模仿生物温度感知能力的高效高频直流锅炉温度控制设计
发布时间：2021-01-31 19:44
电加热锅炉是一种清洁环保、安全高效的供热设备,广泛应用于金属冶炼、样品熔样、零件热处理等工业领域以及北方供热采暖等生活方面。然而电加热锅控制系统因其具有非线性、大滞后的特点,采用常规的控制算法容易产生较大的超调量,难以达到较好的控制效果。传统的锅炉温度控制主要是通过晶闸管交流调压实现,这种方式会造成严重的谐波污染,输出谐波高,功率因数较低。针对这些问题,本文提出了基于BUCK电路的锅炉温度控制方式,将交流电转换为直流电,通过模糊PID算法实现直流电压和温度控制。本文首先对控制对象根据机理分析法,分析了被控对象的物理特性;在实验的基础上,利用阶跃响应曲线法求取该系统的传递函数。提出采用基于BUCK电路的直流调压控温方式;完成核心器件的选型和硬件电路的搭建。然后对常规PID、模糊PID控制算法的原理进行了分析研究,在MATLAB中运用常规PID、模糊PID算法对系统进行了设计,并对它们的仿真结果进行了对比,通过仿真结果表明模糊PID控制效果更好。最后采用西门子S7-300系列PLC作为控制器;设计了整体开发流程、编写数据转换程序块和通讯程序块。针对超调量较大、控制精度低等问题,本文设计了模...
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
实测系统阶跃响应曲线图
上海应用技术大学硕士学位论文第11页第3章锅炉温度控制硬件电路设计传统的锅炉温度控制是基于晶闸管交流调压，其电路原理图如图3.1所示，通过控制晶闸管触发角来控制输出电压，使锅炉温度控制在预定的范围内。但这种电压调节方式会对电网造成严重的谐波污染，输出电流谐波含量高，功率因数低,温度控制精度也较低；传统的三相负载连接方式一般采用星形连接，负载为纯电阻。由于长期使用，各个加热管的老化程度不同，实际上是不对称负载；这样会使得某相电压超过加热管的额定工作电压，大大降低加热管的使用寿命。因此，为了提高供电效率，减少谐波污染。受电磁炉工作原理以及三相PWM整流器的启发，本文提出了基于BUCK电路的锅炉温度控制，将交流电转换为直流电，通过模糊PID智能控制算法实现直流调压和温度控制。图3.1三相晶闸管调温电路Fig.3.1Threephasethyristortemperatureregulatingcircuit采用晶闸管调压控温会产生很大的谐波含量，并且随着控制角不断增大，基波含量急剧下降。相比传统交流调压控温方式，采用该方法有如优势：（1）当电路工作在较低电压时，电路中产生的谐波比较小，对电网干扰小，功率因数较高。（2）整流部分采用单相不可控整流，输出电压的纹波较小；因高频、大功率开关器件出现，可将提高直流斩波电路中的开关频率，从而降低滤波元件的体积和重量，并减少电路的成本，提高转换效率。3.1控制系统的硬件电路设计本文脉宽调制(PWM)微动调节与快速调节输出电压，提高了响应速度和温控精度。温控系统的设计框图如图3.2所示：
第12页上海应用技术大学硕士学位论文驱动电路电加热管温度设定温度显示电源PLC控制器模数转换器模糊PID控制脉冲波调制输出图3.2温度控制系统设计框图Fig.3.2Designdiagramoftemperaturecontrolsystem整个系统由PLC控制单元、驱动电路、BUCK电路、加热管以及温度传感器等几大部分组成，PLC控制器实现系统的总体控制、算法实现以及触目屏温度变化曲线图显示。1.直流电源产生由电网供给的交流电压1U(220V,50Hz)经过整流变换成方向不变，大小随时间脉动的直流电压，通过滤波电容滤去交流分量，得到较平直的直流电压[7]。整流滤波[8]分别采用单相桥式整流电路、电容滤波，其电路图如图3.3所示。选用的整流桥为MDQ25A1600V，实物图如图3.4所示，接入220V交流电时，在接负载的情况下，其输出直流电压大约为280V。VD1VD2VD3VD4220VACC1+图3.3整流电路Fig.3.3Rectifiercircuit图3.4单相不可控整流桥实物图Fig.3.4Physicaldrawingofsingle-phaseuncontrolledrectifierbridge
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PLC技术的电气仪表自动化控制[J]. 凌天智,陈芝俊. 科技风. 2020(11)
[2]基于PLC的双温冷库自动控制系统硬件设计[J]. 汪洁. 南方农机. 2019(24)
[3]BUCK电路外围器件参数选型分析[J]. 马文超. 电子与封装. 2019(12)
[4]基于组态软件和PLC的热电厂水处理监控系统[J]. 杨超,王华金. 大众科技. 2019(11)
[5]模糊PID控制在电锅炉温度控制系统中的应用[J]. 胡新新. 南方农机. 2019(18)
[6]基于Smith预估补偿的啤酒发酵温度控制策略[J]. 高锦,章家岩,冯旭刚. 食品与机械. 2019(08)
[7]基于西门子smart200PLC小型电蒸汽锅炉控制系统设计[J]. 张磊,张华南. 甘肃科技. 2018(22)
[8]基于PLC锅炉专家PID智能控制的研究[J]. 赵静,王敏. 工业炉. 2018(05)
[9]模糊自整定PID控制在油轮辅锅炉中的应用[J]. 王敏,王晓雨. 中国设备工程. 2018(16)
[10]智能控制技术在工业锅炉中的应用[J]. 唐元清,张海燕. 内燃机与配件. 2018(12)
博士论文
[1]四足机器人仿生运动控制理论与方法的研究[D]. 李华师.北京理工大学 2014
[2]四足机器人仿生控制方法及行为进化研究[D]. 孙磊.中国科学技术大学 2008
硕士论文
[1]仿生蚱蜢机器人腿部机构的优化设计[D]. 彭未来.湖南工业大学 2019
[2]仿生人工关节材料制备与界面性能研究[D]. 毛佳恒.安徽理工大学 2019
[3]Buck变换器的模糊PI控制研究与设计[D]. 唐玉雪.东北石油大学 2019
[4]鼓膜仿生结构微谐振器的设计和热弹性阻尼研究[D]. 周凯.南京林业大学 2019
[5]基于PID的电锅炉温度控制系统的研究与设计[D]. 陆梦进.武汉工程大学 2016
[6]PID控制器参数整定方法研究及其应用[D]. 叶政.北京邮电大学 2016
[7]基于PLC和变频技术的工业锅炉过程控制研究[D]. 尚川川.中国石油大学(华东) 2014
[8]电锅炉温度控制算法的研究与应用[D]. 高小凤.太原科技大学 2013
[9]MATLAB环境下锅炉控制系统实时控制的设计与研究[D]. 耿东光.太原科技大学 2011
[10]三相高功率因数PWM整流器的设计[D]. 高争华.大连理工大学 2010
本文编号：3011475
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
实测系统阶跃响应曲线图
上海应用技术大学硕士学位论文第11页第3章锅炉温度控制硬件电路设计传统的锅炉温度控制是基于晶闸管交流调压，其电路原理图如图3.1所示，通过控制晶闸管触发角来控制输出电压，使锅炉温度控制在预定的范围内。但这种电压调节方式会对电网造成严重的谐波污染，输出电流谐波含量高，功率因数低,温度控制精度也较低；传统的三相负载连接方式一般采用星形连接，负载为纯电阻。由于长期使用，各个加热管的老化程度不同，实际上是不对称负载；这样会使得某相电压超过加热管的额定工作电压，大大降低加热管的使用寿命。因此，为了提高供电效率，减少谐波污染。受电磁炉工作原理以及三相PWM整流器的启发，本文提出了基于BUCK电路的锅炉温度控制，将交流电转换为直流电，通过模糊PID智能控制算法实现直流调压和温度控制。图3.1三相晶闸管调温电路Fig.3.1Threephasethyristortemperatureregulatingcircuit采用晶闸管调压控温会产生很大的谐波含量，并且随着控制角不断增大，基波含量急剧下降。相比传统交流调压控温方式，采用该方法有如优势：（1）当电路工作在较低电压时，电路中产生的谐波比较小，对电网干扰小，功率因数较高。（2）整流部分采用单相不可控整流，输出电压的纹波较小；因高频、大功率开关器件出现，可将提高直流斩波电路中的开关频率，从而降低滤波元件的体积和重量，并减少电路的成本，提高转换效率。3.1控制系统的硬件电路设计本文脉宽调制(PWM)微动调节与快速调节输出电压，提高了响应速度和温控精度。温控系统的设计框图如图3.2所示：
第12页上海应用技术大学硕士学位论文驱动电路电加热管温度设定温度显示电源PLC控制器模数转换器模糊PID控制脉冲波调制输出图3.2温度控制系统设计框图Fig.3.2Designdiagramoftemperaturecontrolsystem整个系统由PLC控制单元、驱动电路、BUCK电路、加热管以及温度传感器等几大部分组成，PLC控制器实现系统的总体控制、算法实现以及触目屏温度变化曲线图显示。1.直流电源产生由电网供给的交流电压1U(220V,50Hz)经过整流变换成方向不变，大小随时间脉动的直流电压，通过滤波电容滤去交流分量，得到较平直的直流电压[7]。整流滤波[8]分别采用单相桥式整流电路、电容滤波，其电路图如图3.3所示。选用的整流桥为MDQ25A1600V，实物图如图3.4所示，接入220V交流电时，在接负载的情况下，其输出直流电压大约为280V。VD1VD2VD3VD4220VACC1+图3.3整流电路Fig.3.3Rectifiercircuit图3.4单相不可控整流桥实物图Fig.3.4Physicaldrawingofsingle-phaseuncontrolledrectifierbridge
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PLC技术的电气仪表自动化控制[J]. 凌天智,陈芝俊. 科技风. 2020(11)
[2]基于PLC的双温冷库自动控制系统硬件设计[J]. 汪洁. 南方农机. 2019(24)
[3]BUCK电路外围器件参数选型分析[J]. 马文超. 电子与封装. 2019(12)
[4]基于组态软件和PLC的热电厂水处理监控系统[J]. 杨超,王华金. 大众科技. 2019(11)
[5]模糊PID控制在电锅炉温度控制系统中的应用[J]. 胡新新. 南方农机. 2019(18)
[6]基于Smith预估补偿的啤酒发酵温度控制策略[J]. 高锦,章家岩,冯旭刚. 食品与机械. 2019(08)
[7]基于西门子smart200PLC小型电蒸汽锅炉控制系统设计[J]. 张磊,张华南. 甘肃科技. 2018(22)
[8]基于PLC锅炉专家PID智能控制的研究[J]. 赵静,王敏. 工业炉. 2018(05)
[9]模糊自整定PID控制在油轮辅锅炉中的应用[J]. 王敏,王晓雨. 中国设备工程. 2018(16)
[10]智能控制技术在工业锅炉中的应用[J]. 唐元清,张海燕. 内燃机与配件. 2018(12)
博士论文
[1]四足机器人仿生运动控制理论与方法的研究[D]. 李华师.北京理工大学 2014
[2]四足机器人仿生控制方法及行为进化研究[D]. 孙磊.中国科学技术大学 2008
硕士论文
[1]仿生蚱蜢机器人腿部机构的优化设计[D]. 彭未来.湖南工业大学 2019
[2]仿生人工关节材料制备与界面性能研究[D]. 毛佳恒.安徽理工大学 2019
[3]Buck变换器的模糊PI控制研究与设计[D]. 唐玉雪.东北石油大学 2019
[4]鼓膜仿生结构微谐振器的设计和热弹性阻尼研究[D]. 周凯.南京林业大学 2019
[5]基于PID的电锅炉温度控制系统的研究与设计[D]. 陆梦进.武汉工程大学 2016
[6]PID控制器参数整定方法研究及其应用[D]. 叶政.北京邮电大学 2016
[7]基于PLC和变频技术的工业锅炉过程控制研究[D]. 尚川川.中国石油大学(华东) 2014
[8]电锅炉温度控制算法的研究与应用[D]. 高小凤.太原科技大学 2013
[9]MATLAB环境下锅炉控制系统实时控制的设计与研究[D]. 耿东光.太原科技大学 2011
[10]三相高功率因数PWM整流器的设计[D]. 高争华.大连理工大学 2010
本文编号：3011475
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