1、吉林建筑大學城建學院電氣信息工程系課程設計第1章 緒論 1.1 課題設計背景根據國內實際情況和環保問題的考慮和要求，燃燒鍋爐由于污染并效率不高，已經逐漸被淘汰；燃油和燃氣鍋爐也存在著燃料供應不方便和安全性等問題。因些在人口密集的居民區、旅館、醫院和學校，電加熱鍋爐完全替代燃煤、燃油、燃氣鍋爐。自70年代以來，由于工業過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發展以及自動控制理論和設計方法發展的推動下，國內外溫度控制系統的發展迅速，并在智能化，自適應、參數整定等方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優異的溫度控制器及儀表，并在各行廣泛應用。電加熱鍋爐采

2、用全新加熱方式，它具有許多優點，使其比其他形式的鍋爐更具有吸引力：(1) 無污染。不會排放出有害氣體、飛塵、灰渣，完全符合環保方面的要求。(2) 能量轉化效率高。加熱元件直接與水接觸，能量轉換效率很高，可達95%以上。(3) 鍋爐本體結構簡單，安全性好。不需要布管路，沒有燃燒室、煙道，不會出現燃煤、燃油、燃氣的泄漏和爆炸危險。(4) 結構簡單、體積小、重量輕，占地面積小。(5) 啟動、停止速度快，運行負荷調節范圍大，調節速度快，操作簡單。由于加熱元件工作由外部電氣開關控制，所以啟停速度快。(6) 可采用計算機監控，完全實現自動化。其溫度的控制都能通過微控制芯片完成，使鍋爐的運行完全實現自動化，

3、最大程度地將控制器應用于傳統的鍋爐行業。本課題主要研究鍋爐溫度的過程控制。新型鍋爐是機電一體化的產品，可將電能直接轉化成熱能，具有效率高，體積小，無污染，運行安全可靠，供熱穩定，自動化程度高的優點，是理想的節能環保的供暖設備。加上目前人們的環保意識的提高，電熱鍋爐越來越受人們的重視，在工業生產和民用生活用水中應用越來越普及。電熱鍋爐目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的溫度，保證恒溫供水。隨著計算機和信息技術的高速發展，單片機廣泛的應用于工業控制中。工業控制也越來越多的采用計算機控制，在這里我們采用51系列單片機來做控制器。由于電加熱鍋爐是一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單

4、向性等特點的控制對象，很難用數學方法建立精確的數學模型，因此用傳統的控制理論和方法很難達到很好的控制效果。而這下符合PID控制使用的條件，因而PID控制被廣泛地用于電熱鍋爐的控制中，用來代替傳統的控制方法，并獲得良好的控制效果。 根據偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）、進行控制（PID控制），是控制系統中應用最為廣泛的一種控制規律。PID控制器問世至今有近70年歷史，它以結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用

5、PID控制技術最為方便。1.2 課題目的及意義 本控制器主要是針對現代工業自動化生產過程中鍋爐溫度控制裝置而設計的，用PID控制代替傳統的控制方法，以獲得良好的控制效果。通過這個課題能鍛煉我的能力，給我提供了一個理論和實踐相結合的機會。通過這次課程設計，我能對單片機程序設計、自動控制理論、檢測技術與儀表方面的知識有進一步的了解，以鞏固學過的專業知識，開拓我的視野。同時，由于學過的知識有限，讓我認識到了自己的不足，為以后有針對性地提高有了一個明確的方向，同時也鍛煉和提高我們的自學能力，為提高我們以后的自身競爭能力打下基礎。1.3設計指標此系統主要以儀表為控制器，并對顯示電路，溫度檢測電路，人機接

6、口電路，鍵盤電路，報警電路，執行電路等進行具體設計，以實現鍋爐水溫的控制。具體指標要求如下：1、 用儀表作為控制器，采用模塊設計方法，對系統硬件、軟件進行詳細的設計2、 鍋爐溫度控制在0-100左右。3、 通過鍵盤輸入上下限溫度、恒溫溫度，以及通過手動停機的功能。4、 顯示電路用于顯示用戶設定的溫度、上限溫度、下限溫度和當前溫度值等，精確到小數點后一位。5、 水溫高于上限溫度和低于下限溫度時，系統報警；誤輸入時報警。6、 加熱執行機構的設計。第2章 系統設計方案2.1 系統設計方案此方案用儀表作為主要控制器的核心，利用熱電偶作為測溫器件，然后通過一個變送器將溫度轉換成電壓信號，送入到A/D轉換

7、器進行模擬到數字量的轉換，轉換結轉送入儀表，由控制器根據給定值與測量值的大小作比較得到一個偏差，再由D/A將偏差數字量轉換成模擬量來調節加熱絲的工作時間或者通過調節不同電壓來調節加熱絲的加熱功率，最終達到鍋爐恒溫控制的目的。系統原理框圖如下圖2-1所示： 實際溫度加熱給定值D/A轉換儀表A/D轉換變送器熱電偶圖2-1 原理框圖2.2 控制方式確定 自動控制方式一般有兩種：即開環控制和閉環控制。 開環控制是指控制裝置與被控對象之間只有按順序工作，沒有反向聯系的控制過程,按這種方式組成的系統稱為開環控制系統,其特點是系統的輸出量不會對系統的控制作用發生影響，沒有自動修正或補償的能力。開環控制沒有反

8、饋環節，系統的穩定性不高,響應時間相對來說很長,精確度不高,使用于對系統穩定性精確度要求不高的簡單的系統.。人工控制一般是開環控制。比如人工轉換電扇檔位實現轉速的控制。閉環控制有反饋環節，從輸出量變化取出控制信號作為比較量反饋給輸入端控制輸入量，一般這個取出量和輸入量相位相反，所以叫負反饋控制。通過反饋系統使系統的精確度提高,響應時間縮短,適合于對系統的響應時間,穩定性要求高的系統。自動控制通常是閉環控制。比如家用空調溫度的控制。閉環控制又包含有單回路控制和串級控制等。串級控制系統與單回路控制系統相比有一個顯著的區別，即其在結構上多了一個副回路，形成了兩個閉環-雙閉環或稱雙環。串級控制系統在結

9、構上與電力傳動自動控制系統中的雙環系統相同，就其主回路（外環）來看是一個定值控制系統，而副回路（內環）則為一個隨動系統。以加熱爐串級控制系統為例，在控制過程中，副回路起著對爐出口溫度的“粗調”作用，而主回路則完成對爐出口溫度的“細調”任務。與單回路控制系統相比，串級控制系統多用了一個測量變送器與一個控制器（調節器），增加的投資并不多（對計算機控制系統來說，僅增加了一個測量變送器），但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統改善了被控過程的動態特性，提高了系統的工作頻率； 對二次擾動有很強的克服能力；提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數變化的自適應

10、能力。綜上所述，根據系統工藝要求，決定在系統設計中采用閉環串級控制方式。第3章 鍋爐溫度控制系統設備配置3.1 鍋爐溫度控制系統概述過程控制綜合實驗裝置（ProcEss Control SystEm，簡稱PCS），是模仿現代工業生產過程中常見的物理量，諸如溫度、流量、液位、壓力等參數，對其進行測量、控制，分析過程參數變化特性，研究過程控制規律的教學實驗設備，過程控制綜合實驗裝置選用智能化的工業用儀器儀表，接近工業實際，使用安全，運行穩定，維護簡單，性價比優越。整個系統結構緊湊、功能多樣、既能進行驗證性、設計性實驗,又能提供綜合性實驗。PCS-E型是在PCS-C型配置的基礎上發展更新的新產品，P

11、CS-E型優化了結構，增加了配置，擴展可實驗內容（涵蓋了PCS-C型全部功能），以滿足用戶更多的實驗要求。PCS-E型過程控制綜合實驗裝置主要是由實驗控制對象、實驗控制臺及上位監控PC機三部分組成。有儀表控制、PLC控制和DDC控制三種控制方式。本裝置：·兩路獨立供水系統；·雙容液位實驗系統；·流量實驗系統；·溫控實驗系統； ·可滿足“自動調節原理”，“過程控制”，“控制儀表”，“自動檢測技術與傳感器”及相關課程的教學實驗需求； ·可作為有關企業技術人員、儀表操作人員、系統運行監控人員的實習、培訓實驗設備。 設備特點：（1）分體設計，

12、模塊化組裝式結構，可以根據不同的需要選擇儀表控制、PLC控制和DDC控制，組成不同的控制系統。（2）雙實驗水箱配置，雙路供水系統。（3）實驗柜采用不銹鋼全開放式結構，內部器件全部可視，有利直觀教學和維護。（4）人性化設計，配有儲水箱，進排水自控裝置，減輕工作人員勞動強度。配有實驗專用線的掛線板，取線掛線方便、整潔、美觀。為實驗文明操作提供條件。（5）裝置的儀表、部件均選用現代化技術工業級產品。智能化程度高。精度好，規格多樣。有利直觀教學和拓寬學生工業現場知識。（6）安全度高，系統配有漏電保護，帶保護套的專用實驗電源連線，非操作部分的殼體門加有鎖，及溫控箱防止無水加溫自動控制等，力求保護人身、設

13、備安全。（7）開放度好，在教師指導下，學生可觀察、可自己動手參與操作、可自行編程進行驗證、可根據記錄的實時曲線進行理論分析等。3.2 實驗設備系統控制對象 圖3-1 實驗對象流程圖 3.2.1 被控對象由不銹鋼儲水箱、有機玻璃上下水箱、不銹鋼溫控鍋爐和敷塑不銹鋼管道及配件等組成。1水箱：包括上下水箱、儲水箱。有一個上水箱，一個下水箱，它們均采用淡黃色優質有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于學生直接觀察液位的變化和記錄結果。上下水箱尺寸為：D=22cm，H=30cm；水箱結構獨特，由三個槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進水時水管的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經過帶燕尾槽的隔板流入

14、出水槽，這樣經過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩定，便于觀察。上下水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。儲水箱為不銹鋼儲水體，尺寸為：長×寬×高=100cm×3.5×3.5。并在兩側各與一磁力泵相連，為整個系統儲水和供水，內有獨特的結構設計和不銹鋼過濾網，拆洗維護方便，以防雜物進入水泵和管道。2鍋爐：鍋爐為不銹鋼制作，里面安裝一個加熱換，用以對鍋爐內水進行加熱，表面附加水標，方便觀察鍋爐內水位。3管道及閥門：整個系統管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動閥門均采用優質球閥，徹底避免了管道系統生銹的可能性。有效提

15、高了實驗裝置的使用年限。3.2.2 檢測裝置 溫度傳感器/變送器：裝置中采用了1個Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，用來檢測鍋爐內的水溫。經過控制臺中的溫度變送器，可將溫度信號轉換成420mA直流電流信號。 溫度變送器的量程：0+100，精度：0.5級，輸出：420mADC，供電：24VDC，接線方式：二線制。Pt100傳感器精度高，熱補償性較好。3.2.3 執行機構1電動調節閥：本裝置采用的電動調節閥是由是Honeywell的ML7420A6033型電動閥門執行器和三通線性閥門組成。其執行器采用智能直行程調節，根據控制的信號變化，來調節執行器的行程，從而調節三通線性閥門的開度，進而對控制回路的流

16、量進行調節；具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執行機構一體化、可靠性高、使用和校正非常方便等優點；工作時需提供24V交流電源（此電壓由變壓器提供） ，軸桿推力：600N ，執行器行程：20mm ，輸入信號 :0-10Vdc或2-10Vdc ；本裝置中的執行器已被設置為輸入信號為2-10Vdc，由于從實驗控制臺輸出的信號為420mADC,故接到執行器的信號線兩端加500歐的電阻。其三通線性閥門的直徑為20mm.2水泵：本裝置采用上海新西山有限公司生產的磁力驅動泵，型號為MP-55RM及MP-15RM，其中MP-

17、55RM的進口直徑：25，出口直徑：25，流量為60升/分，揚程為4米，功率為90W；MP-15RM的進口直徑為25mm ;出口直徑：25，流量為8升/分，揚程為2.4米，功率為10W 。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。此裝置兩只磁力驅動循環泵均接為單相變頻220V輸出驅動控制，分別為兩條水路供水。3單相電加熱環：本裝置中采用的是一根功率為2000W電加熱環，用來對鍋爐的水進行加溫，加熱環的電阻值約為50左右。4全隔離單相交流調壓模塊：本裝置采用了全隔離單相交流調壓模塊，來實現溫度的連續控制.它是集同步變壓器、相位檢測電路、移相觸發電路和可控硅于一體，當改變控制信號（即420m

18、ADC標準電流）的大小，就可以自動控制改變輸出可控硅的觸發角，從而來實現負載電壓從0V到電網全電壓的可調，即實現單相交流調壓。 圖3-2 調壓模塊接線圖3.3 系統控制臺“PCS-E型過程控制綜合實驗裝置實驗控制臺”主要由電氣控制接線底板、信號控制板，智能儀表組成。3.3.1 電氣控制接線底板該電氣控制接線底板位于控制臺柜的底部，其主要有4個接觸器，一個溫度變送器，兩個開關電源以及幾排接線端子等器件組成，通過它們之間和信號控制板間特定的連線來形成符合實驗要求的整體統一控制系統。3.3.2 信號及控制板 圖3-3 信號及控制板示意此面板左側裝有具有安全保護作用的漏電保護器, 當發生漏電和觸電時，

19、就立即在限定的時間內動作自動斷開電源進行保護。旋合上電源控制鑰匙開關，此時其上面的信號燈亮，并且電源電壓表顯示為220V左右電壓。并在電壓表與控制開關之間裝有3A熔斷保險絲對器件進行保護。該面板右上側是信號模板，主要包括有兩路液位/壓力輸出信號實驗插孔、一路流量輸出信號實驗插孔、一路溫度輸出信號實驗插孔、一路電動閥輸入信號實驗插孔、一路溫度輸入信號實驗插孔以及相配的開關按鈕。其主要是通過與控制底板的連線與對象系統連接，將各傳感器檢測信號及執行器控制信號同面板上實驗插孔相連，便于學生自行連線組成不同的控制系統。該面板下側是控制模板，包括有四個控制開關，分別為電動調節閥、水泵1、水泵2、加熱器。其

20、可對對象系統中的相應器件設備進行開關起停控制。各開關上端安有0.5A熔斷保險絲和220VAC供電的信號燈。3.3.3 儀表控制單元圖3-4 智能控制儀表儀表控制：本裝置儀表控制是采用上海萬迅儀表有限公司生產的AI系列全通用人工智能調節儀表，為AI-808型。AI-808型儀表可以實現PID控制，可以輸入為05vDC信號；輸出為420mADC信號；也可以輸出為繼電器觸點型開關量信號。AI系列儀表通過RS485串口通信協議與上位計算機通訊，從而實現系統的實時監控。AI儀表常用參數設置：CtrL：控制方式。CtrL0，采用位式控制；CtrL1，采用AI人工智能調節/PID調節；CtrL2，啟動自整定

21、參數功能；CtrL3，自整定結束。Sn：輸入規格。Sn21，Pt100熱電阻輸入；Sn32，0.21VDC電壓輸入；Sn33，15VDC電壓輸入。DIL：輸入下限顯示值，一般DIL0。DIH：輸入上限顯示值。輸入為液位信號時，DIH50.0；輸入為熱電阻信號時，DIH100；輸入為流量信號時，DIH100。OP1：輸出方式，一般OP14為420mA線性電流輸出。CF：系統功能選擇。CF0為內部給定，反作用調節；CF1為內部給定，正作用調節；CF8為外部給定，反作用調節；CF9為外部給定，正作用調節。Addr：通訊地址。單回路實驗Addr1；串級實驗主控為Addr1，副控為Addr2；實驗中各儀

22、表通訊地址不允許相同。P、I、D參數可根據實驗需要調整，其他參數請參考默認設置。3.4 PID控制程序設計模擬量閉環控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業領域的應用已經有60多年，現在依然廣泛地被應用。人們在應用的過程中積累了許多的經驗，PID的研究已經到達一個比較高的程度。比例控制(P)是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。其特點是具有快速反應，控制及時，但不能消除余差。在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點，不能快速對誤差進行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差

23、的變化率）成正比關系。微分控制具有超前作用，它能猜測誤差變化的趨勢。避免較大的誤差出現，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的長處和缺點，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質量。3.4.1 PID控制算法圖3-5 閉環控制系統如圖3-5所示，PID控制器可調節回路輸出，使系統達到穩定狀態。偏差e和輸入量r、輸出量c的關系: 控制器的輸出為：（公式3-1） ：PID回路輸出 ：比例系數P ：積分系數I ：微分系數DPID調節的傳輸函數為： （公式3-2） 數字計算機處理這個函數關系式，必須將連續函數離散化，對偏差周期采樣后，計算機輸出值

24、。其離散化的規律如表3.4所示：表3.4 模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出經過離散化后，它的輸出方程為:（公式3-3） 式中，稱為比例項稱為積分項稱為微分項上式中，積分項是包括第一個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的累積值。計算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項，只需要保留積分項前值，計算機的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實現位置式PID控制算法量。3.4.2 PID參數整定PID參數整定方法就是確定調節器的比例系數P、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統的靜態和動態特性，使系統的過渡過程達到最為滿意的質量指標要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大

25、。目前，應用最多的還是工程整定法：如經驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應曲線法。經驗法又叫現場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據運行經驗，利用一組經驗參數，根據反應曲線的效果不斷地改變參數，對于溫度控制系統，工程上已經有大量的經驗，其規律如表3.2所示。表3.2 溫度控制器參數經驗數據被控變量規律的選擇比例度積分時間（分鐘）微分時間（分鐘）溫度滯后較大20603100.53 根據反復的試湊，調處比較好的結果是P=15，I=2.0，D=0.5。3.5 通信配置與通信方式3.5.1 串行數據傳送和并行數據傳送(1)并行數據傳送：并行數據傳送時所有數據位是同時進行的，以字或字節為單位傳

26、送。并行傳輸速度快，但通信線路多、成本高，適合近距離數據高速傳送。(2)串行數據傳送：串行數據傳送時所有數據是按位(bit)進行的。串行通信僅需要一對數據線就可以。在長距離數據傳送中較為合適。網絡傳送數據的方式絕大多數為串行方式，而計算機或PLC內部數據處理、存儲都是并行的。若要串行發送、接收數據，則要進行相應的串行、并行數據轉換，即在數據發送前，要把并行數據先轉換成串行數據；而在數據接收后，要把串行數據轉換成并行數據后再處理。3.5.2 異步方式與同步方式根據串行通信數據傳輸方式的不同可以分為異步方式和同步方式。(1)異步方式：又稱起止方式。它在發送字符時，要先發送起始位，然后才是字符本身，

27、最后是停止位。字符之后還可以加入奇偶校驗位。異步傳送較為簡單，但要增加傳送位，將影響傳輸速率。異步傳送是靠起始位和波特率來保持同步的。(2)同步方式：同步方式要在傳送數據的同時，也傳遞時鐘同步信號，并始終按照給定的時刻采集數據。同步方式傳遞數據雖提高了數據的傳輸速率，但對通信系統要求較高。第4章 實驗步驟及結果分析4.1實驗步驟1、 按圖4-1接好實驗導線和通訊線。 圖4-1 鍋爐溫度控制實驗接線圖2、 先將手動閥門1V3、1V10、打開，V3關閉。3、先打開實驗對象的系統電源，然后打開控制臺上的總電源，再打開DDC控制單元電源。4、打開水泵1開關。待水標內水位超過總高度的2/3，打開V3，手

28、動調節1V3，V3，使水標高度基本不變。其他閥門關閉。5、打開計算機上的PCS-E-PLC MCGS運行環境，選擇系統管理菜單中的用戶登錄，登錄用戶。6、選擇單回路控制實驗的鍋爐溫度控制實驗。7、選擇PLC控制方式。8、按本章第一節中的經驗法或動態特性參數法整定調節器參數，選擇PI控制規律，并按整定后的PI參數進行調節器參數設置。9、設置參數Tc,Sv,Kc,Ti,Td。10、在信號板上打開加熱信號輸入、溫度信號輸出、打開加熱開關11、觀察計算機上的實時曲線和歷史曲線。12、待系統穩定后，給定加個階躍信號，觀察其液位變化曲線。13、再等系統穩定后，給系統加個干擾信號，觀察液位變化曲線。實驗模擬

29、圖如下： 圖4-2 實驗模擬圖 參數設置：采樣周期為10微妙，設定溫度為55度，比例系數為5，積分系數200，微分系數為0如下圖：圖4-3 參數設置 實驗控制界面： 圖4-4 實驗控制窗口 歷史曲線圖（根據時間順序）：圖4-5 歷史曲線1 圖4-6 歷史曲線2 圖4-7 歷史曲線34.2 結果分析 經過12分鐘的加熱調節之后，鍋爐的額溫度穩定在了設定的值55度，如圖4-8所示： 圖4-8 溫度恒定55° 本次試驗是通過調節PID參數來影響鍋爐中水溫調節的歷史曲線（水溫調節過程），通過對PID調節的了解來認識分析實驗中過程曲線的形成。 結 論本課題設計了基于儀表的鍋爐溫度控制系統設計。

30、儀器儀表正向著多功能化、智能化、網絡化、計算機化逐步發展，制造技術的高精尖與跨學科綜合設計都使儀器儀表能夠更簡捷、可靠、靈敏、高速地獲得被控制、檢測、分析對象的全面信息。PID閉環控制是控制系統中應用很廣泛的一種控制算法，對大部分控制對象都有良好的控制效果。組態軟件組態王因其簡單易用的特點，在HMI設計中深受用戶的喜歡而得到廣泛的使用。在組態軟件組態王的基礎上，我們成功設計出了溫度控制系統，該系統達到了快、準、穩的效果，也達到了預期的目標。再加上由組態王設計的人機界面，整個系統操作簡單，控制方便，大大提高了系統的自動化程度和實用性。該溫度控制系統也有一些有不足的地方需要改進，控制時我們用了控制軟件自帶的PID指令向導模塊，這樣雖然方便，但是使得控制系統超調量和調節時間都稍微偏大，若不直接調用該模塊，而是自己編寫PID控制子程序的話，控制效果可能會更好。還有人機界面內容不夠豐富。日后，隨著對儀表控制和通信方式的深入了解，還可以豐富遠程控制指令，以應對運行過程中的各種突發事件，通過構建復雜的多級網絡適應大型的工業控制，使該系統運行時更加穩定可靠，性能更加完善。致 謝本課題的研究是胡老師的