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1、毕业论文模板摘 要 热水锅炉是日常生产、生活中被广泛使用的供热设备，随着我国科学技术和经济的快速发展，城市建设规模不断扩大，人们生活水平不断提高，对生活供暖的用户数量和质量及燃煤热水锅炉的经济、高效、环保性提出了越来越高的要求。目前我国北方地区冬季供暖仍以锅炉为主，部分小锅炉自动控制系统配置相对落后，完全依靠人员手工操作，控制繁琐，而且手动控制无法对锅炉供水温度和管压变化及时作出相应的反应。燃烧控制是锅炉运行的一个重要环节，对提高锅炉运行的经济性、可靠性和安全性有着重要的意义。本文针对燃煤锅炉燃烧控制系统进行了研究和探讨，设计了一种基于PID控制的控制系统，实现了对燃煤热水锅炉燃烧控制系统的自

2、动控制。 本文首先对燃煤热水锅炉燃烧控制系统的组成和控制原理进行了分析，并对燃烧过程机理进行了研究，确定了燃烧控制系统实现自动控制的方法。在此基础上，提出了燃烧控制系统的设计方案。针对燃烧控制系统的特点，建立PID控制算法实现控制过程。文中详细阐述了PID控制器的设计过程，给出了控制器的各项参数以及设计过程。利用MATLAB作为仿真工具，建立PID控制器的仿真模型并对其进行了仿真，仿真结果表明，本文所设计的控制器性能稳定，实现了系统的快速、无差控制。 本文对燃煤热水锅炉控制系统的具体实现方法进行了设计。对于控制系统的硬件部分，介绍了各主要器件的选型和具体电路设计。本文采用MCS51单片机作为控

3、制系统的核心，利用其极高的性价比及其丰富的外设单元满足控制系统的需求。同时对燃烧控制系统的主要硬件系统进行了设计，其中主要包括主控制器及其外围电路，信号采集模块，实时时钟模块，输出控制模块，人机交互模块，及故障保护模块。本文同时还对系统的软件设计进行了介绍，给出了控制主程序的流程，以及所设计的PID控制算法的实现流程。关键词：燃烧控制， PID控制，MATLAB仿真，单片机Abstract Keywords：目 录摘 要 Abstract 第1章 绪论 11.1 课题背景 11.2 给料系统目前发展概述 11.2.1 给料装置 11.2.2 计量装置分类 11.3 锅炉自动控制国内外现状及趋势

4、 11.3.1 锅炉自动控制国内外现状 11.3.2PID控制 11.3.3锅炉自动控制的发展趋势 1本章小结 10第2章 锅炉燃烧控制系统分析 32.1 锅炉的概述 12.1.1锅炉的分类 12.1.2 锅炉的基本结构 12.1.3锅炉采暖系统特点及控制要求 12.2锅炉燃烧控制系统概述 12.2.1 燃烧控制的基本任务 12.2.2 锅炉燃烧过程的动态特性 12.3 锅炉燃烧过程自动调节的基本方案 12.3.1 燃烧控制系统整体方案 12.3.2 负荷控制系统 1本章小结 10第3章 锅炉控制系统分析 33.1控制理论基础 33.1 .1PID控制原理 33.2 负荷控制系统的设计 3本章

5、小结 10第4章 方案选择 34.1燃煤热水锅炉控制系统分析 34.2方案论证 34.2.1 单回路控制系统 34.2.2 串级控制系统 34.3 方案选择 3本章小结 10第5章仿真与系统实现 35.1仿真工具介绍 35.2 SIMULINK构造的PID控制器模型 35.3仿真 35.4系统硬件设计 35.4.1 MCS-51单片机介绍 35.4.2 键盘和液晶屏显示电路 35.4.3模拟量输入电路 35.4.4模拟量输出电路 35.5系统软件设计 35.5.1系统主程序流程图 35.5.2锅炉点火启动子程序流程图 35.5.3 A/D采样子程序流程图 35.5.4控制算法子程序流程图 35

6、.5.5软件完成的任务 3本章小结 10第6章 方案选择 32.1 方案选择 32.2 单元电路的设计 52.2.1 解码电路 5本章小结 10结 论 21致 谢 22参考文献 23附录1 译文 24附录2 英文参考资料 27第1章 绪论1.1 课题背景无论在社会生产，还是在人们的日常生活中，锅炉都是很主要的，我国现有锅炉三十万台，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行。冬季供暖供热是发展经济、保障人民生活质量的重要内容，也是评价一个城市基础建设水

7、平的一个重要方面。我国现有供暖用小型锅炉三十万台，绝大部分是固体燃料。就目前情况来看，由于煤炭技术还很落后，大部分供暖系统控制还采用手工操作，未能实现自动控制，从而存在运行质量差，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。从能源及工矿效益的角度来看，每年锅炉的燃烧用煤要消耗原煤的三分之一以上，其中一部分就是供暖锅炉所消耗的。在我国，供暖锅炉一般都为小型锅炉，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，可为我国节省能源，提高供暖单位的效益，并为环

8、保、居民的身体健康做出贡献。随着科学技术的进步，在微电子技术的迅速发展和广泛运用的催动下，计算机的性价比有了很大的提高，其性能之优良，价格之廉价，使计算机的应用已经逐渐深入到各行各业。目前，我国的锅炉燃烧大部分处于传统的仪表监控和手动控制的方式，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急迫的需求。燃煤热水锅炉是生活中重要装置之一，在运行中，应根据外界负荷的需要调整燃煤热水锅炉控制电磁振动给料系统的给煤量，应加强燃烧调整，保持给煤量的正常，并力求锅炉负荷稳定。加热炉控制的主要任务就是保证出水最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有

9、强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。基于上述现状，很有必要对小型供暖锅炉进行技术改造，找到切实解决效率、节能、环保问题的途径。本文所做的工作是用于采暖的链条式燃煤热水锅炉的锅炉负荷调节系统仿真设计，利用电磁振动给料系统完成燃煤锅炉的自动负荷控制。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

10、给料机作为给料设备，它具有以下优点：（1）电磁振动给料机设备体积小，重量轻，结构简单，维修方便，成本低，适用面广，市场需求量较大。（2）电磁振动给料机及其控制系统的配备技术具有先进性，适合于目前工矿企业几代那一体化的改造。电磁振动给料机一般是采用控制幅度来达到定量给料机的目的，结合其特点，目前国内的电磁振动给料机普遍采用可控硅整流器调节幅度，但几乎都是开环控制。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，电磁振动给料机的振动幅度将会大幅震荡，导致系统工作不稳定。电磁振动给料机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

11、化生产的一个基础，因此，对它的开发、研究是十分必要的。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）定量电子皮带称定量电子皮带称既是计量装置又是定量装置，以实现给料量自动调节。根据调节功能的不同，有恒速和变速型两种结构。恒速电子皮带称速度不变。目前成型成品有电磁振动给料机和皮带输送机。调速型定量电子称是一种独立的系统，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：输送电子皮带称有但托辊、多托辊和悬臂式三种结构，它们的称重原理相同，都是根据皮带单位长度的物料重量和皮带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度信号，即经过运算放大器，便能得出物料流

12、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，结构比电子皮带称简单，可靠性强。1.3锅炉自动控制国内外现状及趋势1.3.1锅炉自动控制国内外现状 跟随科学研究和工业技术的发展，锅炉控制经历了由简单到复杂、由人工操作到自动控制的发展过程。上世纪60年代，基本依靠人工操作控制、劳动强大，经济性和安全性也得不到保障。到了70-80年代，出现了由常规检测和调节仪器仪表组成的模拟式控制系统，这种系统具有高可靠性，操作和维护方便等特点，在工业生产中应用较多，实现了基本的自动控制。到了90年代，随着计算机技术的飞速发展，过程控制技术领域大量采用计

13、算机最为自动控制的主要工具。基于计算机的控制系统运算能力强、速度快，控制精度高，并且能够进行分时操作，使用一台计算机就可以实现多台传统控制装置的功能。同时，计算机具有较强的逻辑判断能力和记忆存储能力，在当工作条件或过程参数改变时，能快速进行判断和响应，选择最优控制策略。进入二十一世纪以来，检测技术和计算机技术得到了突飞猛进的发展，控制系统进入了数字化、网络化和智能化的发展阶段。锅炉自动控制系统作为集检测技术、传感器测量与执行机构控制的综合应用系统，也进入了数字化和智能化时代，各种智能控制系统也相继出现。另一方面，对于大锅炉群组的集成控制，通过结合网络检测技术、计算机技术和通讯技术，形成了锅炉控

14、制系统的集成化管理、网络化监控和远程控制，这将是锅炉控制系统发展的新阶段。控制理论的飞速发展对锅炉控制系统起到了极大地推动作用，许多优良的控制理论不断应用到锅炉控制系统中。其中的典型代表就是PID控制技术，即比例、微分、积分控制。如今在国外，锅炉的控制已经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，大多数中型锅炉水平基本上停留在手动和简单仪表操作的水平。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。1.3

15、.2 PID控制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，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。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，已经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控制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。因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科综合的计算机技术的应用，管理控制一体化得趋势发展。本章小结第2章 锅炉燃烧控制系统分析2.1锅炉

16、的概述锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。2.1.1锅炉的分类锅炉是生产和生活采暖的供热源，按其供热的方式分为蒸汽和热水两种。前者主要用于发电、工业生产及间接供热，后者主要用于生活供热和生活热水，多用于集中供暖地

17、区及宾馆、饭店。按锅炉使用的能源分主要有燃煤、燃油、燃气及电热几种方式。在我国，由于长期以煤炭为主要能源，因此大量锅炉采用燃煤加热方式。但这种方式燃烧效率低，对环境污染大，并且随着能源需求的增加，煤炭燃料的弊端越来越显现出来。2.1.2锅炉的基本结构在供暖系统所用的各式各样的锅炉中，链条式燃煤热水锅炉由于其结构简单、可靠、机械化程度高、成本相对较低，是我国北方热水采暖中应用最广泛的一种热水锅炉。本文控制系统中锅炉的结构如图2-1。图2-1燃煤热水锅炉结构图它主要由以下几部分组成： 汽包：由上下锅筒和二簇沸水管组成。水在管内受外烟加热，因而管簇内发生自然的循环流动。 炉膛：是使燃料充分燃烧并放出

18、热能的设备。燃料由煤落在转动的链条炉排上，进入炉内燃烧。所需的空气由炉排下面风箱送入，燃尽的灰渣被炉壁带到除灰口，落入灰斗中。得到的温烟气依次经过受热面，将热量传递给水后，由烟囱排出。 省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟温度的换热器。省煤器由蛇形管组成，小型锅炉中常采用肋片铸铁管式省煤器或不装省煤器。2.1.3锅炉采暖系统特点及控制要求2.2 锅炉燃烧控制系统概述2.2.1 燃烧控制的基本任务2.2.2 锅炉燃烧过程的动态特性2.3 锅炉燃烧过程自动调节的基本方案2.3.1燃烧控制系统总体方案2.3.2 负荷控制系统本章小结第3章 锅炉控制系统分析3.1 控制理论基础3.1.1P

19、ID控制原理PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为 u(t)=kp(e(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s) 其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数它由于用途广泛、使用灵活，已

20、有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。 比例（P）控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误

21、差（Steady-state error）。 在积分（I）控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 在微分（D）控制中，控制器的输出与输入误差信号

22、的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器

23、能改善系统在调节过程中的动态特性。3.1.2负荷控制系统的设计3.2负荷控制系统的设计本章小结第4章 方案选择 4.1 燃煤热水锅炉控制系统分析燃煤热水锅炉是生活中重要装置之一，它的任务是把热水加热到一定温度。负荷变化通过检测回水温度可知，因此，常选热水出口温度为被控参数、给煤量为控制变量，负荷控制系统中，影响热水出口温度的干扰有给煤量、负荷变化、空气入口温度、炉膛温度、煤量的自发性扰动(煤的品质等)等。该系统根据热水出口温度变化来控制给煤量，通过改变给煤量将热水出口温度控制在规定的数值上。当燃煤量变化、燃煤锅炉运行中产生煤量的自发性扰动(煤的品质等)时，先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影

24、响热水的出口温度。从干扰因素来看具有两个控制系统设计方案分别是：单回路控制系统和串级控制系统。4.2方案论证4.2.1 单回路控制系统温度调节器TC是根据热水的出口温度与设定值的偏差进行控制。当负荷出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响控制质量差。当生产工艺对热水出口温度要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。被控变量：热水出口温度；操控变量：给煤量。当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。 图3-1 燃煤热水锅炉温度控制系统 图3-2 燃煤热水锅炉出口温度单回路控制系统框图4.2.2串级控制系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节

25、器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：给煤量。炉膛温度变化时，TC2可以及时动作，克服干扰。 图3-3燃煤热水锅炉温度串级控制系统图3-4燃煤热水锅炉出口温度串级控制系统框图4.3方案选择方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变燃煤量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，改变过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除，且容易产生震荡，控制精度达不到要求。方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先

26、调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加 了一个包含二次扰动的副回路，改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。对二次扰动有很强的克服能力。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。综上所述，本设计选择串级控制系统。本章小结第5章 仿真与系统实现5.1仿真工具介绍MATLAB是

27、矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortra

28、n）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大

29、的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作： 数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真 数字图像处理技术 数字信号处理技术 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB

30、 函数集）扩展了MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。5.2 SIMULINK构造的PID控制器模型5.3仿真5.4系统硬件设计5.4.1 MCS-51单片机介绍单片微型计算机（Single Chip Micro Computer，SCM）又称为微控制器（Mico Control Uint，MCU），是微型计算机的一个重要的分支。1974年，美国仙童公司开发出世界上首台单片机F8，在民用电器和仪器仪表领域取得了巨大的成功。从此，不但单片机技术自身飞速发展，而且应用领域也越来越广阔，几乎深入到了工业控制和民用设备的所有方面。1976年INTEL公司面向市场推出来MCS-48单片

31、机，从此形成为真正意义上的8位单片微型计算机。它以体积小、功能全、可靠性高、控制功能强、性价比高等特点获得了广泛的应用，奠定了为单片机快速发展的基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。跟随MCS-48的脚步，各大半导体公司陆续研发了自己的单片机，比如Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，单片机的发展进入了高性能时代，INTEL公司推出了MCS-51系列，Motorola公司推出了6801和6802系列，Rokwell公司推出了6501和6502系列等等。在日本，NEC、HITACHI都先后研发了具有自己特色的专用单片机。之后，高性能单片机的发展进入了空前繁荣的时期。据统计，世界上各大公司推出的单片机总共约有几十个系列，600多个品种。 早在20世纪70年代，微处理器面世不久，就被用于自动控制中。这些控制应用除处理器外，还包括了一些外围电路。为了设计出功能完整的单片机微控制器，人们试图在半导体芯片上集成尽可能多的外设元件。70年代末出现了一系列集成内部RAM、串行接口、定时器电路以及可选的ROM或EPROM得8位控制器。在1980年，Intel推出的8051微处理器面市，并且迅速成为8位控制器应用标准。直到今天它仍然在一系列是我应用中发挥作用。此时的单片机均属于真正的单片化。多数在片上集成了CPU、RAM、R