【正文】 來的嚴(yán)重后果。 。負(fù)荷變化時(shí)，需引起汽包水位變化后才起控制作用。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 ]。 為了克服上面三個(gè)問題，除了依據(jù)汽包水位之外，也可依據(jù)蒸汽流量和給水流量的變化來控制給水閥，將能獲得良好的控制效果，這就產(chǎn)生了雙沖量和三沖量水位控制系統(tǒng)。 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)?？紤]到蒸汽負(fù)荷的擾動(dòng)可測(cè)而不可控，因此可將蒸汽流量信號(hào)引入系統(tǒng)作為前饋信號(hào)，與汽包水位組成前饋 反饋控制系統(tǒng)，通常稱為雙沖量控制系統(tǒng)。其中一個(gè)沖量是汽包水位，另一個(gè)沖量是蒸汽流量。圖 2圖 27 是典型的雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及框圖。 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)。在給水 流量比較平穩(wěn)時(shí)，采用雙沖量控制是能夠達(dá)到控制要求的。 雙沖量水位控制系統(tǒng)存在的問題是：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。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量控制 [ 5 ]。 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。但雙沖量水位控制系統(tǒng)仍存在兩個(gè)問題，一是調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定為線性特性，要做到完全靜態(tài)補(bǔ)償比較困難；其次是給水壓 力擾動(dòng)對(duì)汽包水位的影響不能及時(shí)消除。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)。 所謂三沖量，指的是引入三個(gè)測(cè)量信號(hào)：汽包水位、給水流量、蒸汽流量。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)。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)上述兩種方案取長(zhǎng)補(bǔ)短，極大的提高了水位控制質(zhì)量。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 的增大又通過比值控制作用指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加給水量。實(shí)際給 水量是增加還是減小，取決于系統(tǒng)參數(shù)的整定。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。只要參數(shù)整定合適，當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)以后，給水流量必然等于蒸汽流量，水位 H 也會(huì)維持在設(shè)定值。從另一個(gè)角度來看，這也是一個(gè)前饋 —反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。 必須指出，引入蒸汽流量信號(hào)只是削弱了假水位期間調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，并不能消除假水位現(xiàn)象，并且由于水位 H 對(duì)負(fù)荷（蒸汽量）擾動(dòng) D 的響應(yīng)速度要比對(duì)基本擾動(dòng) W 的響應(yīng)速度快的多，因此，在外部擾動(dòng)下被調(diào)量的變化幅度還是比較大，必須對(duì)負(fù)荷變化的幅度加以限制。系統(tǒng)框圖為圖 28 所 示。 16 變 送 器調(diào) 節(jié) 機(jī) 構(gòu)變 送 器變 送 器汽 包調(diào) 節(jié) 器HD+++rHW 圖 28 單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)框圖 三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的要求，能有效地避免 “虛假水位 ”現(xiàn)象。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 ]。 方案 選擇 通過以上方案的比較，我選擇了汽包水位三沖量控制系統(tǒng)。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。 “虛假水位 ”現(xiàn)象。 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)方框圖的形式重畫成圖 29。 17 WKHK ? ?sG p?K? ?sG c DKHWDrH++ 圖 29 單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)方框圖 其中： rH —水位設(shè)定值； H—水位值； W—給水流量； D—蒸汽流量； ??sGc —調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)； ??sGp —被控對(duì)象傳遞函數(shù)； ?K —執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)； WK 、 DK 、 HK —給水流量、蒸汽流量和鍋爐水位等測(cè)量裝置的傳遞函數(shù)。 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。蒸汽流量 D 及其蒸汽流量變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)，但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性 [7]。 汽包水位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 通過實(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，可近似為無自衡非振蕩過程。在給水流量單位階躍擾動(dòng)下，水位反應(yīng)曲線的飛升速度，即水位的變化速度 0K = smm 。為了提高仿真的速度，取n=1。一階滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) 2T 經(jīng)測(cè)量為 2T =。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)。 受測(cè)量元件安裝位置的限制，被測(cè)參數(shù)變化的信號(hào)傳遞到檢測(cè)點(diǎn)需要花費(fèi) 一定的時(shí)間，因而就產(chǎn)生了測(cè)量純滯后 m? 。此時(shí)描述測(cè)量變送環(huán)節(jié)特性的傳遞函數(shù)可寫成 : ? ? 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 ）來處理。 執(zhí)行機(jī) 構(gòu)的傳遞函數(shù) 執(zhí)行器接受控制器的命令執(zhí)行控制任務(wù)，由于在石油、化工等過程控制中，執(zhí)行器最終是以閥門的形式出現(xiàn)，所以，執(zhí)行器往往被稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥。他的特性經(jīng)常也用一階慣性環(huán)節(jié)來描述，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 )來處理 [ 8]。 儀表的選擇與各變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定 本系統(tǒng)共需要選擇三個(gè)檢測(cè)儀表以及一個(gè)線性給水調(diào)節(jié)閥。 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 。水位檢測(cè)變送器可采用 1151 差壓式變送器；流量變送器可 采用渦街式流量計(jì)；給水調(diào)節(jié)閥采用電動(dòng)的。 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。 根據(jù)所給設(shè)計(jì)的目標(biāo)，給水流量測(cè)量范圍： 0～ 500T/h，選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的給水流量為 500T/h，輸出量程為 4～ 20mA。 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。 dK =? ? ? ? ??? （ 217） 給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算 此系統(tǒng)的執(zhí)行器選擇調(diào)節(jié)閥，因?yàn)樗梢灾苯痈淖兘o水量，反應(yīng)時(shí)間短，有利于系統(tǒng)控制品質(zhì)的改善，它是控制系統(tǒng)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它接收控制器的輸出信號(hào)，執(zhí)行最終任務(wù)。 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。 uK =? ? ? ? ??? （ 218） 液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算 由于本設(shè)計(jì)的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)水位的準(zhǔn)確測(cè)量，因此水位能否準(zhǔn)確測(cè)量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。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)設(shè)計(jì)要求可知，水位的測(cè)量范圍為 300～ 300mm [ 9]。 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。 hK =? ? ? ?? ? ???? 300300420 mmmA （ 219） 21 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 采用 AT89C51 作 為核心控制芯片 ,及其相關(guān)硬件來實(shí)現(xiàn)余熱鍋爐汽包水位的控制。 圖 31 為三沖量余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)整體框圖。 單 片 機(jī)A / D 轉(zhuǎn) 換電 路上 位 機(jī)汽 包 水 位給 水 流 量蒸 汽 流 量電 源 模 塊D / A 轉(zhuǎn) 換電 路故 障 報(bào) 警電 路給 水 調(diào) 節(jié) 閥鍵 盤液 晶 顯 示 圖 31 三沖量余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)整體框圖 在信號(hào)檢測(cè)的過程中，汽包水位信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)和給水流量信號(hào)，它們經(jīng)過各自的變送器再作 I/V 變換，轉(zhuǎn)換成 0～ 5V 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，接入 A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換并送入單片機(jī)，這些信號(hào)在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并與給定值比較，該系統(tǒng)還配有一路控制信號(hào)的輸出端口，即通過 D/A 轉(zhuǎn)換電路把比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為一路模擬電壓控制信號(hào)輸出，考慮到電壓信號(hào)不利于遠(yuǎn)距離傳輸，并且多數(shù)電動(dòng)閥門的控制信號(hào)為電流信號(hào)，所以本設(shè)計(jì)還配有一個(gè) V/I 轉(zhuǎn)換器，把電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 4～ 20mA 電流信號(hào)，用于控制閥門的開度。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。這種控制方式簡(jiǎn)單，操作方便，可靠性高。 22 A/D 轉(zhuǎn)換電路 通過傳感 器檢測(cè)到的信號(hào)，經(jīng)過放大濾波后，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。實(shí)現(xiàn)模擬量 變換成數(shù)字量的設(shè)備為模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）簡(jiǎn)稱 A/D。本設(shè)計(jì)采用的是串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC1543。 TLC1543 采用 20 腳 DIP 封裝，引腳排列如圖 32 所示。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。 A89GND10A01A12A23A34A45A56A67A78V C C20E O C19I /O C L O C K18A D D R E S S17D A T A O U T16CS15R E F +14R E F 13A 1 012A911 圖 32 TLC1543 的引腳排列 TLC1543 與 AT89C51 采用串行數(shù)據(jù)通信，芯片的 3 個(gè)輸入端和1 個(gè)輸出端與 AT89C51 的 I/O 口可直接連接，具體連接方式如圖 33所示。這里將 TLC1543 作為外部擴(kuò)展串行 I/O 口，由 來接收A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果， 來控制轉(zhuǎn)換地址選擇， 控制片選信號(hào)， 來發(fā)送脈沖信 號(hào)給 TLC1543 [ 1 0]。 23 當(dāng) =1 時(shí)，工作狀態(tài)被禁止，當(dāng) =0 時(shí)， TLC1543 開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 I/O CLOCK 和 ADDRESS 使能， DATA OUT 脫離高阻狀態(tài)。隨后， CPU 向 端提供 4 位通道地址。同時(shí) , 口從 CP U 接受10 個(gè)時(shí)鐘長(zhǎng)度的時(shí)鐘序列。前 4 個(gè)時(shí)鐘