【正文】 13 化小的小型鍋爐，單沖量水位控制系統(tǒng)可以保證鍋爐的安全運(yùn)行。 ，將使控制器反向錯(cuò)誤動(dòng)作。等到虛假水位消失時(shí)，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)厲害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊唤档轿ｋU(xiǎn)程度而發(fā)生事故。 。由于控制緩慢，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。當(dāng)給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，同樣需等水位發(fā)生變化時(shí)才起控制作用，干擾克服不及時(shí) [ 4 ]。 雙沖量 控制系統(tǒng) 針對(duì)單沖量控制系統(tǒng)不能刻服的虛假水位的影響，如果引入蒸汽流量來(lái)起校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動(dòng)作，而且也能使控制閥及時(shí) 動(dòng)作，從而減小水位的波動(dòng)，大大改善了控制品質(zhì)。其中一個(gè)沖量是汽包水位，另一個(gè)沖量是蒸汽流量。 14 圖 26 雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖 調(diào) 節(jié) 閥液 位 變 送 器汽 包 水 位蒸 汽 流 量 變 送 器調(diào) 節(jié) 器++水 位 設(shè) 定 值汽 包 水 位蒸 汽 流 量 DI cI f 圖 27 雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及框圖 雙沖量控制由于有以上特點(diǎn)，所以能在負(fù)荷頻繁變化的工程下較好的完成水位控制任務(wù)。 雙沖量水位控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題是：控制作用不能及時(shí)的反映給水方面的擾動(dòng)，當(dāng)給水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，要等到汽包水位變化時(shí)才通過(guò)調(diào)節(jié)器作用執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，滯后時(shí)間長(zhǎng)，水位波動(dòng)較大。 15 三沖量 控制系統(tǒng) 雙沖量水位控制相對(duì)于單沖量控制，控制品質(zhì)有很大改善。為此，可在雙沖量水位控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把給水流量信號(hào)引入，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。它是以汽包水位 H 為主控信號(hào)，其中蒸汽流量 D 為前饋控制信號(hào)，給水流量 W 為反饋控制信號(hào)組成的控制系統(tǒng)。例如，當(dāng)耗氣量 D 突然階躍增大時(shí)，一方面由于假水位現(xiàn)象水位會(huì)暫時(shí)升高，它使調(diào)節(jié)器錯(cuò)誤地指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)減少給水量；另一方面， D 的增大又通過(guò)比值控制作用指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加給水量。當(dāng)假水位現(xiàn)象消失后，水位和蒸汽信號(hào)都能正確地指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。從另一個(gè)角度來(lái)看，這也是一個(gè)前饋 —反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖為圖 28 所 示。與單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)相比其不足是：系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、不容易整定 [ 6 ]。其具有如下優(yōu)點(diǎn)： ，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對(duì)快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確 性的要求。 建立數(shù)學(xué)模型 現(xiàn)在把圖 28 所示的控制系統(tǒng)以傳遞函數(shù)方框圖的形式重畫(huà)成圖 29。 從系統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一個(gè)由給水流量 W、給水變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的內(nèi)回路；另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。 汽包水位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得： 18 該對(duì)象輸入為給水流量，輸出為鍋爐汽包水位，可近似為無(wú)自衡非振蕩過(guò)程。為了提高仿真的速度，取n=1。因此給水流量 W與水位 H 的傳遞函數(shù)為： ??sGp = ? ?? ? ? ? ?? sssW sH （ 211） 在蒸汽流量單位階躍擾動(dòng)下，水位變化的響應(yīng)速度smmK f ? ，增益系數(shù) ?K ,滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) sT ? ，n=2，故蒸汽流量 D 與水位 H 的傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?? ? ? ? sssD sHsG D 074 2 ???? （ 212） 測(cè)量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 測(cè)量變送環(huán)節(jié)由于存在一定的容量滯后，所以它的特性可以用一階慣性環(huán)節(jié)（非周期環(huán)節(jié)）來(lái)描述，其傳遞函數(shù)為 ? ? 1?? sTKsG m mm （ 213） 式（ 213）中 mK —為測(cè)量變送環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，與其量程有關(guān)； mT —為測(cè)量變送環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，與其容量有關(guān)。此時(shí)描述測(cè)量變送環(huán)節(jié)特性的傳遞函數(shù)可寫(xiě)成 : ? ? sm mm mesT KsG ???? 1 （ 214） 在控制系統(tǒng)分析時(shí)，考慮到 mT 、 m? 值相對(duì)于被控過(guò)程特性有時(shí)是較小的，甚至可忽略不計(jì)，此時(shí)測(cè)量變送環(huán)節(jié)就被近視作為一個(gè) 19 放大環(huán)節(jié)（ mK ）來(lái)處理。他的特性經(jīng)常也用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述，傳遞函數(shù)為 : ? ? 1?? sTKsG v vv （ 215） 式（ 215）中： vK —為執(zhí)行器的放大倍數(shù)； vT —為執(zhí)行器的時(shí)間常數(shù) ； 同測(cè)量變送環(huán)節(jié)一樣，在控制系統(tǒng)分析時(shí)，考慮到 vT 值相對(duì)于被控過(guò)程有時(shí)較小或可忽略不計(jì)，此時(shí)執(zhí)行器也被近視作為一個(gè)放大環(huán)節(jié) ( vK )來(lái)處理 [ 8]。 選用的流量變送器的量程為 500T/h，液位變送器的量程為600mm 水柱，所有變送器均采用的 DD ZIII 型組合儀表，其標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為 4～ 20mADC 。 流量變送器 轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算 根據(jù)控制方案可知流量變送器用于測(cè)量給水流量和蒸汽流量，這兩個(gè)信號(hào)可以有效的改善控制質(zhì)量，因此合理選擇流量傳感器是 20 很重要的。 wK =? ? ? ? ??? （ 216） 根據(jù)所給設(shè)計(jì)的目標(biāo)，蒸汽流量測(cè)量范圍： 0～ 500T/h，選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的蒸汽流量為 500T/h，輸出量程為 4～ 20mA。 選擇線性電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，輸入量程為 4～ 20mA，輸出量程為 0～550T/h。合理地選擇水位變送器在水位控制系統(tǒng)中有關(guān)鍵作用。 根據(jù)題目所給的余熱鍋爐汽包水位測(cè)量范圍： 300～ 300mm，輸出為 4～ 20mA。 圖 31 為三沖量余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)整體框圖。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或水位越限時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)將啟動(dòng)，待排除故障后系統(tǒng)恢復(fù)自動(dòng)控制方式。 22 A/D 轉(zhuǎn)換電路 通過(guò)傳感 器檢測(cè)到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波后，必須將連續(xù)變化的模 擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，才能輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)采用的是串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC1543。其中A0～ A10 為 11 個(gè)模擬輸入端； REF+（通常為 VCC）和 REF（通常為地）為基準(zhǔn)電壓正負(fù)端； CS 為片選端，在 CS 端的一個(gè)下降沿變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器并控制和使能 ADDRESS、 I/O CLOCK 和 DATA OUT； ADDRESS 為串 行數(shù)據(jù)輸入端，是一個(gè) 4 位的串行地址用來(lái)選擇下一個(gè)即將被轉(zhuǎn)換的模擬輸入或測(cè)試電壓； DATA O UT 為 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束三態(tài)串行輸出端； I/O CLOCK 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出提供同步時(shí)鐘。這里將 TLC1543 作為外部擴(kuò)展串行 I/O 口，由 來(lái)接收A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果， 來(lái)控制轉(zhuǎn)換地址選擇， 控制片選信號(hào)， 來(lái)發(fā)送脈沖信 號(hào)給 TLC1543 [ 1 0]。 I/O CLOCK 和 ADDRESS 使能， DATA OUT 脫離高阻狀態(tài)。同時(shí) , 口從 CP U 接受10 個(gè)時(shí)鐘長(zhǎng)度的時(shí)鐘序列。最后， CPU 從 端接收前一次 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。 I/V 變換器主要是利用有源器件運(yùn)算放大器、電阻組成，電路如圖 34 所示。 根據(jù)虛短虛斷的概念有： np vv ? ， 0?? np ii 24 圖 34 可知，該同相放大電路的放大倍數(shù)為： 3413 43 RRR RRvvA iov ????? （ 31） 若取 R3=100 ?K ,R4=25 ?K ,R1=200 ? ,則 4～ 20mA 輸入對(duì)應(yīng)于1～ 5V的電壓輸出。 D/A 轉(zhuǎn)換電路 對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)和運(yùn)算的最終 目的是要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。因此，就需要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的裝置，這種裝置稱為數(shù) /模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱 D/A 轉(zhuǎn)換器。對(duì)于電流型輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器可外接運(yùn)算放大器，將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓并提高帶負(fù)載的能力。 25 DAC0832 的 簡(jiǎn)介 DAC0832 是帶有與微機(jī)連接接口的 DAC 的典型產(chǎn)品之一，它能與微機(jī) CP U 總線直接連接，不須附加邏輯。使用時(shí)應(yīng)外接運(yùn)算放大器。 DAC0832 的 3 種工作方式： 這時(shí)兩級(jí) 8 位數(shù)據(jù)寄存器都處于輸出跟隨輸入的狀況、條件是1LE 和 2LE 同時(shí)為 1。由 07 ~DIDI 輸入的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。條件是 12?LE (直通 )， CPU 控制 ILEWRCSLE ???1 。 這種方式是兩個(gè)鎖存器都處于受控方式， CP U 通過(guò) 5 條引腳分別控制 1LE 和 2LE ，關(guān)系為： 11 WRCSILELE ??? ； XFERWRLE ?? 22 （ 32） CPU 要輸出轉(zhuǎn)換 8 位數(shù)據(jù)必須通過(guò)兩步操作才能完成。 AT89C51 與 DAC0832 的接口電路設(shè)計(jì) 芯片工作過(guò)程如下： 應(yīng)用系統(tǒng)中，在只有一路模擬量輸出或幾路模擬量不需要同時(shí)輸出的場(chǎng)合，應(yīng)采用單緩沖方式。欲將數(shù)字量 D0～ D7轉(zhuǎn)換為模擬量，硬件使 12?LE ,只要使 2WR =0， XFER =0，即將 2WR 和XFER 接地， DAC 寄存器為不鎖存狀態(tài)。由于11 WRCSILELE ??? ，用單片機(jī)的 、 分別控制 1WR 、 CS ，使 1WR 、CS 端接負(fù)脈沖信號(hào)即可完成一次轉(zhuǎn)換。（ 1LE 、 2LE 是寄存命令，當(dāng) 1LE =1 時(shí)，輸入寄存器的輸出隨輸入變化； 1LE =0 時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存在寄存器中，不再隨數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)變化而變化。） 此電路 為 4～ 20 mA 輸出型，在這種情況下， D/A 芯片的輸出還需要將電流轉(zhuǎn)換為電壓的電路，圖 35 為電流轉(zhuǎn)換為 0～ 5V 電壓的電路。由于 DAC0832 是 8 位的 D/A 轉(zhuǎn)換器，對(duì)于單極性輸出電壓，轉(zhuǎn)換的數(shù)字值與模擬電壓值之間的關(guān)系為： 256refout VBV ?? （ 33） 式（ 33）中： 00116677 2222 ???????????? bbbbB ； 256refV 為一 常數(shù) 。輸入數(shù)字量 B 為 0 時(shí)， outV 也為 0，輸入數(shù)字量為 255 時(shí)， outV 為負(fù)的最大值，輸出電壓為負(fù)的單極性。 P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0 / R X D10P 3 .1 / T X D11P 3 .2 / I N T 012P 3 .3 / I N T 113P 3 .5 / T 115P 3 .6 / W R16P 3 .7 / R D17X T A L 118X T A L 219V S S20P 2 .021P 2 .122P 2 .223P 2 .324P 2 .425P 2 .526P 2 .627P 2 .728P S E N29A L E30EA31P 0 .732P 0 .633P 0 .534P 0 .435P 0 .336P 0 .237P 0 .138P 0 .039V C C40P 1 .56P 3 .4 / T 014A T 8 9 C 5 1+ 5 VA1B2C3G 2 A4G 2 B5G16Y77Y69Y510Y411Y312Y213Y114Y0157 4 L S 1 3 8+ 5 V123411U 1 6 AL M 3 2 4+ 1 2 V 1 2 V 5 VCS1W R 12AGND3D34D25D16D07V r e f8Rf9DGND10V C C20I L E19W R 218X F E R17D416D515D614D713I O U T 112I O U T 211D A C 0 8 3 2+ 5 V 圖 35 AT89C51 與 DAC0832 的接口電路 V/I 變換電路 電 流信號(hào)易于遠(yuǎn)距離傳送，且不易受到干擾，因而在輸入、輸出通道中常以電流信號(hào)來(lái)傳送信息；在測(cè)控系統(tǒng)中，有些儀表只提供電流輸入端口，這就需要采用 V/I 變換將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)。圖 36 為 V/I 轉(zhuǎn)換電路。 AT89C51 對(duì) LCD 的接口電路 LCD（ Liquid Crystal Diodes）是液晶顯示器的簡(jiǎn)稱， LCD 并不發(fā)光，但通過(guò)外加某種電壓可以改變光線的折射方向，從而達(dá)到顯示字符或者圖形的目的，并且顯示內(nèi)容豐富，信息量大。隨著 LCD器件價(jià)格的下降，人們會(huì)越來(lái)越多地使用 LCD 取代 LED。 LCD 用來(lái)顯示控制過(guò)程和運(yùn)算結(jié)果 [ 14]。由 RS 位控制往LM032L 發(fā)送指令，還是數(shù)據(jù)；由 RW 位控制是讀，還是寫(xiě)。本設(shè)計(jì)只需置 =1， =1 即可，執(zhí)行讀數(shù)據(jù)操作。 P 1P 2P 3P 4P 5P 7P 8R S T9