【文章內容簡介】 種方案的優(yōu)點是配備靈活，擴充方便，規(guī)?？纱罂尚?，維修容易 。用戶不必進行硬件設計。然而，缺點是提供的系統(tǒng)軟件和應用軟件少。用戶對軟件開發(fā)的工作量大，模板與硬件資源得不到充分發(fā)揮。 新型計算機控制系統(tǒng)方案 用戶以芯片開始，設計出控制系統(tǒng)所需要的專用計算機。這種方案的好處是針對性強、靈活方便。所用元器件最少，硬件、軟件資源都能得到充分利用。系統(tǒng)性能價格比高。缺點是硬件、軟件都需要用戶從頭全部設計，工作量大，設計周期長，要求設計者具有熟練的硬件和軟件知識。這種方案以各種 CPU 或單片機為核心，構成系統(tǒng)，特別適用于智能儀器儀表及小型控制系統(tǒng)。目前，各種 單片機控制系統(tǒng)是這種方案的主流。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 9 系統(tǒng)的相關配置 本系統(tǒng)采用專用設計方式。利用芯片，設計出一個專用系統(tǒng)。它的配置包括 CPU，采用單片機 MC51 系列的 8031 芯片。外部擴展 ROM 為 2732，外部 RAM 采用芯片 6116， D/A 轉換采用 DACO832， A/D 轉換采用 ADC0809。 燃油鍋爐的控制方法 一、實時控制系統(tǒng) 實時是指計算機對外來信息要以足夠快的速度進行處理，并在一定時間內做出反應，也就是說對外來信息及時的接收、分析、處理并給出反應。 實時系 統(tǒng)可簡單的定義為能在規(guī)定時間內完成所有信號采集控制功能的控制系統(tǒng)，其控制部分是由外部事件觸發(fā)的。但是這個定義并不充分，它僅描述了其主要特征，實時控制系統(tǒng)計算和控制的反應時間必須嚴格限制在被控對象允許的范圍(有效采集控制時間 )內，在此時間內控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不會發(fā)生有效的變化，系統(tǒng)必須對這些變化做出及時的響應，以保證系統(tǒng)能有效的避免干擾，這就涉及到了系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化的速度和響應速度之間的關系，只有系統(tǒng)的反應時間在有效范圍之內才能稱為實時，實時系統(tǒng)必須建立在具有快速處理能力的計算機系統(tǒng)的基礎上。因此，實時控制 系統(tǒng)就是對實時性有苛刻要求的計算機控制系統(tǒng) [13]。 二、設計要點 根據(jù)工業(yè)鍋爐現(xiàn)有的運行條件和微計算機的特點，在設計其微計算機控制系統(tǒng)時，要著重考慮如下幾個方面： 在生產企業(yè)中，工業(yè)鍋爐通常是現(xiàn)代化連續(xù)生產的重要環(huán)節(jié)之一。一旦鍋爐出現(xiàn)故障以至停止供汽，將嚴重影響生產的其它環(huán)節(jié)，造成極大的損失。因此，在設計和實施中都應該把可靠性擺在第一位。 多數(shù)工業(yè)鍋爐用戶維護計算機的技術力量都比較薄弱，設計硬件時應盡可能簡化硬件系統(tǒng)。要具有較好的可維護性，盡可能以軟件代替硬件，以簡化硬件系統(tǒng)，減少維護量，提高可靠 性，還須有行之有效的自診斷和容錯措施。 要充分考慮到司爐工人的文化水平和技術水平的現(xiàn)狀，因為要求所有的使 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 10 用人員具有計算機的知識和操作技能是不切實際的。所以微計算機系統(tǒng)的使用和操 作方法要越簡單越好。例如，采用簡單的操作方法， CRT 顯示采用漢字方式等。 必須具有較高的性能價格比，這樣才能有維護應用的價值。 三、 設計方法 在設計小型控制系統(tǒng)時，一般是在提出系統(tǒng)指標要求后就開始著手硬件的設計制作和軟件的編寫。然而對于復雜的實時控制系統(tǒng)，其難點在于設計規(guī)范的建立，系統(tǒng)規(guī)范的設計工作量在系統(tǒng)的整個項目的 開發(fā)設計中占很大比重，因此簡單的設計方法往往難以滿足要求，需采用規(guī)范的實時系統(tǒng)設計方法 (如模塊化設計方法 )，根據(jù)用戶需求進行系統(tǒng)結構的綜合描述，建立詳細的系統(tǒng)用戶需求模型、系統(tǒng)結構模型及系統(tǒng)規(guī)范文件，然后再去具體的實現(xiàn)。 實 時 系 統(tǒng) 設 計 的 主 要 特 點 體 現(xiàn) 為 層 次 性 (Hierarchical) 和 重 復 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)中不斷反復考慮用戶需求。復雜實時系統(tǒng)設計的主要問題是控制策略的設計，即整個系統(tǒng)需求模型和系統(tǒng)結構模型的設計。其具體設計規(guī)程包括 :用戶需求模 型設計 。系統(tǒng)結構模型設計 :系統(tǒng)硬件設計 。系統(tǒng)軟件設計 。系統(tǒng)集成測試。 實時系統(tǒng)的特點決定了其設計方法，在每一步的設計過程中都要采用相應的輔助工具，例如在系統(tǒng)要求模型設計時，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)的結構模型設計時，采用結構流圖 AFD 和結構模塊規(guī)程 AMS 以及結構詞典 AD、結構連接圖 AID 和結構連接規(guī)程 AIS等作為輔助工具，通過需求模型和結構模型的設計進而提出整個系統(tǒng)的技術指標，用以指導下一步的硬軟件設計。 鍋爐是一個較復雜的調節(jié)對象，為保證提供 合格的蒸汽適應負荷的變化，生產過程主要參數(shù)必須嚴格控制。主要調節(jié)量有：負荷、鍋爐給水、燃料量、減水量、送風等。主要輸出量有：汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、過剩空氣等。這些輸入量與輸出量之間是互相制約的。例如，蒸汽負荷變化，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、空氣量和爐膛負壓等。對于這樣復雜的對象，工程處理上作了一些簡化，將鍋爐控制劃分為若干個調節(jié)系統(tǒng)。主要調節(jié)系統(tǒng)有：汽包水位，燃燒和爐膛負壓調節(jié)。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 11 燃油 鍋爐控制系統(tǒng)的理論 PID 控制理論 本文用 8031 單片機實現(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構成兩級控制系統(tǒng)，在單片機控制系統(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構如圖 22所示。 P I D控 制 器執(zhí)行機構被控過程參 數(shù) 檢 測 與 變 送 eW給 定 值++Y 圖 22 PID 控制結構空圖 一、 PID 調節(jié)器 按照偏差的比例，積分和微分進行控制的調節(jié)器，叫 PID 調節(jié)器。它是連續(xù)系統(tǒng)中技術成熟，應用最為廣泛的一種調節(jié)器。結構簡單，易于參數(shù)調整。 二、 PID 調節(jié)器的特點 比例調節(jié)器 比例調節(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。一旦被調量偏差不存在，調節(jié)器輸出也就為零。即調節(jié)作用是以偏差的存在為前提 的。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 12 積分調節(jié)器 積分調節(jié)器的優(yōu)點是只要被調量存在偏差，其輸出的調節(jié)作用便隨時間不斷加強直到偏差為零。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)準確度的同時，往往使調節(jié)動態(tài)品質變壞，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，產生強烈的調節(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。 以上三種調節(jié)器組合起來，組成比例 +積分 +微 分作用的調節(jié)器，稱 PID 調節(jié)器。這種 PID 調節(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，克服振蕩。積分作用主要用來消除靜差。 PID 調節(jié)器的突出優(yōu)點為： （ 1）技術成熟 PID 調節(jié)器是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟，且應用最廣泛的一種控制方法。它結構靈活，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 生產技術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驗，特別是一些工作時間較長的工程技術人員。 （ 3）不需求出數(shù)學模 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)學模型。應用直接數(shù)學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節(jié)器。所以數(shù)字方式模擬 PID 仍是目前應用比較廣泛的方法 [3]。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 13 PID 控制理論擴展 在實際控制系統(tǒng)中，控制變量實際輸出值往往受到執(zhí)行機構性能的約束（如放大器的飽和），而被限制在有限的范圍內，即： yy y m axm in ?? (式 31) 其變化也限制在一定范圍內，即： yy?|| max (式 32) 如果計算機輸出的控制變量 n 在上述范圍內，那么 PID 控制可以達到預期的效果。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，稱為飽和效應。為了克服積分飽和，有以下幾種改進的 PID 控制算法，下面分析介紹。 一、遇限制消弱積分法 這種方法的思想是：一 旦控制變量進入飽和區(qū)，停止增大積分項。具體說，在算 Ui 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)輸出是否在超調區(qū)域，由此決定是否應將相應偏差計入積分區(qū)，如圖 23 所示： 圖 23 遇限制消弱積分法克服積分飽和 e 0e 00Umaxttyw0長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論 文） 14 圖 24 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，在進入限制范圍內即停止積累。積分分離法在開始時不進 行積分，直到偏差達到一定值后才開始進行積分。如圖 25 所示（ a 不采用積分分離法， b 采用積分分離法）。當誤差的絕對值小于預定的門限值時，才進行積累。 計算誤差根據(jù)增量式 PID 算式計算比例及積分量Ui Umin ?Ui Umax ?Ei o ?Ti 0 ?計算積分輸出控制入口Y出口NNNYYYN長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論 文） 15 圖 25 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，另一方面即進入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調。積分分離法框圖如圖 26 所示。當誤差在門限外時，該算法相當于比例微分調節(jié)器。只有在門限范圍內，積分才會起作用，以消除系統(tǒng)誤差。 圖 26 采用積分分離法框圖 輸出控制計算微分項根據(jù)增量 PID 算法計算比例及積分項計算誤差Ei eYN入口出口abw0ty長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論 文） 16 三、有效偏差法 當 控制量 u 超出范圍時，控制量實際上只能取邊界值，即 uu max? 或 uu min? (式 33) 有效偏差法是將相應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），則有效誤差可按下式計算出，即為（式 34）。 有效偏差法程序框圖如圖 27 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。本次設計中為了克服積分飽和，我們采用了積分分離法。 （式 34） 圖 27 有效偏差的算法程序框圖 TTdTiTeiTTiejTiTkp ijxx ue//11*//)(*/1 10?????? ???按增量式計算 Uu = uz* ei累計 ei 積分項 ， 給出控制變量U = UmaxU = UminU Umax ?U Umin ?入口出口NYNY長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論 文） 17 第 3 章 燃油鍋爐控制系統(tǒng)的硬件設計 鍋爐控制系統(tǒng)的目的 實現(xiàn)對鍋爐汽包水位，蒸汽壓力，風／油比值，煙氣含氧量和爐膛壓力的控制。