基于单片机的电锅炉控制器的设计解析.docx
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基于单片机的电锅炉控制器的设计解析
摘要
电热水锅炉是将电能转化为热能的能量转换装置,具有结构简单、无污染和自动化程度高等优点,近年来已成为供热采暖的主要设备。
本课题主要研究的是电热水锅炉控制器的设计问题。
针对于电热水锅炉,由于它是一个具有非线性、时变、大迟延、大惯性和升温单向性的系统,用数学方法建立精确的数学模型显然十分困难,因而用传统的控制理论和方法对本系统实施控制有其局限性,而智能控制正是吸收了人们的生活经验、逻辑推理规则和记忆学习的优点,在工程实际中已经取得了很多价值性的成果。
本文分析了PID控制算法,经过综合考虑,并鉴于程序编写简单的需要,最终选择了简单易行的位式控制算法,而对于液位控制,需要实现过高过低水位报警和状态指示,因此选用简单易行的电接点液位传感器。
在研究电锅炉控制算法的同时,本文还选用了STC89C51单片机,设计了锅炉温度和水位控制的硬件电路,包括传感器电路、继电器控制电路、温度和水位显示电路、键盘输入电路以及水位报警电路,其中传感器分别选用了DS18B20温度传感器和电接点液位传感器,由于电接点液位传感器属于输出开关信号的位式传感器,省去了A/D转换电路;控制电路就是通过继电器来控制电磁阀和加热器,进而控制水位和温度。
基于硬件电路,又编写了C语言程序,并通过KeilC51和Protues软件联调,进行了仿真调试,获得较为理想的效果。
关键词:
电锅炉;智能控制;控制算法;STC89C51单片机;DS18B20
Abstract
Electricboileristhedevicethatconvertelectricityintoheat,ithastheadvantagesofsimplestructure,nopollutionandhashigh automatically degree,whichhasbecomethemainequipmentforheating.Themajorresearchdirectionisthedesignofelectricboiler.Fortheelectricboiler,becauseitisanonlinear,time-varying,longtime-delayed,largeinertiaandunidirectionalrisingsystem,itisverydifficulttousemathematicalmethodtoestablishmathematicalmodelandtocontrolthissystembyusingtheclassicalcontroltheoryandmethod.Intelligentcontrolhasproducedsomethingvaluableinengineeringpractice,becauseitbringsinthegoodthingssuchastheexperience,logicalreasoningandmemoryfrompeople.ThisarticleanalysesPIDcontrolalgorithm,aftercomprehensiveconsiderationandgiventheneedofsimpleprocedure,weultimatelychoosepositionalcontrolalgorithm,andforthelevelcontrol,becauseitneedenablealertingandstatusdisplay,wechoosetheelectriccontactwaterlevelsensor.
Atthesametime,wechoosetheSTC89C51SCM,anddesignthehardwarecircuitoftemperatureandwaterlevelcontrolofelectricboiler,whichincludesthesensorcircuit,therelaycontrolcircuit,temperatureandwaterleveldisplaycircuit,keyboardcircuit,waterlevelalarmcircuit.WechooseDS18B20temperaturesensorandtheelectriccontactwaterlevelsensor,becausethewaterlevelsensorbelongstopositionsensor,A/Dconversioncircuitisnotneeded;controlcircuitcancontrolwaterlevelandtemperaturethroughtherelaycontrollingsolenoid valve andheater.Basedonhardwarecircuit,wewriteClanguageprogram,andgetmoreidealcontroleffectthroughKeilC51andProtuesdebugging.
Keyword:
electricboiler;intelligentcontrol;controlalgorithm;STC89C51SCM;DS18B20
第一章绪论
1.1课题的提出与研究意义
目前,智能控制得到广泛应用,日常生活中许多场合都需要依据实际情况,更加人性化地实现多方面的控制。
电热水锅炉是将电能转化为热能的装置,采用全新加热方式,无污染,相比其他燃煤锅炉,完全可以称为绿色环保锅炉。
电加热锅炉具有以下特点:
无污染、能量转化效率高、锅炉本体结构简单、安全性好,并且可采用计算机监控,完全实现自动化,因而在现实生活中使用起来更加方便。
锅炉控制是一种过程控制,其多个参数的变化(如温度、水位等)具有非线性的特点,单纯用数学方法建立精确的模型,显然不切实际,因此首先选择合适的控制算法,对实现电锅炉的稳定控制和提高系统的经济性十分重要。
单片机应用广泛,发展迅速。
在过程控制中,单片机既可作为主计算机,又可作为分布式计算机控制系统中的前端机,完成模拟量的采集和开关量的输入、处理和控制计算,然后输出控制信号。
单片机广泛用于仪器仪表中,与不同类型的传感器相结合,实现诸如电压、湿度、水位、压力和温度等物理量的测量;在日常电器设备中,单片机已广泛用于电视机、电冰箱、电饭锅等各种家电设备中。
总之,使用单片机来实现电热水锅炉的多个参数控制,既满足实际生活和工业控制的需求,又满足当今社会发展的需要。
1.2国内外研究状况
工业控制在理论上大概分为三个阶段,第一阶段为以经典控制理论为主要控制方案的初级阶段,可以用PID控制实现稳定系统和定值控制;第二阶段为以现代控制理论为主要控制方案的发展阶段,以微型计算机为工具,对复杂现象进行控制,克服干扰和模型变化,以满足复杂的工艺要求,提高控制质量。
第三阶段为高级阶段,控制方法主要朝着综合化和智能化的方向发展。
智能控制理论中,专家系统、神经网络、模糊控制系统为最有潜力的三种方法,其中模糊控制不仅有行之有效的模糊控制理论为基础,而且能够表达出确定性和不确定性的两类经验,并提炼成为知识进而改善已有控制。
随着我国电力行业的迅速发展,电力供应紧张的局面已经趋于缓和,为实现可持续发展,国家推广使用燃气锅炉和电锅炉。
然而,由于燃气锅炉投资过大,管道铺设受到城市发展的制约,这就为电热锅炉提供了良好的发展空间。
电热锅炉同其他燃料锅炉相比,具有无污染、热效率高、体积小等优点,并且可以实现无人监控的全自动化控制,控制系统可采用PLC控制,也可以采用电脑控制,同时均可转为手动;控制方式灵活,加热方式便利,可采用瞬时、蓄水和蓄热等多种方式;安全性能好。
从以上优点可以看出,电热锅炉代表了当今环保锅炉的发展趋势,在人们崇尚回归自然,世界各国环保要求日趋严格的今天,电热锅炉必定会获得长足发展。
电热锅炉根据电加热原理和加热元件的不同分以下几类:
电热管电热锅炉、电热棒电热锅炉、电极式电热锅炉、电热板电热锅炉、感应式电热锅炉。
当前,国内企业生产的电热锅炉绝大部分是电热管电热锅炉,其原理是电能通过电热管电阻转换成热能。
其中电热管是电热锅炉的核心,电热管质量的高低直接影响电热锅炉的运行可靠性和使用寿命。
国家大力引进蓄热电热锅炉,积极引进开发电极式电热锅炉。
电热锅炉在我国起步较晚,其应用和发展是我国电力工业发展和环境保护要求相互作用的必然结果。
尽管处于发展初期,产品的设计和使用过程中还存在很多问题,但随着人们对电热锅炉认识的深入以及生产厂家的技术进步,电热锅炉一定会得到长足发展,成为新世纪广泛使用的新型绿色环保锅炉。
1.3论文的主要研究内容
本课题主要研究了三个方面的内容,首先分析被控对象,了解了被控对象的基本特性,并以此为基础,选择和分析适当的控制算法;然后设计硬件电路图,根据器件的参数,计算出电阻阻值等,完成器件的选型;最后由硬件电路,设计出程序流程图,完成控制系统的软件设计,这里选择用C语言编程,并进行Protues仿真。
第二章被控对象和被控策略的研究
1.1被控对象分析
电锅炉是将电能转化成热能的一种能量转换装置,其工作原理与传统意义上的锅炉有相似之处,从结构上看有“锅”和“炉”两大部分。
锅是指盛放热介质(水)的容器,而“炉”是指电加热水的电热转换元件。
目前国内外生产的电锅炉有很多种型式,从整体结构上分有立式、卧式、多单元式等;从传热介质上分有热水锅炉、蒸汽锅炉和有机载体锅炉;从电加热原理上可分为电热管式、电热棒式、电热板式、电极式和感应式等;从供热方式上有直热式和蓄热式。
本文研究的电锅炉对象采用电阻式加热,炉内温度为0~100,水位为150cm。
电锅炉安装图如图1-1。
排污口
图2-1电锅炉安装图
由上图可以看出电锅炉中的热水经过出水口送至散热片,通过散热片供热。
由此确定温度是控制参数,控制量为炉内的热水。
通过调节阀的开度,保证供热区的等温特性;通过水位判别,可调节补水阀的起、停。
本文研究的目的是接合电热水锅炉温度上升的特点,对温度进行控制已达到调节时间短且稳态误差小的特点,并采用电接点水位传感器,有效的控制安全水位。
在生产过程中,控制对象多种多样,理论分析和实验结果表明:
电加热装置是一个具有自平衡能力的对象,可用二阶系统纯滞后环节来描述,而二阶系统可以通过参数辨识降阶为一节系统。
因而可用一阶惯性滞后环节来描述温控电锅炉系统对象的数学模型。
传递函数可表示为:
(2-1)
式(2-1)中K——对象的静态增益(放大倍数);
T——对象的时间常数;
——对象的纯滞后时间。
对象中的特性参数对输出的影响:
1.K值放大系数K值与被控量的变化过程无关,其表示输入对输出稳态值的影响程度。
K值越大,表示被控对象的自平衡能力小;K值小,表示自平衡能力大。
2.时间常数T时间常数T的大小反映对象受阶跃干扰后,被控量达到新的稳定值的快慢程度,即反映了对象惯性大小的物理量。
2.2控制策略研究
通过电热水锅炉的对象分析,我们可以看出只单单采用数学方式来控制电锅炉的温度,已经不可行了。
而PID控制,是经典控制中最典型的控制方法,并且结构简单、可靠性强,可以消除稳态误差,在大多数情况下能够满足系统性能要求。
2.2.
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