毕业设计102锅炉温度串级控制系统

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《锅炉温度串级控制系统》开题报告

一、 课题的目的和意义

随着我国国民经济的快速发展，锅炉的使用范围越来越广泛。而锅炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

现代锅炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为锅炉的自动化提供了有利条件。锅炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。目前，锅炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面[1]。

国内一些大容量机组已开始应用计算机控制，主要用来作数据处理、运行监督指导及局部闭环控制等。实现锅炉自动化的意义在于：

1.提高锅炉运行的安全性； 2.提高锅炉运行的经济性； 3.改善劳动条件；

4.减少运行人员，提高劳动生产率。

总之，实现锅炉自动化是促进社会主义现代化的重要措施之一。

过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。过程控制的发展将会越来越迅速，并且被应运到越来越多的领域中，而我所探讨的问题是锅炉温度的串级控制[2]。串级控制，是一种复杂的过程控制系统，在提高控制质量和实现一些特殊工艺要求等方面有着显著的效果，使复杂过程控制系统达到一个新的水平，在过程控制中得到了广泛的应用[3]。我国现有中、小型锅炉100多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，采用合适的过程控制方案是一件具有深远意义的工作。由于起步较晚，国内电热锅炉的控制水平不高，只要表现在算法简单、粗糙，造成温度控制效果不佳，易产生输出控制量的震荡，系统不稳定的现象，而且自动化程度不高。最后的目的就是经过仿真实验和实际运行表明，所设计的系统能够可靠、稳定而安全地手动、自动和定时运行的功能，并且在系统出现超温等紧急情况时能报警并自动切断系统。以PID控制算法为核心的控制器能够很好地满足系统的

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稳定性和精度要求，通过辅助以友好的操作界面，能够简单、便利而又切实有效地应用于实际[4]。

通过实时检测装置把锅炉系统的运行状态和运行参数随时报告给人和控制系统，由自动调节装置对系统的运行状态进行调节；自动控制装置能简化操作步骤和减少操作数量，避免误操作；保护装置能使系统运行中周边设备发生异常、运行参数偏离允许值提供声光报警或自动停炉等应急自动处理[5]。并且还可以很好的提高锅炉运行的经济性，工业锅炉在燃烧过程中，各项技术指标都要求限定在一定范围内。为了确保燃烧过程的稳定、可靠和经济运行，设计采用先进的A/D转换技术和PID计算技术，锅炉燃烧过程控制装置通过检测出口温度、炉膛温度等运行物理量，通过PLC控制器及调节器，改变电阻丝两端电压，使炉膛温度控制在预定范围内，保证锅炉在最佳的温度下加热，在最节能条件下运行[6]。锅炉串级控制装置，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能，保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

二、 文献综述

关于锅炉温度的自动化控制，先后被很多的学者所关注。

在2003年第02期的《微计算机信息》中，王丽娟发表了一篇题为“单片机在锅炉温度控制系统中的应用”， 本文介绍了单片机在锅炉温度控制上的应用,主要是以87C51单片机作为控制器核心，结合温度传感变送器、A/D转换器、LED显示器、D/A转换器,模拟多路开关等，组成一个八通道的锅炉温度控制系统。该系统能根据现场检测的温度状态做出实时精确的自动控制、实现温度的监控，具有事件与参数记录、数码管显示、报警、系统参数设置、手自动切换控制及与网络、打印机通信的功能、能够快速、稳定、安全、可靠地对工业锅炉进行控制。

在2004年01期的《信息技术》中，来自黑龙间工程学院电子工程系的张培明、邵国平教授发表了一篇“模糊控制在燃煤锅炉床层温度控制中的应用”，文中针对燃煤锅炉燃烧过程十分复杂，难用准确的数学模型来描述以及常规方法的控制效果不是十分理想等问题，在分析常规的模糊控制器的基础上，结合模糊逻辑控制理论，设计了一个带有自调整因子的模糊控制器并进行了仿真研究。仿真结果表明，该控制器对燃煤锅炉床层温度的控制，具有良好的控制性能。

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在2007年03月01日第20卷2期的《万方数据》中，来自华中科技大学电子信息与自动化学院的王石教授发表了一篇“模糊PID在热水锅炉温度控制系统中的应用”，针对热水锅炉温度控制的特点，采用模糊PID控制策略。将SMUUNK与FUZZY TOOL BOX有机地结合设计模糊自整定PID控制器。系统的仿真结果表明该控制方法提高了对非线性、滞后系统的控制效果。经过在丹东燃煤热水锅炉供暖工程的实际运行，证明系统的控制效果良好。

2002年，由华北电力大学硕士生叶虹发表的一篇“Bp神经网络在锅炉运行优化中的应用研究”， 本文引入人工神经网络之BP网络（Back-Propagation），建立了锅炉的运行优化模型。模型以影响锅炉效率的因素为输入变量，以锅炉效率及发电煤耗等为输出变量，用电厂采集的数据样本进行训练。此模型不同于传统的锅炉效率计算方法（正平衡或反平衡方法），而是通过人工神经网络本身具有的强大的联想功能和记忆功能以及对于非线性变量的映射能力，来计算锅炉效率和锅炉运行中需要调节的一些主要参数。神经网络训练成功的模型可在线对内蒙古蒙达电厂的300MW机组计算锅炉效率及其它运行中关注的参数，在一定程度上起到锅炉效率实时分析的作用，并为锅炉运行提出优化调节的方法。 本文还在DELPHI 语言支持平台上开发了锅炉运行优化的BP网络软件系统，利用DELPHI本身自带的数据库实现数据的存储功能。

关于这方面的文章还有很多，如2007年2月19日由王致杰发表的“基于神经模糊的工业锅炉温度控制器的研究”；2007年第02期《计算机技术与自动化》由赵炜、张戟、张伟红发表的“一种在线模糊控制的锅炉过热蒸汽温度调节方法”，等等。

随着工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求肯定会越来越高，所以对控制系统的继续研究有着重大的意义[7]。以前所采纳的控制系统大多数属于单回路控制，而在锅炉温度的控制过程中，不仅存在着对锅炉出口温度的扰动，还有来自对炉膛温度的扰动，如采用单回路控制，则会出现下列两种后果之一：（1）、控制通道的时间常数和容量滞后很大，控制作用不及时；（2）、不能克服所有的扰动[8]。所以往往不能满足生产工艺的严格要求。本次系统设计采用的是利用可编程控制器（PLC）实现对锅炉炉膛及锅炉出口温度的串级控制，通过合理的软件编程，克

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服扰动的能力大大增强，从而可以达到锅炉系统的最优控制[9]。运用PLC技术和电力电子整流技术控制加在热炉电阻丝上的电压，实现温度控制。PLC控制程序采用常规PID控制算法, 上述文献中列出了一些比较先进的控制算法，但是常规的PID控制算法对大多数控制系统已经能够满足误差精度要求，因此许多用于过程控制的设备都采用常规的PID控制算法[10]。此次方案的设计也不例外。

此加热炉温度控制系统具有精度高，稳定性好，可靠性高等特点。而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。

三、 设计内容和拟解决的关键问题

（一）设计内容：

系统结构如图1和图2所示，温度信号可输入铂电阻传感器，经变送器转换成4～20mA标准电流信号再输入至A/D转换器。系统的控制回路由炉膛温度调节器（称为副调节器）构成的控制回路（称副回路）和出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）组成。主机采用欧姆龙CPM2A系列PLC工控机，执行器采用可控硅。系统输入输出与主机光电隔离。

计算机 管式电阻炉 编程 温度变送器 A/D 转换 P L C D/A转换 温度变送器 单相可控调压装置 ～220V 图1锅炉串级控制系统框图

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y2 y1 炉出口 + Z1 _ 主调节器 + Z2 _ 副调节器 调节器 炉膛 副测量变送器 主测量变送器 图2 锅炉串级系统框图 （二）关键问题：

本次设计中的关键问题是串级控制系统中主、副过程的匹配以及PID编程的实现。

四、设计方案与进度计划安排

（一）设计方案：

选取炉出口温度为主被控参数（简称主参数），选取炉膛温度为副被控参数（简称副参数），把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。这样，扰动对炉膛水温的影响主要由炉膛温度调节器（称为副调节器）构成的控制回路（称副回路）来克服，扰动对炉出口水温的影响由出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）来消除。

软件设计主要内容，该系统软件采用PLC梯形图语言进行程序设计，人机交互采用图形界面，菜单及参数输入可通过鼠标和键盘方便操作。主要模块有：主程序模块、数据采集模块、A/D转换模块、D/A转换模块、实时控制模块、报警模块等。

（二）工作进程：

（1）2007.12.10-2008.03.20 进行调研、收集相关文献资料。 （2）2008.03.21-2008.03.26 完成开题报告。 （3）2008.03.26-2008.04.10 拟定论文粗纲。

（4）2008.04.11-2008.04.20 与指导老师联系后，完成论文细纲。 （5）2008.04.21-2008.05.20 完成论文初稿，教师审定。 （6）2008.05.21-2008.05.31 修改、完成论文二稿，教师审定。

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（7）2008.06.01-2008.06.08 修改、完成论文三稿，教师审定。 （8）2008.06.09-2008.06.15 论文定稿、打印、装订、提交。 （9）2008.06.15-2008.06.20 准备并完成论文答辩。

五、预期结果与创新成果

（一）预期结果

该系统运行稳定可靠, 精度高，操作简便。节能效果非常明显。在实际使用过程当中，只需对其稍加改动，即可应用于其它锅炉系统。 （二）创新成果

传统的单回路控制系统已不能适应生产工艺的严格要求，应用PLC进行串级控制，在节能、保证锅炉安全运行、保护环境、改善工作条件、提高管理水平等方面均起到积极作用。

六、 成文时间和提交成果形式

计划于6月15号前完成毕业论文，用A4纸打印，装订后交由指导老师检查审定。

七、参考文献

[1]辛广路.锅炉运行与操作指南.机械工业出版社，2006年 [2]邵裕森，戴先中.过程控制工程.机械工业出版社，2000年

[3]刘春胜，王劭伯.串级PID控制在锅炉主蒸汽温度控制中的应用.工业控制计算机，2006年19卷第9期

[4]晏康，刘宵惠.PLC的数字PID控制程序设计研究.重庆工商大学学报，2004年4月第21卷第2期

[5]中国电子学会.2000/2001传感器与执行器大全（年卷）-传感器2变送器2执行器.电子工业出版社，2001年

[6] 李俊秀,赵黎明. 可编程控制器应用技术实训指导 [M ]. 北京 :化学工业出版社, 2002

[7]张凤珊，祖龙起.电气控制及可编程控制器.中国轻工业出版社，2003年

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[8]宋伯生.PLC编程理论2算法及技巧.机械工业出版社，2006年

[9]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用 [M ]. 重庆 :重庆大学出版

社 , 2001

[10]陶永华,葛芦生. 新型PID 控制及其应用[M] . 北京:机械工业出版社,1998

目 录

1 前言……………………………………………………..…………………………… 1

2 控制系统的总体方

案…………………………………………… ……………………2

2.1 概述 .......................................................................................................................................... 2 2.2 控制方式的确定....................................................................................................................... 2 2.3 检测元件和执行机构的选择 ................................................................................................... 3 2.4 微型计算机的选择 ..................................................................................................................... 4 2.5 输入输出通道及外围设备的选择 ............................................................................................. 6

2.6 系统的原理框图......................................................................................................................... 6

3 控制算法的选择和参数计算 . …………………………………………………………8

3.1 控制算法的选择 ....................................................................................................................... 8 3.2 参数的计算............................................................................................................................... 8

4 系统硬件设

计…....……………………………………………………………………16

4.1 概述 ........................................................................................................................................ 16 4.2 系统的硬件设计 ..................................................................................................................... 16 4.3 系统电气原理图..................................................................................................................... 33 4.4 元器件明细表......................................................................................................................... 34

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5 软件程序的编制 ……………………………………………………………………..35

5.1 概述 ........................................................................................................................................ 35 5.2 程序流程图 ............................................................................................................................ 35 5.3 地址分配 ................................................................................................................................ 40 5.4 程序设计 ................................................................................................................................ 40

6 控制系统的调试与实验 ... …………………………………………………………….42

6.1 单元电路调试......................................................................................................................... 42 6.2 程序调试 ................................................................................................................................ 42 6.3 系统调试 ................................................................................................................................ 43 6.4 系统实验和结果分析 ............................................................................................................... 43

7 设计总结 .... …………………………………………………………………………..44

7.1 系统具备的主要功能 ............................................................................................................. 44 7.2 系统的测量精度 ..................................................................................................................... 44 7.3 存在的问题及改进措施 ......................................................................................................... 44

参考文献………………………………………………………………………………… 46 致

谢……………………………………………………………………..……………47 附 录 ..... ……………………………………………………………………………… 48

摘 要

在现代工业生产过程中，一些以温度等作为被控参数的过程，往往其容量滞后较大，控制要求又较高，若采用单回路控制系统，其控制质量无法满足生产要求。本文针对锅炉的结构特点以及串级控制能够有效改善过程的动态特性、提高工作频率、减小等效过程时间常数和加快响应速度等，提出了锅炉温度串级控制的解决方案。

本系统以电加热锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅

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炉温度串级控制系统；完成了系统的硬件设计和PLC程序设计。

经过调试，PLC程序实现了数据采集、A/D转换、PID运算和D/A转换等，达到了设计要求。

关键词

锅炉；温度；串级控制；PLC；PID

Abstract

In modern industrial production, some course’s capacity often lags behind relatively largely, control also expect relatively much regarding temperature,etc, if adopt the control system of single circuit, its quality of control is unable to meet the production requirement. Because the bunches of control can improve the dynamic characteristic of the course effectively, improve operating frequency, reducing the time constant of the equivalent course and accelerating the response speed,etc., This text have proposed one bunch of solutions of control of boiler temperature.

This system leaves target of accusing of on boiler with electricity, export water temperature with boiler for accuse of parameter mainly, regard the burner hearth water temperature as one pair of parameters of accusing of, regard voltage of resistance wire of the heating furnace as the control parameter, regard PLC as the controller, form one bunch of control systems of boiler temperature; Finish the designing of systematic hardware and the program with PLC.

Through debugging, PLC procedure has realized the data gathering, A/D changing, PID operation and D/A changing, etc., has reached the designing requirement.

Key words

Boiler; Temperature; Bunches of control; PLC; PID.

1 前言 ................................................................................................................................. 9 2 控制系统的总体方案 ................................................................................................... 11

2.1 概述 ................................................................................................................................... 11 2.2 控制方式的确定................................................................................................................ 12 2.3 检测元件和执行机构的选择 ............................................................................................ 13 2.4 微型计算机的选择 ............................................................................................................ 13

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2.5 输入输出通道及外围设备的选择 .................................................................................... 15 2.6 系统的原理框图................................................................................................................ 16

3 控制算法的选择和参数计算 ....................................................................................... 19

3.1 控制算法的选择 ................................................................................................................ 19 3.2 参数的计算........................................................................................................................ 20

4 系统硬件设计 ............................................................................................................... 27

4.1 概述 ................................................................................................................................... 27 4.2 系统的硬件设计 ................................................................................................................ 28 4.3 系统电气原理图................................................................................................................ 51 4.4 元器件明细表.................................................................................................................... 51

5 软件程序的编制 ........................................................................................................... 52

5.1 概述 ................................................................................................................................... 52 5.2 程序流程图 ....................................................................................................................... 53 5.3 地址分配 ........................................................................................................................... 59 5.4 程序设计 ........................................................................................................................... 59

6 控制系统的调试与实验 ............................................................................................... 61

6.1 单元电路调试.................................................................................................................... 61 6.2 程序调试 ........................................................................................................................... 61 6.3 系统调试 ........................................................................................................................... 62 6.4 系统实验和结果分析 .......................................................................................................... 62

7 设计总结 ....................................................................................................................... 63

7.1 系统具备的主要功能 ........................................................................................................ 63 7.2 系统的测量精度 ................................................................................................................ 63 7.3 存在的问题及改进措施 .................................................................................................... 64

参考文献 ............................................................................................................................. 65 致 谢 ............................................................................................................................. 66

1 前言

随着我国国民经济的快速发展，锅炉的使用范围越来越广泛。而锅炉温度控制是工业生

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产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常必要的。而锅炉系统是一个具有时变和时滞的比较复杂的系统，因此，对锅炉温度进行控制是工业过程控制中一个重要而且困难的问题。由于串级控制具有有效改善过程的动态特性、提高工作频率、减小等效过程时间常数和加快响应速度等特点，所以在克服被控系统的时滞方面能够取得较好的效果[1]。

由于PLC具有高可靠性、易于实现等优点，在工业控制领域中得到了广泛的应用。进入21世纪以来，PLC已经由原来的逻辑控制器发展成具有较强的数据处理能力、通讯能力的标准工控设备，用其进行各种算法的实现是工控领域的发展趋势。

本设计以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。

本文对锅炉温度控制系统的硬件和软件都进行了介绍，全文主要有5个部分。 第1部分是对锅炉温度控制系统的总体方案的介绍。控制总体方案的设计是系统设计的核心。若设计方案设计不正确，则无论选用何种先进的过程控制仪表或计算机系统，其安装如何细心，都不可能使系统在工业生产过程中发挥良好的作用，甚至系统不能运行。

第2部分是对锅炉温度控制系统控制算法的选择和参数的设置进行了介绍。采用合适的控制算法能更好地对整个系统进行控制。

第3部分是锅炉液位控制系统硬件的设计，对选择的仪表、设备等的性能、使用方法和

[2]

接口要求等进行了介绍。

第4部分是对锅炉液位控制系统软件程序的编制，主要是采用PLC梯形图编程语言进行编程，并写出相应的流程图和地址分配。

第5部分是对锅炉温度控制系统的调试与实验。其中包括单元电路调试、程序调试、系统调试、系统试验和结果分析。

在本次设计当中，我得到了张运波老师的指导和崔晓燕、刘野等同学的热心帮助，才使我能顺利完成此次毕业设计。在此，谨对他们致以衷心地感谢！

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由于本人水平有限，错误和疏漏之处在所难免，敬请各位老师和同学批评指正。

2 控制系统的总体方案

2.1 概述

随着我国国民经济的快速发展，锅炉的使用范围越来越广泛。而锅炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。现代锅炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为锅炉的自动化提供了有利条件。锅炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。目前，锅炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。实现锅炉自动化能够提高锅炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件，减少运行人员。

锅炉是工业企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽或热水，以满足负荷的需要。锅炉设备是一个复杂的控制对象，燃气燃油锅炉主要输入变量包括负荷、给水、燃料量、送风和引风量等，主要调节变量包括水位、温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等；电加热锅炉主要输入变量包括负荷、锅炉给水和电阻丝电压等，主要调节变量包括水位和温度等。锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。锅炉系统是一个具有时变和时滞的比较复杂的系统，因此，对锅炉温度进行控制是工业过程控制中一个重要而且困难的问题[3] 。

在生产过程控制中，一些复杂环节，往往需要进行串级控制。即把两个控制器串联起来，第一个控制器的设定值是控制目标，它的输出传给第二个控制器，作为它的设定值，第二个控制器的输出作为串级控制系统的输出，送到被控系统，作为它的控制“动作”。控制系统的

这种串级形式对于复杂对象的控制往往比单回路控制的效果更好。串级控制对克服被控系统的时滞之所以能收到好的效果，是因为当用两个控制器进行串级控制时,每个控制器克服时滞的负担相对减小,这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到加强。

在锅炉自动控制系统中，除了应用基于反馈控制原理而设计的各种调节器系统以外，计算机技术的应用也越来越普及。由于PLC具有高可靠性、易于实现等优点，在工业控制领域中得到了广泛的应用。进入21世纪以来，PLC已经由原来的逻辑控制器发展成具有较强的数据处理能力、通讯能力的标准工控设备，用其进行各种算法的实现是工控领域的发展趋势[4] 。

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本设计以电加热锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统，实现锅炉水温的定值控制。 2.2 控制方式的确定

自动控制方式一般有两种：即开环控制和闭环控制。

开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力。开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统.。人工控制一般是开环控制。比如人工转换电扇档位实现转速的控制。

闭环控制有反馈环节，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制。通过反馈系统使系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统。自动控制通常是闭环控制。比如家用空调温度的控制。

而闭环控制又包含有单回路控制和串级控制等。串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环----双闭环或称双环。串级控制系统在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统相同，就其主回路（外环）来看是一个定值控制系统，而副回路（内环）则为一个随动系统。以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效

果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率； ②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力 [5] 。

综上所述，根据系统工艺要求，决定在系统设计中采用闭环串级控制方式。

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2.3 检测元件和执行机构的选择 2.3.1 检测元件的选择

检测与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。被检测参数性

质的不同，准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能要求的不同都影响检测、变送器的选择，要从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。检测、变送器选择的几个基本原则如

下 [6] ：

①尽可能选择测量误差小的测量元件。 ②尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。 ③正确采用微分超前补偿。 ④合理选择测量点位置并正确安装。 ⑤对测量信号作必要的处理。

本系统需要两个温度传感器，一个安装在炉膛内；另一个安装在出口处。根据测量精度和测量范围等要求，选用铂热电阻pt100为温度传感器，选择JCJ100G为温度变送器。 2.3.2 执行机构的选择

由于本次设计选用的是电阻丝加热炉，属于电加热形式，应该选择温度控制器作为执行机构，选用对应的MJYD-JL-20型单相交流模块。

PLC控制器输出的数字量经过D/A转换成温度控制器可识别的模拟电压信号后，根据不同的电流值，MJYD-JL-20型单相交流模块输出相应的电压值从而控制电阻丝两端的电压值，达到调节温度的目的。 2.4 微型计算机的选择

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（论文） 工业中常用的控制器有工业控制计算机、单片机和可编程控制器等。与其它几种控制器

相比较，可编程控制器是综合了计算机技术、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器，是专为工业环境应用而设计的。它可以取代传统的继电器完成开关量的控制，比如，将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元器件作为输入信号，输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程的存储器，在其内部存储，执行逻辑运算，顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程实现自动化。工业控制采用PLC，显示了突出的优越性，因它可对用户提出的生产控制要求和意见，能方便地在现场进行程序修改和调试，使

系统的灵活性大大增强。内部的软继电器使系统在控制中能严格地起到互锁作用，增加了系统的可靠性，简化设备，维修方便。而且，随着PLC的发展，在硬件、软件方面都会有更先进的计数出现。针对系统的特点，分析各控制器的优缺点，采用PLC作为本次设计的控制器。具体比较如下 ：

首先，PLC和PC控制相比,具有以下优点：

(1)对低端应用,PLC具有极大的性能价格比优势.工控机的价格较高,将它用于小型开关量控制系统以取代继电器控制,无论是在体积和价格上都很难接受,可靠性也远不如PLC。

(2)PLC的可靠性无可比拟,故障停机时间最少.基本WindowsNT/2000/XP操作系统的IPC控制系统,在实时任务处理,长期稳定运行,抗病毒和恶意攻击等方面还存在较大的问题.IPC控制系统在可靠性和安全性等方面还未获得广泛的认同。

(3)PLC是专为工厂现场应用环境设计的,结构上采取整体密封或插件组合型,对印制板,电源,机架,插座的制造和安装,均采取了严密的措施。

(4)PLC是使用专门为工业设计的编程语言,这些语言简单易学.工控机如果用VB,VC等语言来编程,需要花更多时间来学习,编程的效率也没有PLC高.如果使用Windows操作系统，其稳定性远远不如PLC,时间控制精度也较差。

(5)与PC机发展太快相比,PLC产品可以长期供货,并提供长期的技术支持。 (6)PLC有庞大的有经验的设计人员,维护人员和技术支持系统。 其次，与单片机相比，具有以下优点[8]：

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1.由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。

2.编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统。 3.抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。

4.有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。

再次，目前在张力、速度、液位特别是温度等过程控制中，经常使用温控器等专用控制器或用户自制设备。这些控制器虽然使用和设置比较简单且控制针对性强，但是用途比较单一，控制范围有限，同时用户自身的经验技巧不易应用到其中。近年来，随着技术的发展，PLC的处理速度越来越快，功能也越来越丰富。因此，采用PLC进行PID控制可以逐渐取代

一些传统的控制手段。就以温度为例，可以比较出采用PLC的优点。通常所使用的温度控制器适用于单纯的单回路温度控制，而PLC可以实现多回路的整体控制，相比主要有以下的特点：在多点加热时，可以错开加热导通时序，避免同时导通引起的大电流;在控制过程中可以自由简便地修改设定值及其它参数；可以定时自动执行所需的控制曲线；可以使用相位控制，降低冲击电流、峰值电流，减少加热器频繁冷热变化引起的热压力；可以同时控制系统或机械中的其它动作；可以实现多种报警功能等等。

最初的PLC主要是用于取代继电器进行顺序控制，其后又逐步扩充了数值运算、模拟量、电机控制、网络通信。从发展趋势看，PID控制特别是温度控制将是今后PLC应有的功能。

综上，针对系统的工艺机构及要求，最后选择了小型机CPM2A系列PLC，具体型号为CPM2A-40CDR-A，I/O点数为40，使用电源类型为AC，输出方式为继电器输出型。 2.5 输入输出通道及外围设备的选择

根据锅炉的控制、监视和管理的要求，选择输入输出通道的配置并配备所需要的外围设备如下：

输入通道：Pt100温度传感器→JCJ100G铂电阻温度变送器→MAD02→CPM2A-40CDR-A 输出通道：CPM2A-40CDR→MAD02→MJYD-JL-20型单相交流模块

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（论文）

2.6 系统的原理框图

系统原理框图如图2-1所示，工作原理如下：选取炉出口温度为主被控参数（简称主参数），选取炉膛温度为副被控参数（简称副参数），把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。这样，扰动对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（称为副调节器）构成的控制回路（称副回路）来克服，扰动对炉出口温度的影响则由出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）来消除。

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（论文） 计算机 管式电阻炉 编程 温度变送器 A/D 转换 P L C D/A转换 温度变送器 单相可控调压装置 ～220V 图2-1锅炉串级系统框图

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（论文） 本系统是以CPM2A-40CDR-A为核心的温度串级控制系统的设计,在设计中采用高精度的铂电阻传感器对电热锅炉的水温进行实时精确测量,用JCJ100G温度变送器把传感器的输出信号转换成0～5V标准电压信号,再送入8位的MAD02进行A/D转换,从而实现自动检测。控制部分采用PID算法,经过PID运算产生的控制信号u(k)是数字信号，将其送入012通道实现D/A转换，此时在MAD02的输出端就形成了模拟信号，将此模拟信号送入执行机构（温度控制器）。实时更新PWM控制输出参数,控制可控硅,最终实现对炉温的高精度控制。

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（论文）

3 控制算法的选择和参数计算

3.1 控制算法的选择

在温度自动控制中，比较常见的几种算法有PID控制、模糊控制、纯滞后补偿、智能控制等。

PID控制是比例、积分和微分三种动作的合成作用，其作用是使被控制对象达到并保持于

设定值（SV），当SV发生变化时，能使受控对象快速达到新的目标值。通常，在控制系统中

有一定容量的储能元件，因此系统中常会有一定的惯性和时间上的滞后，负载的变化以及电源系统的干扰都会给控制带来影响，造成系统参数的变化，从而使控制性能改变。采用PID调节，可对系统偏差进行比例调节，引入积分环节，对偏差进行积分，提高了系统控制精度和抗外界干扰能力。引入微分环节，用于克服系统的惯性滞后，从而提高系统的稳定性。这就大大提高了控制系统的性能和品质。

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PID调节是经典控制理论中最典型的控制规律，在以往的模拟控制系统中得到了广泛的应

用，对相应的控制对象进行控制时获得了比较满意的结果。

作为一种非常简便、有效的控制方法，PID控制长期以来一直被广泛用于温度、液位、张力、压力、速度等过程控制系统中。虽然在多年的实际应用中，也出现了多种改进型的PID算法，例如模糊PID控制、智能PID控制等，但是常规的PID控制算法对大多数控制系统已经能够满足误差精度要求，因此许多用于过程控制的设备都采用常规的PID控制算法。此次方案的设计也不例外。

由于设计的是一个串级控制，系统中用两个控制环路分别控制两个被控参数，在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的出发点。主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数的设置是为了保证

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