【文章內(nèi)容簡介】 大比重，因此簡單的設(shè)計方法往往難以滿足要求，需采用規(guī)范的實時系統(tǒng)設(shè)計方法(如模塊化設(shè)計方法)，根據(jù)用戶需求進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的綜合描述，建立詳細(xì)的系統(tǒng)用戶需求模型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及系統(tǒng)規(guī)范文件，然后再去具體的實現(xiàn)。實時系統(tǒng)設(shè)計的主要特點體現(xiàn)為層次性(Hierarchical )和重復(fù)性( Iterative)，前者表示系統(tǒng)開發(fā)過程依據(jù)一定的層次規(guī)程，后者表示系統(tǒng)開發(fā)中不斷反復(fù)考慮用戶需求。復(fù)雜實時系統(tǒng)設(shè)計的主要問題是控制策略的設(shè)計，即整個系統(tǒng)需求模型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計。其具體設(shè)計規(guī)程包括:用戶需求模型設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計:系統(tǒng)硬件設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計。系統(tǒng)集成測試。實時系統(tǒng)的特點決定了其設(shè)計方法，在每一步的設(shè)計過程中都要采用相應(yīng)的輔助工具，例如在系統(tǒng)要求模型設(shè)計時，要建立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖DFD和過程規(guī)程PSPEC、控制流圖CFD和控制規(guī)程PSPEC，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計時，采用結(jié)構(gòu)流圖AFD和結(jié)構(gòu)模塊規(guī)程AMS以及結(jié)構(gòu)詞典AD、結(jié)構(gòu)連接圖AID和結(jié)構(gòu)連接規(guī)程AIS等作為輔助工具，通過需求模型和結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計進(jìn)而提出整個系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，用以指導(dǎo)下一步的硬軟件設(shè)計。鍋爐是一個較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，為保證提供合格的蒸汽適應(yīng)負(fù)荷的變化，生產(chǎn)過程主要參數(shù)必須嚴(yán)格控制。主要調(diào)節(jié)量有：負(fù)荷、鍋爐給水、燃料量、減水量、送風(fēng)等。主要輸出量有：汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過?？諝獾?。這些輸入量與輸出量之間是互相制約的。例如，蒸汽負(fù)荷變化，必然會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度的變化；燃料量的變化，不僅影響蒸汽壓力，還會影響汽包水位，過熱蒸汽溫度、空氣量和爐膛負(fù)壓等。對于這樣復(fù)雜的對象，工程處理上作了一些簡化，將鍋爐控制劃分為若干個調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)有：汽包水位，燃燒和爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)。 鍋爐給水控制回路 給水自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水流量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，以維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。給水自動調(diào)節(jié)的另一個任務(wù)是保持給水穩(wěn)定。在整個控制回路中要全面考慮這兩方面的任務(wù)。在控制回路中被調(diào)參數(shù)是汽包水位（H），調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是給水調(diào)解閥，調(diào)節(jié)量是給水流量（W）。對汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動的因素有蒸發(fā)量D、爐膛熱負(fù)荷（燃料量M），給水量（W）。1. 蒸發(fā)量D擾動作用下水位對象的動態(tài)特性。當(dāng)給水流量不變，蒸發(fā)量忽然增加△D時，如果只從物質(zhì)不平衡角度來看，則反映曲線如圖31(a)中的H1(t)所示，但由于蒸發(fā)量增加時，汽包容積增加，水位將上升，水位的反映曲線如圖31 (a)中的H2(t) 所示。H1(t)和H2(t)相結(jié)合，實際的水位階躍反應(yīng)曲線如圖31 (a)中的H(t)所示。 2. 爐膛負(fù)荷擾動（燃料量M擾動）時水位對象的動態(tài)特性。燃料量增加△M時，蒸發(fā)量大于給水量，水位下降。但開始是由于有虛假水位存在，水位線上升，然后再下降。如圖31 (b)中所示。3. 給水流量（W）擾動時的水位對象的動態(tài)特性。當(dāng)蒸發(fā)量不變，而給水量階躍擾動時。汽包水位如圖2(c)所示。在開始階段。由于剛進(jìn)入得水水溫較低。使汽水混合物中的汽泡吞吐量減少。水位下降，如圖31 (c)中的H1(t)所示。而H2(t)反映了物質(zhì)不平衡引起的水位變化，H1(t)和H2(t)相加得到了總的給水量擾動的階躍反應(yīng)曲線H(t)。 圖31 汽泡給水控制回路動態(tài)特性圖 由于給水調(diào)節(jié)對象沒有自平衡能力，又存在滯后。因此在一般鍋爐控制系統(tǒng)中汽包液位回路采用閉環(huán)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。所謂三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是把給水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三個變量通過運算后調(diào)節(jié)給水閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。具體調(diào)節(jié)過程方框圖如圖32所示。 圖32 調(diào)節(jié)過程方框圖 先通過蒸汽流量變送器和給水流量變送器取得各自的信號乘以相應(yīng)的比例系數(shù)，通過比例系數(shù)可以調(diào)節(jié)蒸汽流量或給水流量對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響力度。通過差壓變送器取得水位信號作為主調(diào)節(jié)信號H。如果水位設(shè)定值為G，那么在平衡條件下應(yīng)有D*DkW*Wk+HG=0的關(guān)系式存在。其中Dk為蒸汽流量系數(shù) Wk為給水流量系數(shù)。如果再設(shè)定時，保證在穩(wěn)態(tài)下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。此時調(diào)節(jié)器的輸出就與符合對應(yīng)，給水閥停在某一位置上。若有一個或多個信號發(fā)生變化，平衡狀態(tài)被破壞，PI調(diào)節(jié)模塊的輸出必將發(fā)生變化。當(dāng)水位升高了，則調(diào)節(jié)模塊的輸出信號就減小，使得給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小。反之，當(dāng)水位降低時，調(diào)節(jié)模塊的輸出值增大，使給水閥開大。實踐證明三沖量給水單極自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)能保持水位穩(wěn)定，且給水調(diào)節(jié)閥動作平穩(wěn)。 鍋爐給水系統(tǒng)中還有一個比較重要的控制回路是給水壓力回路，因為汽包內(nèi)壓力較高，要給鍋爐補(bǔ)水必須提供更高的壓力，給水壓力回路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。但在蒸汽流量未達(dá)到滿負(fù)荷時，對給水流量的要求也不高。在老式的鍋爐系統(tǒng)中一般采用給水泵一直以工頻方式運轉(zhuǎn)，用回流閥降低水壓防止爆管，現(xiàn)在一般采用通過變頻器恒壓供水的方式控制水壓。 鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)燃燒過程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的選擇雖然與燃燒的種類和供給系統(tǒng)、燃燒方式以及鍋爐與負(fù)荷的聯(lián)結(jié)方式都有關(guān)系，但是燃燒過程自動調(diào)節(jié)的任務(wù)都是一樣的。歸納起來，燃燒過程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三大任務(wù)： ① 維持汽壓恒定。汽壓的變化表示鍋爐蒸汽量和負(fù)荷的耗汽量不相適應(yīng)，必須相應(yīng)地改變?nèi)剂狭?，以改變鍋爐的蒸汽量。 ② 保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)燃料量改變時，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使它與燃料量相配合，保證燃燒過程有較高的經(jīng)濟(jì)性。 ③ 調(diào)節(jié)引風(fēng)量與送風(fēng)量相配合，以保證爐膛壓力不變。燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般有三個被調(diào)參數(shù)，汽壓p、煙氣含氧量a和爐膛負(fù)壓pt。一般有3個調(diào)節(jié)量，他們是燃料量M，送風(fēng)量F和引風(fēng)量Y。燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象對于燃料量，根據(jù)燃料種類的不同可能是爐排電機(jī)，也可能是燃料閥。對于送風(fēng)量和引風(fēng)量一般是擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)或變頻器。燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個多參數(shù)變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常把它簡化成互相聯(lián)系，密切配合但又相對獨立的3個單變量系統(tǒng)來實現(xiàn)。為便于分析，下面我們按3個系統(tǒng)來分別分析。這三個系統(tǒng)分別是以燃料量維持鍋爐壓力恒定的蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以送風(fēng)量維持鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒的送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以引風(fēng)量維持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定的爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)[21]。一．蒸汽壓力調(diào)節(jié)對象的特性引起蒸汽壓力變化的主要原因是燃料量和用汽負(fù)荷發(fā)生變化。其動態(tài)特性如下。 1. 燃料量擾動下的汽壓變化特性 。在用汽負(fù)荷不變的情況下，如鍋爐燃料量(B)發(fā)生△B的階躍擾動，此時汽壓的飛升曲線如圖33 (a)所示。此時對象沒有自平衡能力，具有較大的遲滯和慣性。但如果鍋爐出口的用汽閥門開度不變，那么由于汽壓因燃料量擾動而發(fā)生變化時，蒸汽流量也將發(fā)生變化。由于汽壓變化時，蒸汽流量增大自發(fā)地限制了汽壓的變化，因此對象有平衡能力。此時汽壓的飛升曲線如圖33 (b)所示。 2. 用汽負(fù)荷擾動下的汽壓變化特性。負(fù)荷階躍擾動下，汽壓變化的動態(tài)特性也有下列兩種情況：當(dāng)用汽閥門階躍擾動時，對象表現(xiàn)出具有自平衡能力，沒有延遲，但有較大的慣性，并有一個與閥門變化成比例的啟始飛躍，飛升曲線如圖33 (c)所示；當(dāng)用汽量階躍擾動時，其飛升曲線如圖33 (d)所示，此時對象沒有自平衡能力，如果不及時增加進(jìn)入鍋爐的燃料量，那么，汽壓將一直下降。圖33 氣壓調(diào)節(jié)對象 PID 控制算法本文用8031單片機(jī)實現(xiàn)控制，為了便于用戶根據(jù)不同的實際需要對工作方式及其他參數(shù)組態(tài)進(jìn)行修改，要求所有的參數(shù)及組態(tài)狀況均可通過面板的幾個操作鍵輸入、檢查、修改，并可在斷電情況下，使參數(shù)保存半年。為了便于與上級計算機(jī)構(gòu)成兩級控制系統(tǒng)，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中還加入了通信功能。采用RS232接口，通信速率為1200b/S、2400b/S、4800b/s和9600b/s等四種波特率，由用戶通過鍵盤自行按需要選擇。系統(tǒng)的測量值和所有設(shè)定參數(shù)均由LED數(shù)碼管直接顯示，讀數(shù)清晰，直觀?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖34所示。圖34控制器結(jié)構(gòu) PID 簡介一、PID 調(diào)節(jié)器按照偏差的比例，積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，叫 PID 調(diào)節(jié)器。它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。結(jié)構(gòu)簡單，易于參數(shù)調(diào)整。二、PID 調(diào)節(jié)器的特點比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器的優(yōu)點是反映快，對于干擾有及時而有效的抑制作用。但它有一個不可避免的缺點，即存在靜態(tài)誤差。一旦被調(diào)量偏差不存在，調(diào)節(jié)器輸出也就為零。即調(diào)節(jié)作用是以偏差的存在為前提的。積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點是只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強(qiáng)直到偏差為零。偏差消除以后，輸出將停留在新的位置上，而不回復(fù)原位。因而能保持靜差為零。它的缺點是動作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)準(zhǔn)確度的同時，往往使調(diào)節(jié)動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間延長，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。微分調(diào)節(jié)器它的優(yōu)點是能在偏差信號出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽之中[12]。缺點是它對靜態(tài)偏差毫無抑制作用。以上三種調(diào)節(jié)器組合起來，組成比例+積分+微分作用的調(diào)節(jié)器，稱 PID 調(diào)節(jié)器。這種 PID 調(diào)節(jié)器，其微分作用主要用來加快系統(tǒng)的動作速度，減少超調(diào)，克服振蕩。積分作用主要用來消除靜差。PID 調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點為：（1）技術(shù)成熟PID 調(diào)節(jié)器是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，且應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的 PID 還可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種 PID 的變種，如 PI、PD 等。（2）易被人們熟悉和掌握生產(chǎn)技術(shù)人員及操作人員都比較熟悉它并在實踐中積累了豐富的經(jīng)驗，特別是一些工作時間較長的工程技術(shù)人員。（3）不需求出數(shù)學(xué)模型到目前為止，仍有許多工業(yè)對象很難或根本得不到數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用直接數(shù)學(xué)控制方法比較困難甚至根本不可能，所以必須用 PID算法。（4）控制效果好計算機(jī)控制是高效的，對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，是近似于連續(xù)變化的。因此用數(shù)字 PID 完全可以替代模擬調(diào)節(jié)器。所以數(shù)字方式模擬 PID 仍是目前應(yīng)用比較廣泛的方法[3]。 PID控制算法的改進(jìn)在實際控制系統(tǒng)中，控制變量實際輸出值往往受到執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能的約束（如放大器的飽和），而被限制在有限的范圍內(nèi)，即： (31)其變化也限制在一定范圍內(nèi)，即： (32)如果計算機(jī)輸出的控制變量n在上述范圍內(nèi)，那么 PID 控制可以達(dá)到預(yù)期的效果。一旦超出上述范圍（如超出蒸汽閥門的最大開度），則實際執(zhí)行的控制量就不再是計算值，由此將引起不期望的效應(yīng)，稱為飽和效應(yīng)。為了克服積分飽和，有以下幾種改進(jìn)的 PID控制算法，下面分析介紹。一、遇限制削弱積分法這種方法的思想是：一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，停止增大積分項。具體說，在算時，特別注意上一時刻的控制量yi1是否超出限制。如果已超出，那么將根據(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否應(yīng)將相應(yīng)偏差計入積分區(qū)，如圖 35 所示：圖 35 遇限制削弱積分法克服積分飽和圖36采用遇限制積分削弱法PID算法框圖 二、積分分離法減小積分飽合的關(guān)鍵在于不能使積分項過大，上面的修正方法是一開始就積分，在進(jìn)入限制范圍內(nèi)即停止積累。積分分離法在開始時不進(jìn)行積分，直到偏差達(dá)到一定值后才開始進(jìn)行積分。如圖 37所示（a不采用積分分離法，b采用積分分離法）。當(dāng)誤差的絕對值小于預(yù)定的門限值時，才進(jìn)行積累。圖 37 積分分離法克服積分飽和這樣一方面防止了一開始就有過大的控制量，另一方面即進(jìn)入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調(diào)。積分分離法框圖如圖 37 所示。當(dāng)誤差在門限外時，該算法相當(dāng)于比例微分調(diào)節(jié)器。只有在門限范圍內(nèi)，積分才會起作用，以消除系統(tǒng)誤差。圖 37 采用積分分離法框圖三、有效偏差法當(dāng)控制量u超出范圍時，控制量實際上只能取邊界值，即 或 (33)有效偏差法是將相應(yīng)于實際輸出的控制變量的誤差值計入積分項，而不是將實際測得的誤差值計入積分項。當(dāng)計算出的控制量超出限制范圍時，如果實際實現(xiàn)的控制量為u =u （上限值或下限值），則當(dāng)u時應(yīng)有效誤差可按下式計算出，即： (34)有效偏差法程序框圖如圖 39 所示。在 PID 位置算法中，除了對控制量的限制外，對控制量變化率的限制也會引起飽和，可用類似的方法加以消除。本次設(shè)計中為了克服積分飽和，我們采用了積分分離法。圖 39 有效偏差的算法程序框圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)的控制功能實現(xiàn)對鍋爐汽包水位，蒸汽壓力，風(fēng)／油比值，煙氣含氧量和爐膛壓力的控制。對于過熱蒸汽鍋爐，這能實現(xiàn)對過熱蒸汽溫度的控制。保證了生產(chǎn)的安全，達(dá)到降低油耗，提高自動化水平的目的。 工業(yè)過程控制機(jī)的硬件設(shè)計本系統(tǒng)采用專用設(shè)計方式。利用芯片，設(shè)計出一個專用系統(tǒng)。它的配置包括 CPU，采用單片機(jī) MC51 系列的 8031 芯片[22]。外部擴(kuò)展 ROM 為 2732，外部 RAM 采用芯片 6116，D/A 轉(zhuǎn)換采用 DACO832，A/D 轉(zhuǎn)換采用 ADC0809。一、芯片介紹與連接 簡介 MCS51 單片機(jī)為 40 腳芯片。其引腳功能可分為三部分：（1）I/O 口線：P0、PPP3共 4 個 8 位口。（2）控制總線：PSEN ，片外取指控制；ALE，地址鎖存控制；EA 片外存儲器選擇；RESET：復(fù)位控制。（3）電源及時鐘：VCC、VSS、XTALXTAL2 其應(yīng)用特性如下：I/O 口線不能都用作用戶 I/O 口線，除 8058751 外，其它可以完全為用戶使用的只有 P1，以及作為多功能使用的 P3口。I/O 口中，P0口可驅(qū)動 8 個 TTL 門電路，PPP3口只能驅(qū)動4 個 TTL 門電路。P8 口具有雙重功能。在 MCS51 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，外部程序存儲器有單獨的地址編號（0000H－FFFFH）、雖然與數(shù)據(jù)存儲器地址重疊，但不會被占用，它使用單獨的控制信號和指令。程序存儲器的指令