锅炉汽包水位的控制研究 摘要
锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分，因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。
锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格蒸汽，使锅炉蒸汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉水位控制系统是过路生产控制系统中最重要的环节。锅炉是一种特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产操作如果不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。而对水位的控制不当，往往是汽包受到蒸汽负荷干扰后，产生虚假水位，使控制器反向动作。
本文在分析了锅炉汽包水位特性的基础上，梳理了控制系统的几种方案，对其中的三种方案进行了Matlab仿真，并提出了硬件设计方案，以及阐述了先进控制策略的发展。
关键词：锅炉；汽包水位控制；仿真；控制策略
The Research Of Boiler’s Drum Water Level Control
ABSTRACT
The boiler is absolutely necessary significant power plant of industry
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production process such as the chemical industry, oil refining, generation of electrical energy, papermaking and refines sugar and so on. As a result, it is indispensable systematically to analyze research to the automatic control in the boiler installation.
The boiler is the power plant that the whole factory is significant, that such is providing competent steam, causing the boiler amount delivering steam adapt to the burden necessaries. For this reason, production process every main technology parameter has to rigorously enforce the control. Segment that the boiler water level control system is the most significant in the boiler.
This paper analyzes the characteristics of the boiler drum water level on the basis of the control system of combing several options, of which three programs of the Matlab simulation and made the hardware design, and will elaborate on the development of advanced control strategies.
Key Words: boiler; drum water level control; simulink; control strategy
目录
锅炉汽包水位的控制研究 .................................................................................................................................................1 摘要 .....................................................................................................................................................................................1 ABSTRACT ........................................................................................................................................................................1 1绪论 ..................................................................................................................................................................................4 1.1意义 ...........................................................................................................................................................................4 1.2 虚假水位的形成及对策 ..........................................................................................................................................5 1.3本文的主要工作 .......................................................................................................................................................6
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2锅炉汽包水位的动态特性 ..............................................................................................................................................7 2.1给水流量作用下的动态特性 ...................................................................................................................................7 2.2蒸汽流量作用下的动态特性 ...................................................................................................................................8 3汽包锅炉水位控制系统的设计 ......................................................................................................................................9 3.1概述 ...........................................................................................................................................................................9 3.2单冲量控制系统 .......................................................................................................................................................9 3.3双冲量控制系统 .................................................................................................................................................... 11 3.4三冲量控制系统 .................................................................................................................................................... 11 3.4.1单级三冲量控制系统 ..................................................................................................................................... 11 3.4.2三冲量串级控制系统 ..................................................................................................................................... 13 4锅炉汽包水位的Matlab仿真 ..................................................................................................................................... 16 4.1仿真软件功能概述 ................................................................................................................................................ 16 4.2汽包锅炉水位控制系统的仿真 ............................................................................................................................ 17 4.2.1单冲量控制系统的仿真 ................................................................................................................................. 17 4.2.2三冲量控制系统的仿真 ................................................................................................................................. 19 4.2.3仿真结果分析 ................................................................................................................................................. 21 5硬件设计 ....................................................................................................................................................................... 21 5.1 8051单片机的原理及特点 ................................................................................................................................... 22 5.1.1 8051单片机的基本特点 ................................................................................................................................ 22 5.1.2 8051单片机的基本组成原理 ........................................................................................................................ 22 5.2 8051单片机汽包锅炉水位控制的结构原理 ....................................................................................................... 23 5.2.1工作原理 ......................................................................................................................................................... 23 5.2.2 控制的程序框图 ............................................................................................................................................ 24 5.2.3部分程序代码 ................................................................................................................................................. 24 5.3 小结 ....................................................................................................................................................................... 27 6先进控制策略的发展 ................................................................................................................................................... 27 6.1预测控制 ................................................................................................................................................................ 27 6.1.1预测函数控制 ................................................................................................................................................. 27 6.1.2 模型预测控制 ................................................................................................................................................ 27 6.2自适应控制 ............................................................................................................................................................ 28 6.2.1自校正控制 ..................................................................................................................................................... 28 6.2.2 PID参数的自整定 ........................................................................................................................................... 29
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6.3智能控制 ................................................................................................................................................................ 29 6.3.1 专家控制系统 ................................................................................................................................................ 30 6.3.2神经元网络优化控制 ..................................................................................................................................... 30 7全文工作总结 ............................................................................................................................................................... 31 参考文献 .......................................................................................................................................................................... 31 致谢 .................................................................................................................................................................................. 32
1绪论
1.1意义
21世纪自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用，热力发电厂的生产过程中也毫无例外的采用了自动控制技术。在热力发电厂的生产过程中采用的热工自动控制系统，是伴随着社会对电能需求的日益增加、单机容量的日益扩大和自动控制技术在热力发电厂中应用的深度与广度与日俱增而逐步发展起来的。
锅炉是一种既受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。对过滤生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。
工业锅炉中常见的事故有：锅炉缺水，锅炉超压，锅炉满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。
汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，同时锅炉汽包水位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量。随着科学技术的飞速发展，现代锅炉要向蒸发量大，汽包容积相
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对减小的方向发展。这样，要使锅炉的蒸发量随时适应负载设备的需要量，汽包水位的变化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水，或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，将水位严格控制在规定的范围之内。
维持锅炉水位在一定的范围内变化，是汽机和锅炉安全经济运行的重要条件。若水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至破坏，影响机组的正常运行和经济性指标。若汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而烧坏。
随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求。随着锅炉容量的增大，锅炉负荷变化对水位的影响加剧了。另外，锅炉工作压力的提高，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。
因此，随着汽包锅炉朝着大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以保证水位控制的准确性，保证锅炉运行的安全可靠，而且大大减轻运行工作人员的工作强度，减少人为因素的影响。
1.2 虚假水位的形成及对策
虚假水位是锅炉运行时不真实的水位。虚假水位的产生是由于当汽包压力突降时，炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水大量放出热量来进行蒸发。于是炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，使水位不是下降而是很快上升，形成虚假水位。当汽
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包压力突升时，则相应的饱和温度提高一部分热量被用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合物的体积收缩，使水位不是上升而是很快下降，形成虚假水位。
此外当锅炉内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚假水位。锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时，都会产生虚假水位。在负荷突然变化时，汽压也相应变化，这时将会出现虚假水位。负荷变化速度越快，虚假水位越明显。如遇汽轮机甩负荷，汽压突然升高，水位将瞬时下降；运行中燃烧突然增强或减弱，引起汽泡量突然增大或减少，使水位瞬时升高或下降；安全阀起座时，由于压力突然下降，水位瞬时明显升高；锅炉灭火时，由于燃烧突然停止，锅水中汽泡产量迅速减少，水位也将瞬时下降。
在输入端引入蒸汽流量信号，设置水位系统的前馈调节，于是当蒸汽流量增大时，给水量随之增大，给水量增多，水温又较低，有利于克服“虚假水位”的影响。
1.3本文的主要工作
本文以工业锅炉控制为背景，主要以其中的汽包水位控制系统为对象，研究了典型的控制方案并用Matlab工具作了仿真，主要作了一下工作：
1．阐述了电站锅炉汽包水位自动控制的意义。
2．分析了锅炉汽包水位的动态特性。
3．建立锅炉汽包的数学模型。
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4．设计锅炉汽包水位的控制方案并在Matlab进行仿真计算。
5．利用单片机完成相关硬件设计
6．概述了先进控制策略的发展
2锅炉汽包水位的动态特性
2.1给水流量作用下的动态特性
根据物料不平衡和热平衡的关系，锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程经推导，可简化成：
T1T2d2hdt2T1dUWdhdUDTWKWUWTDKDUDdtdtdt （2-1） 式中：h为汽包水位的高度；
TW
为给水流量项的时间常数；
TD为蒸汽流量项的时间常数；
KD为蒸汽流量项的放大倍数；
T1、T2为时间常数。
同时UD、UW的式子如下：UDDDMAXUWWDMAX （2-2）
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式中：D为锅炉蒸汽流量；
W为锅炉给水流量。
可见，引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量（称为外扰动）和给水流量（称为外扰动），因此，在给水流量作用下的汽包水位调节对象的运动方程式可表示为：
T1T2d2hdt2T1dUWdhTWKWUWdtdt （2-3）
两边取拉氏变换，结合工程实际忽略较小的，并考虑到汽包水位在较长一段时间里不随给水量的增加而增加。因此，可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型如下：
GWSK1HSUWSS1TaS （2-4）
通过现场数据的采集和数据的分析处理，最终，可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型为：
GWSK1HS0.05UWSS1TaSS115S （2-5）
2.2蒸汽流量作用下的动态特性
同理，可得到在外扰动下，汽包水位调节对象的动态特性方程为：
T1T2d2hdt2T1dhdUDTDKDUDdtdt （2-6）
对上式方程进行拉氏变换，并令KKDT2TDT1、TT1量作用下的动态数学模型如下：
GDSKD 得到锅炉汽包水位在蒸汽流
HSK1UDST2S1TS （2-7）
8
经过对现场数据的分析和处理，最终可得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型为：
GDSHSK150.05UDST2S1TS15S1S （2-8）
3汽包锅炉水位控制系统的设计
3.1概述
汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是控制领域的一个典型的难问题。随着控制理论、控制技术和现代控制方法的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐渐提高。其间主要经历了上世纪三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代兴起的计算机控制等几个阶段。通常有如下几种方案：
(1) 单冲量控制系统。即汽包水位的单回路水位控制系统；
(2) 双冲量控制系统。即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号；
(3) 三冲量控制系统。是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构成。
3.2单冲量控制系统
单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值H与给定值H0的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内。系统框图为图3-1所示。
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图3-1 单冲量控制系统框图
这种控制系统结构简单，是典型的单回路定制控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定，“虚假水位”现象不严重的情况下，采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。
单冲量汽包水位调节的优点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“虚假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节时能够满足生产要求。
单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有：
（1）单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚假水位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。
（2）从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动作，而在调节器动作后又要经过一段滞后时间 才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波动幅度大，过程时间长。
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3.3双冲量控制系统
在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈-反馈”控制系统。系统框图为图3-2所示。
图3-2 双冲量控制系统框图
双冲量控制系统的优点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”所引起的不良影响。当蒸汽量变化时，就有一个给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象引起的假水位；引入蒸汽流量前馈信号，能够改善控制系统的静态特性，提高控制质量。双冲量控制系统存在的问题是：对于给水系统的扰动不能直接补偿，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节，滞后时间长，水位波动大。
3.4三冲量控制系统
3.4.1单级三冲量控制系统
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三冲量锅炉汽包给水自动控制系统，是以汽包水位H为主控制信号，蒸汽流量D为前馈控制信号，给水流量W为反馈控制信号组成的控制系统。
三冲量控制系统采用蒸汽量进行前馈控制。当负荷（蒸汽流量）突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的方向误动作。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀，从而使给水量保持不变。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以使用三冲量控制系统，能使调节器动作加快，还可以避免调解过量，减少水位波动，防止失控。系统框图为图3-3所示。
图3-3单级三冲量控制系统框图
从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内。但它的引入可以改善控
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制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。
单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。与单冲量和双冲量相比，最大的不足是，系统成本高，系统复杂，不容易整定。
3.4.2三冲量串级控制系统
随着生产过程向着大型、连续和强化的方向发展，对操作的要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制的精度和功能提出新的要求。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统。如图所示的三冲量串级控制系统框图中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，做出相应的调整。系统框图为图3-4所示。
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图3-4 串级三冲量控制系统框图
在实际应用中，由于选定的控制阀门不一样，串级三冲量作为控制系统的设计也就不一样。
3.4.2.1选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门
选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门对于系统设计来说，方案成熟，是典型的串级三冲量控制设计，在实际现场应用中最为广泛。该系统的设计思想是：以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号，构成主调节回路，以蒸汽流量信号作为前馈信号，构成前馈调节回路，总给水流量作为串级信号，构成副调节回路，由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”现象对自动控制的不良影响。其控制系统方框图如图3-5所示。
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图3-5 串级三冲量控制方案一方框图
该系统的优点是：（1）系统适合于对于汽包水位要求严格或变化频繁、虚假水位严重的系统；（2）对信号的静态配合要求没有那么严格，主调节器能自动校正信号配合不准所引起误差；（3）可以实现无差调节（不存在稳态配合问题）。缺点有：（1）在整定参数时的步骤较多；（2）尤其在无论主环还是副环，只要是有一个环发生振荡，就可能造成系统的崩溃。
3.4.2.2选用进省煤气阀作为汽包水位控制阀门
选用进省煤气阀作为汽包水位控制阀门对于系统设计来说，系统相对独立，控制思路也相对清晰。该系统的思想是，以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号，构成主调节回路，以蒸汽流量信号作为前馈信号，构成主调节回路，以蒸汽流量信号作为前馈信号，总给水流量也作为前馈信号，构成前馈调节回路，总给水流量减去减温水流量，即进省煤气的给水流量与前两个控制回路的输出构成副调节回路（即串级回路），由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。其控制系统方框图如图3-6所示。
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图3-6 串级三冲量控制方案二方框图
该系统实际是串级三冲量控制的一种变形，是在实际应用过程中为更好地满足工艺的要求而确立的；给水总管阀全开，然后将减温水阀与进省煤气的阀分离开来控制，由控制算法和软件来消除联动控制系统所带来的不便；该系统适合于对汽包水位要求严格或变化频繁，虚假水位严重的系统。
4锅炉汽包水位的Matlab仿真
4.1仿真软件功能概述
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
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Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
4.2汽包锅炉水位控制系统的仿真
4.2.1单冲量控制系统的仿真
单冲量控制系统的SIMULINK仿真模型如图4-1所示。
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图4-1 单冲量控制系统SIMULINK仿真模型
令PID参数的初始值=4.5，=0.1，=2.1，仿真时间设为200s，在1s加幅值
为0.2的阶跃信号，并同时加500%的干扰，最终得到的响应曲线如图4-2所示
0.70.60.50.40.30.20.10020406080100120140160180200
图4-2 单冲量控制系统响应曲线
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4.2.2三冲量控制系统的仿真
4.2.2.1单级三冲量控制系统的仿真
单级三冲量控制系统的SIMULINK仿真模型如图4-3所示。
图4-3 单级三冲量控制系统SIMULINK仿真模型
设定水位变送器的比例系数为0.1，给水流量信号及蒸汽流量信号变送器的比例系数为0.3，调节阀的比例系数为2，给水流量及蒸汽流量信号的分流系数为0.25；令PID参数的初始值
=21，=0.45，
=4.6，仿真时间设为1000s，加单位阶跃信号，并分别在
400s和700s分别加给水流量扰动和蒸汽流量扰动，最终得到的响应曲线如图4-4所示
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12108642001002003004005006007008009001000图4-4 单级三冲量控制系统响应曲线
4.2.2.2串级三冲量控制系统的仿真
串级三冲量控制系统的SIMULINK仿真模型如图4-5所示。
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图4-5 串级三冲量控制系统SIMULINK仿真模型
主控制器参数为=21，=0.45，=4.6，副控制器参数为=12，=25，=0.01，
其他参数同单级三冲量控制系统，仿真时间设为1000s，加单位阶跃信号，并分别在400s和700s分别加给水流量扰动和蒸汽流量扰动，最终得到的响应曲线如图4-6所示。
12108642001002003004005006007008009001000
图4-6 串级三冲量控制系统响应曲线
4.2.3仿真结果分析
从响应曲线可以看出，单冲量控制系统超调大，响应较慢，快速性差，抗干扰能力较差。控制性能远不及三冲量控制系统。而串级三冲量控制系统在快速性、抗干扰性上也较单级三冲量控制系统更加优越，响应曲线更加平稳，对蒸汽流量扰动的抑制也更强。
5硬件设计
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5.1 8051单片机的原理及特点
5.1.1 8051单片机的基本特点
8051单片机是由运算器、控制器、定时器/计数器及I/O接口电路等构建组成，并且集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了系统的含义。它以体积小，功能全，价格低及控制功能强等特点，使之在控制中得到广泛应用。此外，8051单片机的应用时面向现场的，因此它具有很强的抗干扰能力，这是其它计算机所不及的。
5.1.2 8051单片机的基本组成原理
中央处理器（CPU）：中央处理器是单片机的核心，用于实现运算与控制功能，其中的运算器和控制器是构成CPU的两个部分。运算器的主要功能是实现数据的算术运算、逻辑运算、位操作以及数据传送等。控制器的主要功能是协调整个单片机的工作，产生时序脉冲，提供控制信号。
数据存储器：用于存放可读写的数据。
程序存储器：用于存放程序和原始数据。
定时器/计数器：以实现定时和计数功能。
并行I/O口：共有四个8位的I/O口，用以完成数据的并行输入/输出。
串行I/O口：有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它计算机或设备之间的串行
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数据传送。
中断控制系统：共有五个中断源，可以满足控制应用的组要。
从上述内容可以看出，8051虽然只是一个单片机芯片，但“麻雀虽小五脏俱全”不但作为计算机应该具有的基本部件，单片机都已包括，而且还具有了一些系统的概念。
5.2 8051单片机汽包锅炉水位控制的结构原理
5.2.1工作原理
首先给出锅炉水位的正常工作范围，由于水不断蒸发使水位下降，8051单片机发出控制信号，控制执行机构，使给水阀门开打，注水量增加，水位恢复到规定范围内；当水位高于规定值时，8051单片机再次发出控制信号，使给水阀门变小，注水量降低，水位又恢复到规定范围。如此循环工作，使七宝水位得以准确控制，保证锅炉的安全、可靠运行。工作原理见图。
23
8051单片机锅炉汽包水位控制系统框图
5.2.2 控制的程序框图
设采集的水位值（）放在累加器A中，才外，在内部RAM54H单元存放水位控制的下限值（），在55H单元存放水位控制的上限值（）。若>，程序转向TG（停止给水）；若>，则程序转向GS（给水处理）；若≥≥，则程序转向FH，以返回主程序。系统控制的程序流程见图。
系统控制的程序流程图
5.2.3部分程序代码
5.2.3.1初始化程序
初始化程序如下:
24
ORG 0000H
MAIN： MOV R0，#0A0H ；数据暂存区首地址
MOV R2，#03H ；3路计数初值
SETB IT1 ；脉冲触发方式
SETB EA ；开中
SETB EX1
MOV DPTR，#0000H ；指出0809首地址
READ1： MOV @DPTR，A ；发动A/D转换
LCALL DELAY ；等中断
CJNE R2，#00H，READ1
AJMP MAIN ；巡回为完继续
5.2.3.2 A/D转换程序
ADC0809转换程序如下：
25
ORG 0000H
MOV DPTR，#0000H ；ADC口地址
MOV A，#00H ；转换IN0
MOV @DPTR，A ；启动A/D转换
LOOP： ORL P3，#03H
JB P3.2，LOOP ；等待转换结束
MOV A，@DPTR
MOV 2000H， A ；存入数据存储器
MOV DPTR，#0001H ；转换IN1
MOV @DPTR，A ；启动A/D转换
LOOP1： ORL P3，#03H ；等待转换结束
JB P3.2 ，LOOP1
MOV A，@DPTR
26
MOV DPTR，#2000H
MOV @DPTR，A ；存入数据存储器
5.3 小结
对锅炉汽包水位用8051单片机控制之后，不仅控制的精度高，准确性好，可靠性高，而且使该行业的工作人员的劳动强度大大降低，所以该控制系统具有相当高的实用价值。
6先进控制策略的发展
6.1预测控制
6.1.1预测函数控制
预测函数控制由Richalet和Kuntze等人提出，并成功地应用于工业机器人的快速高精度控制。PFC把控制结构的输入作为关键，可以克服其他模型预测控制可能出现规律不明的控制输入问题，同时具有良好的跟踪能力、较强的鲁棒性，抑制干扰能力好。PFC应用到锅炉汽包水位控制系统，并考虑负荷变化对汽包水位的影响，将蒸汽流量信号引入到PFC的预测模型中，用具有对负荷变化潜亏补偿的七宝水位系统预测函数控制策略。仿真结果表明，采用该新型汽包水位系统控制策略具有良好的动态调节品质和很强的鲁棒性。
6.1.2 模型预测控制
模型预测控制（MPC）或称后退时域控制（RHC）是一类特殊的控制。它的当前控制作用是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。过程的当前状
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态作为最优控制问题的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用，这是它与那些使用预先计算的控制率的常规控制方法的最大不同。
模型预测控制首先需要得到锅炉汽包水位对象的动态特性模型，由于锅炉动态特性较为复杂，不宜从理论上直接求取，所以目前主要是通过实验测试来获得。在对象特性测试中，施加扰动的形式只要有节约扰动和脉冲扰动，在锅炉运行过程中，出现的许多扰动接近于阶跃变化。如：进水阀门突然开大或关小，蒸汽负荷突然增加或减小等，由于节约信号既典型又便于实现，因此锅炉动态特性测试中，输入信号常常采用阶跃变化的形式。优点：模型预测控制能大大提高对象的响应速度，极大地提高控制质量。
6.2自适应控制
6.2.1自校正控制
自校正控制（STC）系统是自适应控制系统的一种，自校正系统是由受控对象、参数辨识器和控制器等3部分组成。在工业过程控制中，当被控对象是时变的或者有很强的非线性时，用常规的PID控制不能得到良好的控制效果，这是因为常规的PID不能在线实时调整参数的缘故，而自校正控制系统中，受控对象的初始不确定性及因受到随机干扰而引起的参数变化，可以通过对受控对象参数和状态的不断在线估计得到正确反映，也就是说STC可以在线实时调整参数，已达到较好的控制效果。
控制方案为：采用自校正控制器分别控制主汽压力和水位；主汽压力控制和水位控制中的外扰和通道引入随机干扰信号，并且对外扰加入前馈控制；控制通道中考虑饱和非线性
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死区非线性。系统特点是：自校正控制器对于那些存在着随机干扰、对输入响应有迟滞、过程特性具有一定非线性的比较复杂的对象有很好的控制效果。缺点：自校正控制器的算法比较复杂。
6.2.2 PID参数的自整定
PID参数的自整定是为了提高PID调节器的适应能力，将自适应技术和PID调节结合起来，产生了自校正PID调节器。这里采用相关系数辨识法来在线调节PID参数。
相关系数辨识法的过程为：采集所要整定回路闭环运行时的输入/输出数据，用采集的实际输入数据激励选用的模型，计算实际输出与模型输出的相关系数，不断调整模型参数，搜索对应于相关系数最大值的数学模型，再在此模型的基础上按照二次型性能指标设计最优的PID控制器。此过程在系统运行中不断在线进行。
参考模型为供选择的过程对象的可能的数学描述，每一种参考模型都可以用有限的几个参数确定，若一个参考模型是对一个实际过程的比较好的描述，则在相同的控制序列作用下，模型输出序列和实际过程输出序列的子样相关系数最大。求得最大的相关系数后，采用Hooke-Jeeve模式搜索法来寻求最优的PID参数。实际运算中，要设定3个PID参数的上、下限（缺省值为控制系统PID参数的上、下限），而Hooke-Jeeve搜索的初值可以取PID参数上、下限内的任意数值。引入PID自动整定是因为采用三冲量串级控制系统的PID参数调整好以后，控制效果较好，但过了一段时间或者工况改变后，效果变差。系统的优点是：原理简单、操作简单、鲁棒性强，特别是无需开环运行，一般不需要施加扰动信号，比较适合工业过程控制。
6.3智能控制
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6.3.1 专家控制系统
通常的专家系统是综合有关领域专家的知识、仿照专家解决问题的方法设计的计算机智能软件系统，它一般离线工作。与此同时，专家控制系统需要在线运行，具有实时性的要求，并且它不仅是独立的决策者，还可以获得反馈信息实施在线控制。专家控制系统应用到汽包水位的控制室一个专家系统与实时控制协调的实时控制系统，根据水位偏差、负荷变化及变化率或母管压力的变化由专家系统根据规则选用合适的PID参数，极端情况下，专家系统接管实时控制进行直接转接控制输出，以尽快使水位回到正常值。
该系统特点是：（1）PID控制器的参数并非固定一组，而是根据水位系统所处动态环境的不同，仿专家经验选取合适的控制参数。这种控制参数随动态不同而改变的策略显然会改善控制品质；（2）控制参数事先根据专家经验离线整定完毕，实时控制中专家控制器只是根据对象的模糊化信息通过规则进行选取，这种方法虽然在精度上比实时镇定保守，但它更可靠，且实时性强，没有参数正定时间；（3）极端情况下直接对调节阀进行规则控制（或直接改变内环流量设定值进行单回路控制）可能迅速遏制系统向更坏的方向发展，快速把系统拉回正常值，而PID常规控制基于增量的输出作用在极端情况下往往太弱，使操作人员不得不改为手动操作。该系统不足的地方是必须精确地确定对象模型，但操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示。
6.3.2神经元网络优化控制
神经网络具有学习功能，它能够适应环境的还变，自动修改网络参数，因此为解决复杂过程的自动控制提供了一条有效的途径。神经元网络优化控制法将模型辨识、预测及最优控制与神经网络相结合，由神经元网络模型预估器辨识系统模型实时为控制器提供参考输入；由最优控制器对数据惊醒处理、决策，选定最优的控制量，达到最佳的控制效果。
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优化控制器从控制的要求来说，被调变量变化越小，控制精度越高。但就整个控制系统的调节质量而言，若要以控制参数即给水流量的变化大为代价来力求水位量的变化小，将会导致调节机构频繁而大幅度地动作，这在系统运行中是不希望出现的。因此。在提高控制精度的同时，调节机构应尽可能不作频繁剧烈的动作。具体实施时，采用在控制指标中加入控制约束量，以限制过大的控制量冲击，使控制变量变化平稳。该控制系统的特点是：（1）尤其适用于非线性严重、阶次高的系统；（2）由于控制算法并不依赖于对象的数学模型，所以，它能随系统参数、结构及外界干扰条件的变化，实时地调整网络及控制规律，时钟达到最优的控制效果；（3）从仿真结果可以看出，该控制系统具有良好的抗干扰能力。
7全文工作总结
1. 分析了锅炉汽包水位自动控制的意义及其研究现状。
2. 分析了“虚假水位”的成因及对策。
3. 建立了锅炉汽包的数学模型。
4. 设计了锅炉汽包水位的控制方案并在Matlab进行仿真计算。
5. 利用8051设计出计算机控制系统的主要电路与核心控制程序。
参考文献
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致谢
首先，在本论文完成之际，我谨向常俊林老师致以最真挚的感谢！从课题方向的选择到论文工作的理论分析，直至整个论文的撰写、定稿，都是与老师的指导和帮助分不开的。
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在此期间，常老师的悉心指导不但使我成功完成了论文，也对于专业知识在生产中的运用有了更加深刻的理解。
其次，我还要感谢我的家人和同学在我论文写作中给我的大力帮助，在此一并表示衷心的感谢。
再次向那些帮助过我的人表示衷心的感谢！
老师评语： 33
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