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个多容环节，具有大延迟、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个调节对象。
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，充分利用模糊PID控制的动态特性好和PI调节能消除静态偏差的特性，通过调整模糊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围，提高锅炉工作的安全性，有助于自动化水平的提高。并且利用单片机实现温度监控，具有成本低廉、可靠性高、结构简单等特点。
关键词：过热蒸汽； 温度； 模糊PID控制； 单片机
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ABSTACT
Superheated steam temperature is an important parameter in the operate course of the industry boiler, it reflects the security and efficiency of the equipment operate. The boiler superheated steam temperature is excessively high or excessively low, will all bring disadvantage effect to the safe production, so we must control the temperature in the round of initialization. The boiler superheated steam temperature object is a mini-container element, it has a big delay characteristic and a variety model with variety time characteristic, it also has many disturbances, it belongs to a more difficult adjust object.
According to the above features of boiler superheated steam temperate, this dissertation studied the application of Fuzzy-PI composite serial control in the boiler temperature system of boiler by the fully use of both the good dynamic characteristics of fuzzy PID control and eliminating static deviation of PI control on the base of analysis to the adjust mission of the boiler temperature , the static characteristics and the dynamic characteristics of the boiler temperature object, the difficulty to control it and its design principle. Then control rules of the fuzzy PID controller were adjusted, so it improves the performance of control system.
This paper introduces a design based on the boiler AT89C52 SCM temperature monitoring system, this project can greatly improve the efficiency and accuracy, the boiler superheated steam temperature stables in certain scope accord to actual production, it also can improve the safety of boiler, it helps to raise the level of automation. This design is low cost, simple structure high reliability.
Keywords: Superheated Steam; Temperature; Fuzzy PID Control; Single Chip
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目 录
1 绪论 ................................................................................................................................. 5
1.1 课题研究的背景和意义 ...................................................................................... 5 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 6 1.3 本课题研究所采用的方法 .................................................................................. 9 1.4 本论文研究的主要内容 ...................................................................................... 9 2 锅炉过热蒸汽温度控制系统的概述 ........................................................................... 11
2.1 锅炉系统的工艺流程简介 ............................................................................... 11 2.2 锅炉过热蒸汽温度调节的任务 ........................................................................ 13 2.3自动控制系统的组成及框图 ............................................................................. 14 2.4 锅炉过热蒸汽温度控制的难点及设计原则 .................................................... 15 2.5串级控制系统 ..................................................................................................... 16 3控制系统的设计 ............................................................................................................ 18
3.1 被控对象的静、动态特性及控制参数选择原则 ............................................ 18
3.1.1 被控调节对象的静态特性 ................................................................... 18 3.1.2 被控调节对象的动态特性 ................................................................... 18 3.1.3选择控制参数的原则 ............................................................................ 18 3.2检测、变送器选择 ............................................................................................. 19
3.2.1温度传感器的选择 ................................................................................ 19 3.2.2 A/D转换模块 ........................................................................................ 22 3.3执行器选择 ........................................................................................................ 27 3.4控制器的设计 ..................................................................................................... 28
3.4.1模糊控制基本原理 ................................................................................ 29 3.4.2模糊自适应PID控制器 ........................................................................ 30 3.4.3控制器参数自整定 ................................................................................ 31 3.4.4控制规则的设计 .................................................................................... 33 3.4.5采样周期的选取 .................................................................................... 36
4控制系统的硬件设计 .................................................................................................... 38
4.1系统总体方案设计 ............................................................................................. 38 4．2系统硬件设计 .................................................................................................. 39
4.2.1 AT89C52单片机的特点 .......................................................................... 39 4.2.2电源模块设计 .......................................................................................... 40 4.2.3 模拟信号放大模块 ................................................................................. 41 4.2.4报警电路设计 .......................................................................................... 42 4.2.5显示电路模块 .......................................................................................... 43
5控制系统的软件设计 .................................................................................................... 45
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5.1 DS18B20程序模块设计 .................................................................................... 47 5.2 报警程序设计 .................................................................................................... 47 5.3 A/D转换程序设计 ............................................................................................. 48 5.4模糊PID参数整定设计..................................................................................... 50 6结论与展望 .................................................................................................................... 52 参考文献 ........................................................................................................................... 54 致谢 ................................................................................................................................... 55 附录1 系统硬件原理图 .................................................................................................. 56
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1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
锅炉系统是一个复杂的控制系统，它是一个多参数、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、蒸汽流量等各种因素的影响。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，忽略其它因素的影响，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。但是过热蒸汽很少用于工业制程的热量传递过程，这是因为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，从而会降低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具有很大的实际应用价值和应用前景。特别是在很多工业场合，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，整个过程都要求对温度进行严格的控制和测量。通常过热器正常运行时的温度已经接近材料允许的极限温度，因此，必须相当严格地将锅炉过热蒸汽温度控制在给定值附近。一般中、高压锅炉过热蒸汽温度的暂时偏差不允许超过±10ºC,长期偏差不允许超过±5ºC，这个要求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。温度偏低则会降低机组的热效率，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
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片的使用寿命，所以锅炉过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。为了保证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准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。
锅炉过热蒸汽温度一般可以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示，该对象具有明显的滞后特性。现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，结构也更复杂。在锅炉运行中，影响过热器出口蒸汽温度的因素很多，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具有多容大惯性、大延迟特性之外，往往表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。针对上述情况，锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计，既要求对烟气侧扰动及负荷扰动等较大外扰具有足够快的校正速度，同时又要求对温度控制有较强的抑制能力，从而使系统具有足够的稳定性和良好的控制品质，并能保证系统运行的安全性。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
工业锅炉是一个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，它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而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。
面对具有大延迟、大惯性对模型参数有较大影响的锅炉温度对象，如何稳定、准确、快速地对其进行有效的控制一直是国内外广大专家学者和
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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，大致可以分为五个阶段：
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于手工操作状态，特别是在一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年代前后在有些企业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，随着工业生产的不断发展，对温度控制系统也提出了新的要求。电子技术的迅猛发展，为测控系统的发展创造了条件，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表现形式。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处理和运算由测控计算机完成，而测量仪器和执行器由特殊功能原件构成，不对信号进行运算处理。
第四个阶段是20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和各种微处理器的相继问世，以微处理器为核心的具体程序检测控制功能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：以微处理器为核心，实现控制分散，信息集中的功能，利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，使设备间可以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，具有丰富友好的人机接口。
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方法发展的推动下，国外锅炉温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，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
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能优异的锅炉温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：
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、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 5）普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。
6）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，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。
锅炉系统是一个多参数、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，用传统的控制方法不能达到理想的控制效果。但是一些熟练的操作人员、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模糊控制的应用提供了广阔的空间，因为模糊控制是一种模拟人的思维的控制方法，它不要求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，将模糊PID控制应用于锅炉的控制系统，具有较强的理论与实践意义。
目前，不管是国外还是国内的锅炉过热蒸汽温度控制也主要采用模糊PID控制。模糊PID控制效果与控制参数的选择有很大的关系，通过模糊PID参数的整定和优化，使控制系统具有良好的控制效果，能满足生产实际需要。
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1.3 本课题研究所采用的方法
温度是一个滞后量，给控制带来了比较大的难度，采用一般的开关量来控制蒸汽温度值会在设定值的很大范围内上下浮动，不会稳定在设定值，所以要采用一些控制算法，而基于模糊PID控制算法比较成熟，控制精度高，且适应性好，比较简单实用，在工业锅炉控制系统中应用比较广泛。本文的研究方法，就是针对锅炉过热蒸汽温度的特点，在深入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模糊PID控制的可行性，通过整定控制参数，以优化模糊控制系统。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 本论文研究的主要内容
本课题采用AT89C52单片机对锅炉过热蒸汽温度进行监控，主要任务是对被控对象进行模糊PID调节控制，完成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，分析各个模块的功能和系统的控制过程。
1.模糊PID调节控制模块如下：
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模糊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深入的研究。
2.硬件设计模块如下：
（1）单片机控制模块：采用AT89C52对系统控制。
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（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可以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.软件设计模块如下： （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）模糊PID控制参数整定
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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简介
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(一般为水)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包括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，向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例(风煤比)，以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣，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)。烟气流经过热器后又经过接在上、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。沿途降低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，较低温度的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通
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过烟囱排出。省煤器实际上就是给水预热器，它和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部烟道中，以降低排烟温度，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，主要包括水循环和汽水分离过程。经过除氧等处理的水由泵加压，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于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，相应水的容重较小，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。
过热蒸汽送负荷设备减温器汽包过热器炉膛热空气热空气送往炉膛水送入冷空气送入烟气排出图2-1 工业锅炉工艺系统组成图
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
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空气预热器
蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：
① 锅炉汽包水位控制系统：主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围内；
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，保证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围内。
③ 过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；
④ 锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。
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。因为在锅炉运行中，过热器正常运行的温度一般接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起过度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，则会降低燃料的热效率，一般温度每降低5—10ºC，热效率约降低1%，而且温度降低会使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载，还会引起汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，易引起叶片侵蚀。所以，锅炉过热蒸汽温度调节的任务是：(1) 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气品质合格。(2) 保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。
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2.3自动控制系统的组成及框图
所谓自动控制系统是由控制装置和被控对象所组成的，它们以某种相互依赖的方式结合成为一个有机整体，并对被控制对象进行自动控制。
任何一个自动控制系统，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）两大部分组成的。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，结构和机理分析，了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。如果实际的温度值大于理想值，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。
空气 给定温度 比较放大 调节阀 阀门 混合器 锅炉 扰动 被控量 温度 放大器 热电偶热电偶 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，其输出电压相当于要求的蒸汽温度T； 比较元件：通过比较电路完成给定电压Ur与反馈电压Ub的减法运算，偏差电压△U相当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。
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工作原理：假定实际温度恰好等于给定温度，这时△U=Ur-Ub=0，故调节阀静止不动，调节器输出电压一定，锅炉过热蒸汽处于规定的恒温状态。
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突然加大，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。所以，锅炉过热蒸汽温度控制系统是一个按偏差调节的闭环系统。系统中，除烘烤炉和供气设备外，其余部件组成了温度控制装置。
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，其主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。此外，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整信号。
（2）设备的结构设计与自动调节的要求存在矛盾。从调节的角度看，减温设备应安装在过热器出口的地方，这样可以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很多，各种因素之间又相互影响，使对象的动态过程十分复杂。能使过热器出口气温改变的因素有：蒸汽流量的变化、燃烧工况的变化、锅炉给水温度的变化、流经过热器烟气温度即流速的变化、锅炉受热面结垢等。
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综上所述，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，改变烟气侧参数（如改变烟温或烟气流速）的调节手段是比较理想的，但具体实现比较困难的，所以一般很少被采用。
（2）喷水减温对过热器的安全运行比较理想，尽管对象的调节特性不够理想，但还是目前被广泛使用的锅炉过热蒸汽温度调节方法。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要求有较小的温度控制偏差，所以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，安装在正确的位置，以保证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断加长，延迟和惯性越来越大，采用一级减温已不能满足要求，可以采用多级减温，以保证温度控制的要求。
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，控制质量要求很严的参数，简单控制系统就无能为力了。因此，需要改进控制结构，增加辅助回路或添加其他环节，组成复杂控制系统，其中最普遍的是串级控制系统，如图2.3所示。
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一次扰动副对象副参数主对象二次扰动给定主调节器副调节器调节阀--副变送器主参数主变送器图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，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；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，副环是一个随动控制系统。 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于相对平衡状态，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个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。
一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，
11~，即便是干扰从主回路进入，1010011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
35其最大偏差将会较小到控制系统的
设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。
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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小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降低。可见，过热器的传热形式、结构、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取了对流式过热器、辐射式过热器和屏式过热器交替布置的结构，这有利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引起锅炉过热蒸汽
温度变化扰动与温度之间的动态关系。引起锅炉蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化流经过热器的烟气的温度和流速的变化等等，这些因素还很可能相互制约。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试验，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，选择参数的一般原则是： （1）控制通道的放大系数K0要适当大一些；时间常数T0要适当
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小一些，纯滞后0愈小愈好，在有纯滞后情况下，0和T0之比小一些（小于1），若比值过大，则不利于控制。
（2）扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；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，使其中一个时间参数比其它时间常数大很多。
3.2检测、变送器选择
信号的检测变送包括两个方面，一是检测环节，另一个是变送环节。 检测与变送设备主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，准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能要求的不同都影响检测、变送器的选择，要从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。
应遵循以下原则：
1.尽可能选择测量误差小的测量元件。
2.尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。 3.正确采用微分超前补偿。
4.合理选择测量点位置并正确安装。 5.对测量信号作必要的处理。
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应。所以理所当然选择接触式的温度测量方式更为理想。
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表3-1 各类传感元件的特点和使用场合
测温原理 体 积 变 化 电 阻 变 化 热 点 效 应 固体热膨胀 气体热膨胀 液体热膨胀 利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质 利用金属的热点效应 温度计名称 双金属温度计 玻璃液体温度计 压力式温度计 -200～600 测温范围℃ -200～700 主要特点 结构简单，价格便宜，适用于就地测量，传送距离不很远 准确度高，能远传，适用于低、中温测量 测量范围广，精度高，能远传，适用于中、高温测量 铂、铜、镍、铑、 铁热敏电阻 -270～900 锗、碳、金属氧化物热敏电阻 普通金属热电阻 贵重金属热电阻 难溶金属热电阻 非金属热电阻 -200～1800 从表中所列的各种温度测量仪表中，机械式大多用于就地指示；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。所以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围为0～1300℃。热电偶的热电势大小不但与热端有关，而且与冷端温度有关，只有在冷端温度恒定的情况下，热电势才能正确反映热端温度的大小。
为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： （1）组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很好地绝缘，以防短路； （3）补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； （4）保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
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由于热电偶的材料一般都比较贵重（尤其采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补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，热电偶补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，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
本系统采用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，它可以把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS18B20含有唯一的硅串行数，所以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，具有成本低、易使用的特点，它的性能特点如下：
1.独特的单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需一个端口引脚进行通讯；
2.多个DS18B20可以并联在一条线上，实现多点组网功能； 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，电压范围+3.0V ～+5.5V。
5.测温范围为-55℃～125℃，精度为±0.5℃。
6.可设定非易失的报警上下限阀值, 一旦测量温度超过此设定值, 即可给出一报警标志。
7.利用每片DS18B20上全球唯一的64bit编码, 可轻松组建测量网络。
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8.多种封装形式可选, 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内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。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，也可以向器件提供电源；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。电路图如下：
图3-1 电路图
3.2.2 A/D转换模块
因为AT89C52不能直接处理模拟信号，所以必须将检测到的温度模拟信号转换为数字信号，单片机才能做出相应的处理。
A/D转换器的主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，还应注意满足其他输入电压的范围、输出数字的编码、工作温度范围和电压稳定度等方面的要求。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路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 主要特性：
（1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。
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（2）具有转换起停控制端。 （3）转换时间为100μs
（4）单个＋5V电源供电。 （5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度。 （7）低功耗，约15mW。 内部结构：
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图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，下面说明各引脚功能。
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：
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表3-2 通道选择表
C B A 被选择的通道
0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7
START：A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少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，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。
Vcc：电源，单一＋5V。
GND：地。
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IN0IN1 IN2 8 路 模 ST CLK 三 EOC D0 D1 IN3 8 拟 路 态 IN4 量 A/D 输 IN5 开 转 出 IN6 关 换 锁 IN7 器 存 A 地址器 锁存 B 与译 C 码器 ALE VREF(+) VREF(-) OE
图3-2 ADC0809内部逻辑结构
ADC0809的引脚如下图:
图3-3 ADC0809的引脚
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D2 D3 D4 D5 D6 D7
总线上。
ADC0809的工作过程：
ADC0809与单片机接口电路图3-6如下所示：
OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据
近寄存器复位。下降沿启动 A／D转换，之后EOC输出信号变低，指
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此
转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当
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
示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D
图3-4 ADC0809应用电路
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3.3执行器选择
常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，控制各种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，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。所以要选择合适的执行器。
1.选择合适的调节工作区间
在控制系统设计中，调节阀的Dg、dg比须很好选择，在正常工况下，要求调节阀开度处于15%～85%之间。因为调节阀口径太小，系统受到扰动时，调节阀可能运行在全开或接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于小开度的状态，不但调节不灵敏，而且易造成阀芯、阀座的腐蚀，产生振荡现象。
2.选择合适的流量特性
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包括线性、等百分比和快开等几种，其中前两种用的较多。
3.选择合适的调节阀开、关形式
对于一个控制回路而言，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，究竟选择气开还是气闭阀，一般由生产工艺决定。一般来说，要遵循以下几条原则选择：
（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情况下，应该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，保证产品质量。
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（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。
执行机构选择的主要考虑因素：○1可靠性；○2经济性；○3运行平稳、足够的输出力；○4重量外观；○5结构简单、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，在实际生产中常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个闭环随动系统，阀门定位器可以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，实现准确定位；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，加快阀杆的移动速度；阀门定位器还可以改变调节阀的流量特性。
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，其对象特征参数或结构会发生改变。随着智能控制的发展，模糊控制理论的成熟和模糊控制技术的产生，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确定对象模型，首先将操作人员长期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参数实现最佳调整。
由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价不易定量表示，而模糊理论是解决解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表
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示，并把这些模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情况，运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整，这就是模糊自适应PID控制。
在模糊控制和PID控制的融合中，一方面模糊控制的引入弥补了PID控制对复杂对象控制的不足，比如：大滞后、非线性、无精确数学模型的对象等；另一方面，PID控制与模糊控制的结合，也在很大程度上使得模糊控制的控制品质粗糙、稳定精度不高等缺陷得到改善。两者扬长补短，使模糊PID控制既具有模糊控制灵活、适应性强、快速性好的优点，又具有PID控制精度高的特点。
3.4.1模糊控制基本原理
模糊控制是基于模糊推理，模糊人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制，它是模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组成部分，模糊控制系统的构成与一般控制系统的区别主要在于控制器不同，模糊控制器主要是由模糊化、模糊推理和去模糊三个功能模块和知识库构成。它的基本原理是：把系统的输入进行模糊化处理转化为模糊量，然后按照给出的规则对模糊量进行推理，最后把推理的结果进行去模糊化处理转化为精确量。
近几年，模糊控制技术得到了迅猛发展，已经成功的运用于许多领域，在一些具有非线性、强耦合、时变性和时滞性的复杂过程或机器的控制中，模糊控制发挥了独特的作用。模糊控制的突出特点主要有：
（1）控制系统的设计不要求知道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
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线性、强耦合、时变和时滞系统；
（3）以语言变量代替了常规的数学变量，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，因此可以处理复杂甚至“病态”系统。
虽然模糊控制器与常规控制器相比具有无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力等特点，但是它也存在一些例如精度不高，自适应能力有限和易产生振荡现象等缺陷。
3.4.2模糊自适应PID控制器
根据被控对象锅炉过热蒸汽温度的特点，本控制系统选择模糊自适应PID控制器。它是在常规调节器的基础上采用模糊推理的思想，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进行在线自整定的模糊控制器，它具有响应快、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，而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控制器参数不断地修改和调整。这如同人们在控制过程中不断了解和掌握控制规律一样，因此，它属于人工智能的范畴，即对PID参数实现了智能调节。也正因为如此，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。
自适应模糊PID控制器以温度误差e和温度误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器，其结构
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如图3-5所示。
模糊推理 kp ki kd r(t) e de/dt PID 调节器 对象 y(t) 图3-5 自适应模糊控制器结构
由控制系统结构图所示，这是在一般PID控制器的基础上加上了一个模糊控制环节，模糊控制规则环节是为了根据系统实时状态调节PID参数而设置的。因此，模糊参数自适应PID控制系统的关键在于模糊控制规则对PID参数的调节机理及过程。由模糊参数自适应PID控制系统的结构可以看出，其中的参数校正部分实质为一个模糊控制器，该模糊控制器采用如下5个模糊变量：
（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）为输入模糊语言变量，而kp、ki和kd为输出模糊语言变量。
3.4.3控制器参数自整定
PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与系统温度误差e、温度误差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制
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原理来对3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同要求，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的作用如下：
(1)比例系数kp的作用是加快系统的响应速度，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，甚至会导致系统不稳定。Kp取值过小，则会降低调节精度，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，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起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，其作用主要是在响应过程中抑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，而且会降低系统的抗干扰性能。
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）+Kie(i)+kd[e（k）-e（k-1）]
i0k1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，通常取ki=0.
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（2）当e中等时，为使系统响应具有较小超调，应取较小的kp。Ki的取值要适当。kd的取值对系统响应的影响较大，应取得小一些。
（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可取的大一些。
3.4.4控制规则的设计
模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过学习、实践以及长期经验累积逐渐形成的，它是存储在操作者头脑中的一种技术知识集合。手动控制规则一般是通过对被控对象的一些规则，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策略的过程，实际上就是建立模糊控制器的控制规则的过程。在模糊参数自适应PID的控制系统中，模糊控制规则主要是用来修正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情况的经验总结，在进行一定处理之后得到的。从一般过程对阶跃输入的响应情况，可以得到PID控制器在实际工作中有e，ec时，应该能够推出合理的kp，ki，kd的模糊控制规则。
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相互影响，本文建立了kp，ki，kd模糊控制规则表，如表所示。模糊控制器控制规则形式为：if A and B then C，如1．If [E is NB] and [EC is NB] then [KP is PB][1]；2．If[E is NB] and [EC is NS] then [KP is PM][1]；…..其中最后括号中的“1”，表示该条规则的权值。模糊决策采用：与(And)方法为min，或(Or)为max，推理(Implication)为min，合成(Aggregation)为max，解模糊(Defuzzification)为som。
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kp的模糊控制规则表
ec NB △kp e NB NM NS ZO PS PM PB PB PB PM PM PS PS ZO NM NS ZO PS PM PB PB PB PM PM PS ZO ZO PM PM PM PS ZO NS NM PM PS PS ZO NS NM NM PS PS ZO NS NS NM NM ZO ZO NS NM NM NM NB ZO NS NS NM NM NB NB
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ki的模糊控制规则表
ec NB △ki e NB NM NS ZO PS PM PB NB NB NB NM NM ZO ZO NM NS ZO PS PM PB NB NB NM NM NS ZO ZO NM NM NS NS ZO PS PS NM NS NS ZO PS PS PM NS NS ZO PS PS PM PM ZO ZO PS PM NM PB PB ZO ZO PS PM PB PB PB
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kd的模糊控制规则表
ec NB △kd e NB NM NS ZO PS PM PB PS PS ZO ZO ZO PB PB NM NS ZO PS PM PB NS NS NS NS ZO NS PM NB NB NM NS ZO PS PM NB NM NM NS ZO PS PM NB NM NS NS ZO PS PS NM NS NS NS ZO PS PS PS ZO ZO ZO ZO PB PB kp，ki，kd的模糊控制规则表建立好后，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算
kp = kp，+ {ei，ecf}p ki = ki，+ {ei，eci}i kd = kd，+ {ei，eci}d
(2-2) (2-3) (2-4)
3.4.5采样周期的选取
选择采样时间问题是计算机控制中的共性问题，模糊PID控制也属于计算机控制的一种类型，因此，对模糊PID控制而言，也要合理地选择采样时间的问题。在此范围内，采样周期越小，就越接近连续控制。但选择
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采样时间还要综合考虑各方面因素，如：从执行机构来看，有时要求输出信号保持一定的时间，因为执行机构本身有个响应过程，从这一点看采样时间必须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要求方面看，希望采样时间短些为好。
从计算机控制算法所需要的时间来看，在一个采样周期内，必须完成一个控制步的计算量。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。为了保持相同的计算精度，对于较小的采样时间，则需要较长的计算字长，或者说，至少要在最低有效位上反映出信息的变化。
从上面分析可以看出，各方面因素对采样时间的要求是不同的，甚至是相矛盾的。
本控制系统为模糊控制系统，其输入变量为误差和误差变化，因此，为了获得较准确的控制规律，应使误差变化的值稍大一些，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，一般不能低于五次，否则，会使控制不精确。
因此，在模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，从中确定本系统的最佳采样时间。
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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，制定一个好的总体方案能为系统的设计提供良好的指导，是研究工作顺利完成的保证。
本系统的设计原理总体框图4-1如下：
键盘 计算机主机 工业对象（被控对D/A转换 功放驱动 调节阀 LCD显示 报警器 A/D转换 信号放大 传感器
图4-1 原理框图
本系统以DS18B20作为温度传感器，AT89C52作为处理器，配以温度显示、蜂鸣器和调节阀作为温度控制输出单元。整个系统力求结构简单，功能完善。首先通过键盘输入过热蒸汽温度允许变化的上、下限值，经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，将采集到的模拟量经过滤波放大后送给ADC0809，转换成数字量后再送给单片机进行分析处理，这些数字信号送往单片机，经过单片机的分析、比较和处理，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。在正常情况下，应保持温度介于上、下限值之间，当显示器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，此时可以重新输入温度，进行模糊PID控制调节。
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4．2系统硬件设计
4.2.1 AT89C52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、掉电标识符。AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 单片机的引脚图如下：
图4-2引脚图
对于单片机的应用中常用到单片机的最小系统，单片机的最小系统如下图所示：
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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组成。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，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单而有所忽略，其实有将近一半的故障或制作失败都与电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。单片机采用+5V供电的方式，核心是采用集成稳压器件7805（稳压范围6～25V），配合大的滤波电容，完全可满足单片机的工作要求。供电采用交流220V,经变压器变压成为12V交流电，在经过整流桥整流，经过7805稳压，最终获得直流+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：
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图4-4 电源电路
4.2.3 模拟信号放大模块
信号放大处理电路，接在A/D转换器与传感器之间，用于解决以下存在问题：
1.A/D转换器与传感器二者电压不匹配。
2.如果是电流型输出传感器，要进行I～V变换与放大处理，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，通常采用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。在输入端设置了桥式电路，这样全桥工作时输出电压最大，检测的灵敏度最高，能够消除非线性误差，另外桥式电路的一个重要作用是能够对温度误差进行补偿。具体电路如图所示模拟信号滤波放大电路如下。
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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，提醒工作人员注意是否有意外情况发生。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，工作人员应该注意是不是此种情况，此情况可以忽略。
报警装置有驱动电路和执行电路组成，有一个NPN三极管，和一个二极管与一个蜂鸣器和组成的报警系统 ，三极管的基极接到单片机的P3.4端 ，当温度超过所设定的上限或者下限的时候，P3.4就会发出一个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:
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图4-6 报警电路
4.2.5显示电路模块
显示部分用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等。当然，从理论上而言，如果要很明了的显示各种数值的话，应该加上汉字显示模块，这样就可以一目了然的识别出各种设定值。从这一方面来说LCD 显示器就占有很大的优势。
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置。 第15、16两个引脚通过一个限流电阻接在+5V电源上，作为背光灯，以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，对其进行设置。系统原理如图4-7所示：
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图4-7 LCD 1602接口显示电路
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5控制系统的软件设计
整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。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、简练的操作与高精度、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主要包括：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。从软件的功能不同可分为两大类：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），它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示等。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，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如下：
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初始化 测温按下 Y DS18B20测温 N 热电偶测温 启动A/D转换 查询设定参数 单片机控制 升温 液晶显示 降温 达到设定？ 超过下限报警 N Y 维持恒温 超过上限报警 图5-1
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5.1 DS18B20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，来进行测温，DS18B20可以直接测出温度数字量，在电路中做温度传感器用。DS18B20在单片机控制下分三个阶段:18B20初始化、读18B20时序、写18B20时序。写时序流程图如下：
开始 初始化 DS18B20存在？ Y ROM操作指令 N 存储操作指令 读取温度值 返回
图5-2
5.2 报警程序设计
当检测装置检测到温度超过上下限时，调用该程序，发出报警信号，在锅
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炉过热蒸汽温度安全控制中作用尤为重要，超限报警程序流程图如下：
报警程序 读取温度值C 清除报警标志位 C>MAX? Y 置上限报警标志 C A/D转换流程图所示： 48 开始 START上升沿清除ADC积存器 数据采样流程图所示：START上升沿清除ADC积存器 START高电平启动A/D转换 A/D转换结束数据锁存 OE高电平数据输出 结束 图5-4 49 开始 数据采集 延迟 结束 图5-5 5.4模糊PID参数整定设计 在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自校正下，其PID参数在线自校正工作流程图如图5-6所示。 50 入口 取当前采样值y（k） e（k）=r（k）-y（k） ec（k）=e（k）-e（k-1） e（k），ec（k）模糊化 模糊整定△kp，△ki，△kd 计算当前kp，ki，kd PID控制器输出 返回 图5-6 51 6结论与展望 近年来，智能控制系统在我国锅炉控制领域得到广泛使用，这为先进控制策略的应用创造了良好外部条件。另一方面，PID控制器在各个行业广泛应用，但是对于某些特殊锅炉的控制回路来说已经不能满足要求，难以达到满意的控制效果。因此，由先进的智能化控制策略取代传统的常规PID控制已成为未来控制系统发展的必然趋势。 针对工业锅炉的生产情况，以解决现场实际运行中存在的控制问题为出发点，从热工系统普遍存在的大时滞、特性时变、非线性等特点出发，力图解决大滞后、大惯性对象控制系统品质差，这一长期困扰生产企业的难题，并为今后控制系统的发展进行了一些探索工作，归纳如下： 1.在常规PID控制算法的基础上引入模糊PID控制算法。系统在发生扰动的情况下，控制器采用模糊PID控制策略；其中改进基本PID调节器为模糊PID调节器，提高了PID控制器的工作范围，同时也提高了系统在恶劣工况下的抗干扰能力和控制系统的鲁棒性能，保证了生产过程的稳定和安全运行。 2.将先进智能控制算法推广到单片机控制系统中，开发了融于单片机的控制系统硬件与软件，并实际应用于锅炉过热蒸汽温度控制系统中，取得了良好的控制效果。在节约硬件投资的情况下，提供了一个在单片机系统中应用先进智能控制策略取代传统常规控制的思路。采用新的控制器和先进控制策略后系统的控制性能得到大幅度的提高。 3.本文通过提出的模糊PID算法在过热蒸汽温度控制系统中成功应用，充分表明了这种控制策略在解决过热蒸汽温度存在的大滞后、时变性等热工方面的控制难题的有效性。为解决相关问题提供了很好的借鉴，有着积极意义。 另一方面，由于时间和条件的限制，本文所进行的工作只是对控制策略和控制算法研究及其在锅炉过热蒸汽温度控制系统中实际应用的初步探索，存在许多不足和不完善之处，有待进一步的研究和改进。今后的工作主要有如下几个方面： 52 1.对锅炉过热蒸汽温度控制系统的控制要求进行了解分析；对模糊理论及模糊控制还有相当多的知识未能充分了解和掌握，需要进一步深入研究。 2.对管道、阀门等现场仪器、仪表和工艺流程等都需要进一步熟悉。 3.模糊PID算法在随机干扰情况下的收敛性，需要将原自适应问题扩展到随机自适应问题。 4.研究新条件下特别是在对象没有自平衡能力情况下的控制算法。 5.模糊控制等先进控制方法进一步结合，研究控制器的自校正控制问题，采取与PID完全不同的控制策略，将自适应控制算法进一步推广到生产现场。 6.还可以将控制系统同执行器做些深入研究，将控制系统直接做到控制器上，会更经济直接。 7.对于温度传感器的选择，由于理论与实际情况的不同，在实际控制现场应该选择更好的温度传感器。 53 参考文献 [1]余发山.自动控制系统.徐州：中国矿业大学出版社，2003 [2]胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2001 [3]邱关源、罗先觉.电路.北京：高等教育出版社，2006 [4]张亮明.工业锅炉自动控制．北京：中国建筑工业出版社，1987 [5]邵裕森.过程控制工程.北京：机械工业出版社，2000 [6]侯志林.过程控制与自动化仪表．北京：机械工业出版社，2000 [7]王新.微型计算机控制技术.北京：中国电力出版社，2009 [8]杨凌霄.微型计算机原理及应用.北京：中国电力出版社，2008 [9]艾永乐.数字电子技术基础.北京：中国电力出版社，2008 [10]艾永乐.模拟电子技术基础.北京：中国电力出版社，2008 [11]余发山.单片机原理及应用技术.徐州：中国矿业大学出版社，2008 [12]董爱华.检测与转换技术.北京：中国电力出版社，2007 [13]崔艳.智能模糊PID控制系统研究与设计.太原：太原理工大学硕士论 文，2005 [14]廉小亲.模糊控制技术.北京：中国电力出版社，2003 [15]姜忠良.陈秀云.温度的测量与控制.北京：清华大学出版社，2005 54 致谢 为期两个多月的毕业设计在紧张而忙碌中结束了，回顾这段时间，收获颇多。此次的设计是在陶老师的精心指导下认真完成的，陶老师渊博的知识，认真的工作态度使我受益匪浅。在整个设计过程中，遇到了很多疑点和难点，这些问题都在老师的耐心指导下一一解决的。同时，陶老师对设计做了详细的审阅和修改，使得本设计得以更加圆满。在此向陶老师和其他老师表示衷心的感谢，并向在设计过程中给了我各种帮助的同学们献上我真诚的谢意。 在整个设计过程中，我体会到了应用所学知识的乐趣，同时在实践过程中也才知道自己所学知识的浅显和不扎实，许多东西要重新仔细阅读相关资料才能会应用。通过本次设计，巩固温习了以前所学的知识，同时扩大了自己的知识面，了解了书本以外比较前沿的科技，拓宽了自己的视野，夯实了自己的专业知识，并且能够与其他学科紧密连接起来，做到学以致用。 虽然本设计得以圆满完成，但其中也不免有许多不妥之处，恳请各位专家、教授、老师给予指正，使之更加完美。在以后的工作岗位上，我也会更加严格的要求自己，给母校争光，争做一名社会的栋梁之才！ 55 为温度调整确定键。 附录1 系统硬件原理图 图中K1为查看温度设定键，K2为温度值增加键，K3为温度值减少键，K4 56 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容