三个参数与系统温度误差e、温度误差变化率ec之间的含糊关系，在运行中通过不停检测e和ec，根据含糊控制原理来对3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同规定，而使被控对象有良好的动静态性能。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑，kp、ki和kd的作用以下：(1)比例系数kp的作用是加紧系统的响应速度，提高系统的调节精度。kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会造成系统不稳定。Kp取值过小，则会减少调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。(2)积分作用系数ki的的作用是消除系统的稳态误差。ki越大，系统的静态误差消除越快．但ki过大，在响应过程的早期会产生积分饱和现象，从而引发响应过程的较大超调。若ki过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。(3)微分作用系数kd的作用是改善系统的动态特性，其作用重要是在响应过程中克制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但kd过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，并且会减少系统的抗干扰性能。采用计算机实现的PID控制算法，其离散PID控制规律为：U(k)Kpe（k）+Ki+kd[e（k）-e（k-1）]式中u（k）为第k个采样时刻控制器输出量；e（k）为第k个采样时刻控制器输入量（温度偏差信号）；kp、ki和kd比例、积分、微分系数。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，根据不同的e和ec人们总结出了一套kp、ki和kd的整定原则：（1）当e较大时，为使系统有较好的跟踪性能，应取较大的kp和较小的kd，同时为避免出现较大的超调，应对积分作用加以限制，普通取ki=0.（2）当e中档时，为使系统响应含有较小超调，应取较小的kp。Ki的取值要适宜。kd的取值对系统响应的影响较大，应获得小某些。（3）当e较小时，为使系统能有较好的稳态性能，kp和ki均应取的大些，同时为避免在平衡点附近出现振荡，并考虑系统抗干扰性能，当ec较大时kd可取的小些；ec较小时kd可取的大某些。3.4.4控制规则的设计含糊控制器的控制规则是基于手动控制方略，而手动控制方略又是人们通过学习、实践以及长久经验累积逐步形成的，它是存储在操作者头脑中的一种技术知识集合。手动控制规则普通是通过对被控对象的某些规则，操作者根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并作出控制方略的过程，事实上就是建立含糊控制器的控制规则的过程。在含糊参数自适应PID的控制系统中，含糊控制规则重要是用来修正PID的参数的，它是控制领域内的技术人员根据过程的阶跃响应状况的经验总结，在进行一定解决之后得到的。从普通过程对阶跃输入的响应状况，能够得到PID控制器在实际工作中有e，ec时，应当能够推出合理的kp，ki，kd的含糊控制规则。总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，再根据kp，ki，kd三个参数各自的作用和它们之间的互相影响，本文建立了kp，ki，kd含糊控制规则表，如表所示。含糊控制器控制规则形式为：ifAandBthenC，如1．If[EisNB]and[ECisNB]then[KPisPB][1]；2．If[EisNB]and[ECisNS]then[KPisPM][1]；…..其中最后括号中的“1”，表达该条规则的权值。含糊决策采用：与(And)办法为min，或(Or)为max，推理(Implication)为min，合成(Aggregation)为max，解含糊(Defuzzification)为som。kp的含糊控制规则表ec△kpeNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBPBPBPMPMPSPSZOPBPBPMPMPSZOZOPMPMPMPSZONSNMPMPSPSZONSNMNMPSPSZONSNSNMNMZOZONSNMNMNMNBZONSNSNMNMNBNBki的含糊控制规则表ec△kieNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMZOZONBNBNMNMNSZOZONMNMNSNSZOPSPSNMNSNSZOPSPSPMNSNSZOPSPSPMPMZOZOPSPMNMPBPBZOZOPSPMPBPBPBkd的含糊控制规则表ec△kdeNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBPSPSZOZOZOPBPBNSNSNSNSZONSPMNBNBNMNSZOPSPMNBNMNMNSZOPSPMNBNMNSNSZOPSPSNMNSNSNSZOPSPSPSZOZOZOZOPBPBkp，ki，kd的含糊控制规则表建立好后，根据各含糊子集的从属度赋值表和各参数含糊控制模型，应用含糊合成推理设计PID参数的含糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算kp=kp，+{ei，ecf}p (2-2)ki=ki，+{ei，eci}i (2-3)kd=kd，+{ei，eci}d (2-4)3.4.5采样周期的选用选择采样时间问题是计算机控制中的共性问题，含糊PID控制也属于计算机控制的一种类型，因此，对含糊PID控制而言，也要合理地选择采样时间的问题。在此范畴内，采样周期越小，就越靠近持续控制。但选择采样时间还要综合考虑各方面因素，如：从执行机构来看，有时规定输出信号保持一定的时间，由于执行机构本身有个响应过程，从这一点看采样时间必须不不大于执行机构的响应时间。从控制系统随动以及抗干扰的性能规定方面看，但愿采样时间短些为好。从计算机控制算法所需要的时间来看，在一种采样周期内，必须完毕一种控制步的计算量。从计算机计算精度来看，采样周期的选择还与计算机字长有关。为了保持相似的计算精度，对于较小的采样时间，则需要较长的计算字长，或者说，最少要在最低有效位上反映出信息的变化。从上面分析能够看出，各方面因素对采样时间的规定是不同的，甚至是相矛盾的。本控制系统为含糊控制系统，其输入变量为误差和误差变化，因此，为了获得较精确的控制规律，应使误差变化的值稍大某些，从这一点来看，采样周期不能太短。但从一次响应过程中控制作用的次数来看，普通不能低于五次，否则，会使控制不精确。因此，在含糊控制系统中选择采样时间受到误差变化最大值与一次响应过程中控制作用次数两方面的制约，同时选择采样时间要综合考虑各方面因素进行折衷考虑。在系统调试过程中，通过对不同采样时间进行实验，从中拟定本系统的最佳采样时间。4控制系统的硬件设计4.1系统总体方案设计控制系统方案设计是本课题的一项重要工作，制订一种好的总体方案能为系统的设计提供良好的指导，是研究工作顺利完毕的确保。本系统的设计原理总体框图4-1以下：计算机主机计算机主机A/D转换D/A转换信号放大功放驱动传感器调节阀键盘LCD显示报警器工业对象（被控对象）图4-1原理框图本系统以DS18B20作为温度传感器，AT89C52作为解决器，配以温度显示、蜂鸣器和调节阀作为温度控制输出单元。整个系统力求构造简朴，功效完善。首先通过键盘输入过热蒸汽温度允许变化的上、下限值，通过执行器执行来控制锅炉过热蒸汽的温度。在工作过程中，温度传感器进行现场温度测量，将采集到的模拟量通过滤波放大后送给ADC0809，转换成数字量后再送给单片机进行分析解决，这些数字信号送往单片机，通过单片机的分析、比较和解决，然后输出，其一是在1602上显示温度值，其二是控制调节阀阀位的开度并根据调节减温水的流量大小来控制过热蒸汽温度的变化。在正常状况下，应保持温度介于上、下限值之间，当显示屏显示温度高于上限值或者低于下限值时，则报警器发出报警信号，此时能够重新输入温度，进行含糊PID控制调节。4．2系统硬件设计4.2.1AT89C52单片机的特点本设计采用的单片机是AT89C52，AT89C52单片机的特点是：能与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、六个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标记符。AT89C52单片机为诸多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机的引脚图以下：图4-2引脚图对于单片机的应用中惯用到单片机的最小系统，单片机的最小系统以下图所示：图4-3最小系统4.2.2电源模块设计电源电路由传统的变压器电路和开关电源构成。电源电路是最基本的电路，任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外，并且我们应当高度重视电源部分，不能由于电源部分电路比较简朴而有所忽视，其实有将近二分之一的故障或制作失败都与电源有关，电源部分做好才干确保电路的正常工作。单片机采用+5V供电的方式，核心是采用集成稳压器件7805（稳压范畴6～25V），配合大的滤波电容，完全可满足单片机的工作规定。供电采用交流220V,经变压器变压成为12V交流电，在通过整流桥整流，通过7805稳压，最后获得直流+5V。另外运算放大器还用到-5V电源，核心采用集成稳压器件7905，配合大功率的滤波电容，完全可为运算芯片提供稳定的-5V电压。具体电路如图所示：图4-4电源电路4.2.3模拟信号放大模块信号放大解决电路，接在A/D转换器与传感器之间，用于解决下列存在问题：1.A/D转换器与传感器两者电压不匹配。2.如果是电流型输出传感器，要进行I～V变换与放大解决，将电流信号对应变换成电压信号。3.传感器工作现场，可能存在复杂的强电磁波的干扰，普通采用RC低通滤波器，滤除叠加在传感器输出信号上的高频干扰信号，也可采用有源滤波技术，使得滤波技术更加好。这块电路的作用是对从温度传感器检测过来的微压信号进行放大。在输入端设立了桥式电路，这样全桥工作时输出电压最大，检测的敏捷度最高，能够消除非线性误差，另外桥式电路的一种重要作用是能够对温度误差进行赔偿。具体电路如图所示模拟信号滤波放大电路以下。图4-5∏型滤波放大电路4.2.4报警电路设计当锅炉过热蒸汽温度高于工作人员所设定的上限温度或者低于设定的下限温度时，则认为发生了越限，越限报警灯点亮，提示操作出现了越限报警，提示工作人员注意与否故意外状况发生。值得一提的是，当系统从低温开始加热，到下限温度以前系统可能出现越限报警。当出现越限报警时，工作人员应当注意是不是此种状况，此状况能够忽视。报警装置有驱动电路和执行电路构成，有一种NPN三极管，和一种二极管与一种蜂鸣器和构成的报警系统，三极管的基极接到单片机的P3.4端，当温度超出所设定的上限或者下限的时候，P3.4就会发出一种高电平使三极管导通，工作在放大状态，驱动蜂鸣器发出声音，使发光二极管点亮.如图4-6所示:图4-6报警电路4.2.5显示电路模块显示部分用于显示顾客设定的温度、上限温度、下限温度和现在温度值等。固然，从理论上而言，如果要很明了的显示多个数值的话，应当加上中文显示模块，这样就能够一目了然的识别出多个设定值。从这首先来说LCD显示屏就占有很大的优势。本系统采用的是长沙太阳人电子有限公司生产的SMC1602A字符型液晶屏，用于显示温度及参数设立。第15、16两个引脚通过一种限流电阻接在+5V电源上，作为背光灯，方便于在黑暗的环境下能够看到显示的数据及参数，第5个引脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作,由于在本系统中不需要对SMC1602A进行读操作为了节省单片机的引脚资源直接将其接到GND，在整个过程中只对其进行写操作。八条数据线分别对应接到单片机P1八个引脚上面，另外两个控制端RS、E分别接到单片机的P3.5，P3.7上面，对其进行设立。系统原理如图4-7所示：图4-7LCD1602接口显示电路5控制系统的软件设计整个系统的功效是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功效也就基本定下来了。系统软件设计是计算机控制系统的核心，它在数字硬件的基础上，提供了灵活的算法、简洁的操作与高精度、高效率，体现了数字计算机控制系统的优越性。成为了完整系统不可缺少的一部分。从硬件角度设计软件模块重要涉及：温度采集模块、A/D转换模块、报警模块、显示模块、单片机控制模块。从软件的功效不同可分为两大类：一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件（子程序），它是用来完毕多个实质性的功效如测量、计算、显示等。每一种执行软件也就是一种小的功效执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一种执行模块进行功效定义和接口定义。各执行模块规划好后，就能够规划监控程序了。首先要根据系统的总体功效选择一种最适宜的监控程序构造，然后根据实时性的规定，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。系统软件设计流程图以下：DS18B20测温DS18B20测温热电偶测温启动A/D转换单片机控制测温按下初始化查询设定参数液晶显示维持恒温达成设定？YN超出上限报警超出下限报警升温降温YN图5-15.1DS18B20程序模块设计本系统中软件部分涉及到18B20的使用，通过控制该芯片的读写时序，