模糊控制在小型熱水鍋爐溫度控制中的應(yīng)用

1、應(yīng)用 交流模糊控制在小型熱水鍋爐溫度控制中的應(yīng)用唐山高等專科學(xué)校 孫茂松 郭耀華唐山工人醫(yī)院信息中心 郭瑞芳摘要! 介紹了小型熱水鍋爐模糊控溫系統(tǒng)中, 環(huán)境溫度與鍋爐供水溫度之間數(shù)學(xué)模型的建立, 運用兩輸入單輸出的模糊控制模型進(jìn)行了具體的模糊控制器的設(shè)計, 給出了以MCS 51系列單片機8031為核心實現(xiàn)模糊控制器的最小硬件電路系統(tǒng)及軟件程序框圖。關(guān)鍵詞 溫度控制 模糊控制 硬件電路 軟件分析一、引言對冬季供暖的小型熱水鍋爐進(jìn)行溫度控制, 可度T H 低于 -15#時, 鍋爐供水溫度T W 保持為95#不變。當(dāng)外界環(huán)境溫度T H 高于15#時, 鍋爐停機。以使居室溫度基本穩(wěn)定, 節(jié)省能源。但是

2、, 鍋爐供水溫度的控制受到被控對象、環(huán)境及燃料等諸多因素的影響, 難以建立精確的數(shù)學(xué)模型, 采用傳統(tǒng)的控制方式, 控制器參數(shù)選擇將是很困難的事。如今模糊控制已在諸多領(lǐng)域得到了很多成功的應(yīng)用。由于模糊控制主要是模仿人的控制經(jīng)驗而不是依賴于控制對象的模型, 因此模糊控制能近似地反映人的控制行為, 無需建立對象的數(shù)學(xué)模型, 有很強的魯棒性。為此本文提出對小型熱水鍋爐的溫度采用模糊控制。三、模糊控制器設(shè)計模糊控制是根據(jù)人的控制經(jīng)驗總結(jié)出若干條模糊控制規(guī)則, 以此為依據(jù)由微機具體實施控制。實現(xiàn)形式如圖1所示。輸入量為外界環(huán)境溫度與鍋爐供水溫度的偏差和偏差的變化率。輸出量為鍋爐供水溫度。其中模糊控制器的輸

3、出作為控制鍋爐電機轉(zhuǎn)速的給定值。二、建立鍋爐供水溫度與環(huán)境溫度的數(shù)學(xué)模型居室溫度受外界環(huán)境溫度和鍋爐供水溫度的共同影響。為使居室溫度保持基本穩(wěn)定, 采用鍋爐供水溫度受外界環(huán)境溫度控制的方法。因此, 建立鍋爐供水溫度與外界環(huán)境溫度的數(shù)學(xué)模型如下:80#-T H 當(dāng)-15#T H 15#T W =式中:T W :鍋爐供水溫度; T H :外界環(huán)境溫度。由上式可知:外界環(huán)境溫度T H 為0#時, 鍋爐供水溫度T W 為80#。外界環(huán)境溫度T H 每升高1#, 使鍋爐供水溫度T W 降低1#。當(dāng)外界環(huán)境溫95# 當(dāng)T H -15#圖1 模糊控制實現(xiàn)框圖1 實測值的模糊化(1 溫度偏差的模糊化溫度偏差是

4、指實測外界環(huán)境溫度與實測鍋爐供水溫度的差值。將溫度控制范圍分為模糊控制區(qū)和確定區(qū), 以溫度偏差%6#為界, 在溫度偏度%6#以內(nèi)為模糊控制區(qū)。將溫度偏差分為8個模糊狀態(tài)PL E (正大溫度偏差 、PM E (正中溫度偏差 、PS E (正小溫度偏差 、PO E (正零溫度偏差 、NO E (負(fù)零溫度偏差 、NS E (負(fù)小溫度偏差 、NM E (負(fù)中溫度偏差 、NL E (負(fù)大溫度偏差 。將溫度偏差%6#范圍分為13個點。采用三角形隸屬函數(shù), 給出了它們對應(yīng)于8個模糊狀態(tài)的隸屬度值, 如表1所示。表1 -6#, 6#之間溫度偏差的隸屬度表隸屬度PL E PM E PS E PO E NO E

5、NS E NM E ML E差00000000000000000000000000000 10 40 70 81 000 20 71 00 70 3-6-5-4-3-2-10123456偏低 NM C (轉(zhuǎn)速低 NL C (轉(zhuǎn)速最低 。每種具體輸出狀態(tài)對這7個模糊狀態(tài)的隸屬度值如表3所示。表3 鍋爐電機轉(zhuǎn)速給定值的隸屬度表隸屬度變P L C P M C P S C O C NS C NM C ML C00000000000000000000000000000000 10 40 81 0出輸-7-6-5-4-3-2-10123456700 20 71 00 70 20000000000000 2

6、0 71 00 70 30 1001 00 60 100000000000000000000000000 41 00 80 40 1000000000000000 51 00 5000000 10 61 0000 10 40 81 00 40000000 10 30 71 00 70 200 20 71 00 70 301 00 90 70 40 1000000 20 71 00 70 201 00 80 40 103 模糊控制規(guī)則的建立及模糊總控制表雙輸入單輸出型模糊控制器的控制規(guī)則為&if E and EC then C 。根據(jù)知識經(jīng)驗, 建立模糊控制規(guī)則, 如表4所示(表中*為實

7、際中不存在的情況 。表4 模糊控制規(guī)則表NL EP L EC P M EC PS EC PO EC NO ECPL C PL C PL C PL C PL C PL C *NM E PM C PM C PM C PM C PM C PM C *NS E NL C NM C NS C PS C PS C PS C PS C PL CNO E NL C NM C NS C O C O C PS C PM C PL CPO E NL C NM C NS C O C O C PS C PM C PL CPS E NL C NS C NS C NS C NS C PS C PM C PL CPM E *

8、NM C NM C NM C NM C NM C NM CPL E *NL C NL C NL C NL C NL C NL C(2 溫度變化率的模糊化將溫度變化定義為一個采樣周期內(nèi)的變化。以%1 2#以內(nèi)為模糊控制區(qū)。將其分為8個模糊狀態(tài)PL EC (正大溫度變化 、PM EC (正中溫度變化 、PS EC (正小溫度變化 、PO EC (正零溫度變化 、NO E C (負(fù)零溫度變化 、NS EC (負(fù)小溫度變化 、NM EC (負(fù)中溫度變化 、NL EC (負(fù)大溫度變化 。將%1 2#分為13個點, 采用三角形隸屬函數(shù), 給出了它們對應(yīng)于8個模糊狀態(tài)的隸屬度值, 如表2所示。表2 -1 2

9、#, 1 2#之間溫度變化率的的隸屬度表隸屬度變PL E C P M EC PS E C PO EC NO EC NS EC NM EC ML EC000000000000000000000000000000 10 40 81 000000001 2-1 0-0 8-0 6-0 4-0 20化0 20 40 60 81 01 2變NS EC NM EC NL EC0 20 71 00 70 20 80 40 100000000000模糊關(guān)系R 由Ma mdani 推理法可以寫成R =E (EC (C (1式中:R :模糊關(guān)系矩陣; E :溫度偏差的模糊狀態(tài)的隸屬度值; EC :溫度變化的模糊狀

10、態(tài)的隸屬度值; C :控制輸出的模糊值。模糊輸出C =E (EC R (2R 是一個13(13(15的矩陣。每次控制要計算這樣一個矩陣很困難。為了提高實時性, 簡化程序采用查表法求取輸出控制量。為此在離線情況下將R 求出, 再根據(jù)(2 式算出每種輸入狀態(tài)下的輸出C , 最后用重心法決策算法將C 轉(zhuǎn)化為精確的實際值, 則求得模糊總控制表。最終計算結(jié)果如表5所示。00 4101 00 50 100000000000 10 51 0000 10 40 81 00 400 20 71 00 70 20001 00 80 40 12 輸出控制的模糊化將模糊控制器的輸出狀態(tài)規(guī)定為15種, 分別對應(yīng)于不同的

11、鍋爐電機的轉(zhuǎn)速給定值將這15種輸出狀態(tài)分為7個模糊狀態(tài), 即:PL C (轉(zhuǎn)速最高 PM C (轉(zhuǎn)速高 PS C (轉(zhuǎn)速較高 O C (轉(zhuǎn)速合適 NS C (轉(zhuǎn)速較表5 模糊總控制表1 2 1 00 8 0 6 0 40 20 00 20 40 60 81 01 2-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+67676444210000666644421000076764442100006666 5552076764410767644107676410444310444200222000000 00000-1-1-1-1-1-1-3-2-1圖2 硬件電路框圖-1-1-1-4-4-42 軟件

12、程序由于模糊控制輸出量的求取是采用查表法, 因此軟件程序中只需完成外界環(huán)境溫度與鍋爐供水溫度的采集、求溫度偏差及變化率、查模糊總控制表、輸出量D/A轉(zhuǎn)換等工作。程序流程圖如圖3所示, 程序中使用的寄存器作用如下:R1:用于存放檢測的環(huán)溫; R2:用于存放檢測的水溫; R3:用于存放溫度偏差; R4:用于存放溫度變化率;R5:用于存放由R3、R4查控制表得轉(zhuǎn)速給定值; R6:用于存放確定區(qū)控制時轉(zhuǎn)速上升給定值; R7:用于存放確定區(qū)控制時轉(zhuǎn)速下降給定值; (30H :用于存放電機轉(zhuǎn)速為0時的給定值; (31H :用于存放調(diào)正輸出量為正值的偏差值;-1-4-4-3-4-4-4-2-3-3-4-4-

13、4-3-4-4-4-3-3-6-6-6-6-6-6-6-2-4-7-7-7-7-6-7-6-7-2-4-6-6-6-6-6-6-6-6-2-4-7-7-7-7-6-7-6-7四、模糊控制器的實現(xiàn)1 硬件電路電路框圖如圖2所示, 以MCS 51系列單片機8031為核心構(gòu)成硬件電路, 兩只測溫元件采用AD590溫度傳感器, 分別檢測外界環(huán)境溫度和鍋爐供水溫度。運算放大器OP-07把檢測的溫度信號變?yōu)?5V 電壓。A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809把溫度的摸擬信號變?yōu)閿?shù)字信號送給8031處理。4KB 程序存儲器EPROM2732用于存放模糊控制所必須的變量、模糊控制表和執(zhí)行程序。D/A 轉(zhuǎn)換器DAC083

14、2把8031輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量, 再經(jīng)運算放大器LM324變?yōu)?10V 電壓信號用于鍋爐電機轉(zhuǎn)速的輸出控制。五、輸出控制小型熱水鍋爐供水溫度控制, 是通過同步控制鍋爐的引風(fēng)電機、鼓風(fēng)電機和爐排電機的轉(zhuǎn)速, 從而控制煤的燃燒程序和煤的輸送量, 達(dá)到控制鍋爐供圖3 軟件程序流程圖應(yīng)用 交流 機床電器2001No. 4UPS 不間斷電源的選擇與配置北京機械工程學(xué)院 吳其雨(3 PW M 脈寬調(diào)制型逆變器;(4 各種保護(hù)(過流、限流、過壓、空載、電池極性等 電路及相應(yīng)指標(biāo);(5 交流市電供電與UPS 逆變器供電之間的自動切換裝置及與之相配套的鎖相同步電路和靜態(tài)開關(guān)裝置;(6 邏輯控制電路。利用微

15、處理芯片作UPS 電源中關(guān)鍵部件的工作狀態(tài)的監(jiān)控控制系統(tǒng)等。圖1為在線式UPS 電源工作簡圖。一、概 述隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, UPS 不間斷電源(以下簡稱UPS 電源 越來越廣泛地應(yīng)用到我國國民經(jīng)濟的各行各業(yè)中。在通訊事業(yè)、金融管理、辦公自動化、航空航天技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動化等領(lǐng)域中已成為不可缺少的電源設(shè)備。選取一個(一組 理想、實用、經(jīng)濟、可靠的UPS 電源已成為用戶十分關(guān)注的問題。UPS 電源本身也是一種涉及到數(shù)模電路、數(shù)字通訊、電力電子技術(shù)、微處理器以及軟件編程等多學(xué)科的技術(shù)密集型的電子產(chǎn)品。因此, UPS 電源的選取應(yīng)從技術(shù)性、可靠性、使用壽命和實用性等諸多方面綜合考慮。UP

16、S 電源按其類型可以分為旋轉(zhuǎn)式(即以油機電動機發(fā)電機實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換 、靜態(tài)式(由整流蓄電池逆變器電子線路構(gòu)成 。靜態(tài)式中又分為后備式和在線式, 在線式中我們推薦完全在線式。該類產(chǎn)品具有可靠性強、動態(tài)性能好、擴展功能強, 能適應(yīng)較寬的市電范圍和頻率跟蹤范圍等一系列優(yōu)點。靜態(tài)時UPS 電源是當(dāng)今發(fā)展應(yīng)用的主流, 本文針對此類產(chǎn)品的選型與配置加以論述。一般講, 一臺設(shè)計良好的UPS 電源應(yīng)包括以下部分:(1 交流輸入濾波電路及整流電路; (2 蓄電池及充電電路;圖1 在線式UPS 電源工作簡圖二、UPS 功率和容量的估算和選擇1 決定UPS 功率和容量的因素(1 負(fù)載的性質(zhì)和負(fù)載的功率是決定UPS 功率和容量的兩個重要因素, 負(fù)載功率越大UPS 的容量也越大, 這是無可置疑的。而描述負(fù)載性質(zhì)的參數(shù)水溫度的目的。為此鍋爐電機轉(zhuǎn)速控制需采用交流調(diào)速技術(shù)。模糊控制器的輸出為交流調(diào)速裝置的控制電