基于模糊PID控制的鍋爐爐溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：溫度控制；模糊PID控制；參數(shù)整定；鍋爐Boilerintheproductionandlifehasbeenappliedmoreandmoreextensivelywiththedevelopmentofthetimes,itisadeviceoftenusedinindustrialproduction,andboilertemperaturecontrolintheboilercontrolsystemisbecomingmoreandmoreprominent.Temperaturecontrolsystemwithlargeinertia,theseriousdelayanddifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel.Thenonlinearrelationshipexists.Thispaperismainlyontheboilerfurnacetemperaturecontrol.IftheselectionofthetraditionalPIDcontrolmode,theaccuracyislower,thecontroleffectisnotideal.Weshouldconsidertheoptionoffuzzycontrol,thebasicprincipleofthefuzzycontrol,designcontrolofboilerfurnacetemperaturefuzzycontroller.Thefuzzycontrolruletableisestablishedthroughanalysingthecharacteristicoftheelectricboilertemperatureinthethesis.Inthisthesis,simulationofPIDcontrolsystemandfuzzycontrolsystemusingSimulinkandMATLABfuzzylogictools.TheresultsshowthattheregulationtimeandovershootofthePIDsystemcannotbeachievedbythecontrolsystem.Whenthefuzzycontrol,theadjustmenttimeandtheovershootcanachievethenorm,butthesysteminducedsteady-stateerror.Sothereisanewwaytocombinetogether.ThepatametersofKp,KiandKdareadjustbyfuzzyinference.TheexperimentalresultsshowthatthefuzzyPIDparameterself-tuningcontrolleristheperformanceindexofthesystem.Analysisofboilertemperaturecontrolsystem,thePIC16F877Amicrocontrollerischosenasthemaincomponenttodesignthetemperature,andthebasicfunctionofthecollectionandcontrolofthetemperatureiscompleted.AndthepapercalculatesthefuzzyPIDalgorithmaddedtothehardwaredesign,thedesignofthemainprogramflowchartandbasiccircuit.KeyWords：KeyWords：temperaturecontrol;fuzzyPIDcontrol;parameterstuning;simulation目錄鍋爐主要是利用燃燒爐內(nèi)的燃料，用其釋放出的熱能來(lái)加熱水的過(guò)程，其應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，主要應(yīng)用于家庭供熱，工業(yè)生產(chǎn)中。鍋爐是生產(chǎn)中的一種必備的能源裝置。鍋爐常常使用煤炭和重油來(lái)進(jìn)行工作，這些能源都是不可再生能源。隨著工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)配置在不斷的更新，向著高效率的趨勢(shì)開展。為了保障生產(chǎn)的平安性，得到穩(wěn)定的鍋爐爐溫控制系統(tǒng)就變得越來(lái)越重要。鍋爐溫度系統(tǒng)慣性較大、滯后現(xiàn)象比擬嚴(yán)重，干擾量較多，幾乎無(wú)法建立其數(shù)學(xué)模型，對(duì)鍋爐爐溫的控制一直都是研究難點(diǎn)。因此我們需要研究一種可靠的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。本文主要論述了傳統(tǒng)PID、模糊系統(tǒng)、模糊自整定PID控制的原理意義，對(duì)鍋爐的溫度飛升曲線特點(diǎn)進(jìn)行剖析，創(chuàng)立模糊控制規(guī)那么表，并利用Matlab軟件中的Simulink中模糊邏輯工具箱，仿真出鍋爐的傳統(tǒng)PID曲線、模糊系統(tǒng)曲線，比照3種控制的仿真圖，得出結(jié)論，選擇最正確的方法進(jìn)行控制。選用PIC16F877A單片機(jī)作為關(guān)鍵性硬件，設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)與控制電路、顯示電路、鍵盤電路以及保護(hù)電路。

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，人們對(duì)于能源的使用量逐漸增多，能源趨于匱乏，如何有效利用和開發(fā)清潔能源，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，越來(lái)越被各國(guó)人民所關(guān)注。我國(guó)經(jīng)過(guò)二十多年的改革開放，經(jīng)濟(jì)的開展更是迅猛，但是同樣帶來(lái)了很多問(wèn)題，例如煤炭，石油緊缺的問(wèn)題，這是一個(gè)國(guó)家開展的經(jīng)濟(jì)命脈，世界強(qiáng)國(guó)都在試圖尋找上述資源的替代品。鍋爐是生產(chǎn)中的一種必備的能源裝置。鍋爐常常使用煤炭和重油來(lái)進(jìn)行工作，這些能源都是不可再生能源。隨著工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)配置在不斷的更新，向著高效率的趨勢(shì)開展。為了保障生產(chǎn)的平安性，得到穩(wěn)定的鍋爐爐溫控制系統(tǒng)就變得越來(lái)越重要。鍋爐的爐溫控制的慣性較大、延遲較長(zhǎng)、時(shí)變性不好、帶有純滯后環(huán)節(jié)。鍋爐爐溫控制系統(tǒng)經(jīng)常選擇PID控制器進(jìn)行水溫控制[1]。如今人們對(duì)鍋爐爐溫的控制主要選擇的是開關(guān)式控制以及人工控制，用對(duì)器件使用較為熟練的操作工人，憑借長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)累積，來(lái)手動(dòng)操作一個(gè)比擬復(fù)雜的機(jī)器，選用這2種控制方式的系統(tǒng)的穩(wěn)定性欠佳，超調(diào)量較大，對(duì)外界變化的響應(yīng)速度較慢，及時(shí)性差，此外，不斷的開關(guān)電門會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，降低了鍋爐的使用期限。因此，我們需要研究一種可靠性高、平安性高的方法。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大局部的鍋爐以燃油和燃煤為主，數(shù)目已經(jīng)到達(dá)了總臺(tái)數(shù)的65%左右，且燃燒的過(guò)程會(huì)生成大量廢氣殘?jiān)?，不僅對(duì)人類生活產(chǎn)生了不良影響，造成污染。隨著當(dāng)代社會(huì)的不斷進(jìn)步，電能會(huì)逐步替換燃料能源。電熱鍋爐與燃料鍋爐在控制方法上有很大不同。很多鍋爐都選用人工控制方式，這種控制方法不能確保系統(tǒng)的可靠性以及平安性，更加消耗了人力物力。設(shè)備密集型、信息密集型、勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)過(guò)程逐漸被知識(shí)密集型的產(chǎn)業(yè)所取代[2]。新一代的電鍋爐根本上主要選用智能控制方法，如此可以與現(xiàn)代工業(yè)的根本開展要求相符，并使控制方法在工業(yè)范疇中逐步成熟化。電熱鍋爐能夠把電能直接轉(zhuǎn)換成熱能，是一種電一體化產(chǎn)物。另外，電鍋爐還具有一定的穩(wěn)定性、運(yùn)行平安可靠、自動(dòng)化水平高的特點(diǎn)，是一種較為理想的節(jié)能環(huán)保型供暖裝置。生活中的溫度表現(xiàn)為冷和熱的程度。在眾多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，溫度控制系統(tǒng)都與生產(chǎn)平安、經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)效率有關(guān)。從第一次工業(yè)革命開始，任何生產(chǎn)過(guò)程均溫度控制相聯(lián)系。對(duì)于溫度的控制來(lái)講，保障快速且即時(shí)的對(duì)溫度實(shí)施采樣，并保證溫度數(shù)據(jù)不會(huì)被干擾，以到達(dá)較為精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)。溫度是鍋爐控制系統(tǒng)的一個(gè)主要性能指標(biāo)，也是保證鍋爐裝置平安的首要指標(biāo)。基于這些因素的特點(diǎn)，運(yùn)用學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行探究，并且滿足生產(chǎn)和生活的根本需要。溫度控制技術(shù)分為溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩種。在溫度控制領(lǐng)域里，接觸式控制起源時(shí)間較早，這種控制方式的特點(diǎn)主要是：控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，可靠性較高，價(jià)格比擬廉價(jià)，控制精度很高，很容易測(cè)到真實(shí)溫度。但是檢測(cè)器件的熱慣性往往會(huì)影響到系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，較難準(zhǔn)確的檢測(cè)到容量很小的物體，不適用于易腐蝕、高溫、運(yùn)動(dòng)的物體。另一種方法就是非接觸式測(cè)溫法，主要是使用輻射能力測(cè)量溫度，其特點(diǎn)是：能夠不破壞被檢測(cè)溫度場(chǎng)，可以檢測(cè)到容量較小的物體，可以檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)的物體的溫度，它可以檢測(cè)區(qū)域的溫度分布和反響速度快[3]。但是測(cè)量出的溫度誤差比擬大，測(cè)溫裝置比擬復(fù)雜，價(jià)格昂貴。1971年，科學(xué)家付京孫教授較早公開提出了一個(gè)較為新穎的研究領(lǐng)域“智能控制系統(tǒng)〞?，F(xiàn)在，智能控制已經(jīng)成為了單獨(dú)的學(xué)科。在過(guò)去的一段時(shí)間里，智能控制理論的迅速開展，有很多新的控制理論[4]。智能控制是目前較為新穎的學(xué)科，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。智能的定義是：能快速的獲取信息與利用信息，對(duì)于任何環(huán)境都可以使用。人工智能是主要是將人類的思維進(jìn)行模型化的過(guò)程，并使用微機(jī)進(jìn)行仿真的一個(gè)學(xué)科。它的應(yīng)用范圍比擬廣泛，腦力和體力相結(jié)合的智能控制，可以將它和控制方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐爐溫的智能控制。智能控制溫度的方法主要使用的是神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)兩門學(xué)科，并適當(dāng)添加局部專家系統(tǒng)以此實(shí)現(xiàn)智能控制。模糊控制被廣泛的應(yīng)用于實(shí)際工程技術(shù)里。電鍋爐是把電能轉(zhuǎn)換成熱能的一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置。電鍋爐和傳統(tǒng)鍋爐十分類似，從原理上看，主要分為“鍋〞和“爐〞?！板仺暿侵敢粋€(gè)放熱介質(zhì)的容器，而“爐〞是指電熱轉(zhuǎn)換的元件[5]。國(guó)內(nèi)的鍋爐的生產(chǎn)，多種多樣，從結(jié)構(gòu)上可以分為立式鍋爐、臥式鍋爐以及多單元型鍋爐；從供熱方法上，分為直熱式鍋爐以及蓄熱式鍋爐等。本文考慮的對(duì)象為電鍋爐，選用的加熱方式為電阻式加熱，工作壓力最高為0.4Mpa，鍋爐爐溫最高為95℃。電鍋爐安裝圖當(dāng)電鍋爐到達(dá)蓄熱時(shí)間時(shí)，補(bǔ)水電動(dòng)閥將被翻開，蓄熱水箱最先進(jìn)行補(bǔ)水操作，當(dāng)水位到達(dá)預(yù)先設(shè)定好的高水位時(shí)，補(bǔ)水電動(dòng)閥就自行關(guān)上[6]。當(dāng)蓄熱水箱溫度到達(dá)設(shè)定的溫度或熱儲(chǔ)存期結(jié)束，電鍋爐不再運(yùn)轉(zhuǎn)，一分鐘以后，循環(huán)加壓泵啟停操作，根據(jù)設(shè)定的頻率運(yùn)行循環(huán)加壓泵，30s以后電鍋爐再次工作，重新蓄熱。當(dāng)啟動(dòng)供水電動(dòng)閥時(shí)，那么會(huì)關(guān)上正在蓄熱的電動(dòng)閥，從而翻開循環(huán)加壓泵，來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓方法進(jìn)行供水[7]。等在30s以后再次開啟鍋爐，使用直接供應(yīng)的方式向人們完成供水。當(dāng)供水停止的時(shí)候，關(guān)閉高壓泵的第一個(gè)循環(huán)，60s以后再關(guān)閉電鍋爐[8]。本次研究的主要方向是根據(jù)鍋爐水溫上升曲線的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐溫度的控制，以滿足小超調(diào)量、短調(diào)節(jié)時(shí)間、小穩(wěn)態(tài)誤差的要求。在生產(chǎn)和生活的過(guò)程之中，被控對(duì)象是多種多樣的，經(jīng)過(guò)對(duì)理論的分析和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，說(shuō)明：鍋爐是有自平衡對(duì)象，傳遞函數(shù)可以用二階純滯后環(huán)節(jié)來(lái)表示，二階系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為一階系統(tǒng)。因此，溫度控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型可以用一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)表示。根據(jù)飛升曲線，可以得到鍋爐爐溫的傳遞函數(shù)為[9]：(2.1)——對(duì)象的靜態(tài)增益；——對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；——對(duì)象的純滯后時(shí)間；比例調(diào)節(jié)器的控制作用的優(yōu)劣由比例系數(shù)K決定。增大比例系數(shù)，能夠減小靜差，假設(shè)K增長(zhǎng)太大的時(shí)候，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能會(huì)變差，極易產(chǎn)生輸出量振蕩，閉環(huán)系統(tǒng)的性能可能會(huì)不穩(wěn)定[10]。當(dāng)積分時(shí)間常數(shù)T增加時(shí)，那么積分作用會(huì)變?nèi)?，反之?huì)增強(qiáng)，當(dāng)增強(qiáng)積分時(shí)間常數(shù)T時(shí)，會(huì)減慢消除靜差的速度，不過(guò)可以減小超調(diào)量，得到較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性[11]。為時(shí)間延遲，越大，滯后作用越明顯?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)鍋爐控制方式主要分為人工控制方法、開關(guān)式控制方法。=1\*GB3①在實(shí)際工程中往往達(dá)不到理想的控制效果，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。=2\*GB3②因?yàn)橄到y(tǒng)采用只是簡(jiǎn)單的開關(guān)啟停，會(huì)使系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)頻繁振蕩，產(chǎn)生較大的誤差，并對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，運(yùn)行本錢較高。因此我們需要尋找一種更適合的控制方法，首先選用的控制方式是PID控制，PID控制的原理不復(fù)雜，操作便利，魯棒性較強(qiáng)，其被控對(duì)象的控制品質(zhì)不產(chǎn)生急劇變化，十分適合用在環(huán)境惡劣的生產(chǎn)過(guò)程中，很容易被工作人員掌握，在很多工業(yè)過(guò)程中，對(duì)控制快速性以及精度的要求并不高，適用PID控制可以得到很高的性價(jià)比。第二個(gè)選用方案是模糊控制，其智能性主要取決于計(jì)算機(jī)模擬人腦和控制的模糊邏輯思維過(guò)程中產(chǎn)生的，被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型不依賴于非線性控制[12]。在傳統(tǒng)的控制理論中，PID控制器是一個(gè)集比例、積分及微分為一體的控制器。PID控制器，主要包括PID控制器與被控對(duì)象。PID控制器是一個(gè)線性的控制器，先計(jì)算輸出值和給定值之間的偏差，再按照比例、積分和微分偏差線性組合成控制量，控制被控對(duì)象[13]。根本PID控制系統(tǒng)原理圖根據(jù)給定值r(t)和輸出值c(t)構(gòu)成了偏差信號(hào)e(t)：(2.2)傳遞函數(shù)為：(2.3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)為：(2.4)其中──控制器的輸出；──控制器的輸入，給定值和輸出值的差值；──比例控制項(xiàng)，為比例系數(shù)；──積分控制項(xiàng)，為積分時(shí)間常數(shù)；——微分控制項(xiàng)，為微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)單介紹一下P、I、D對(duì)控制過(guò)程的主要影響：(1)比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對(duì)偏差的反響較為即時(shí)，每當(dāng)偏差出現(xiàn)時(shí)，比例調(diào)節(jié)器會(huì)發(fā)出控制命令，迫使輸出量不斷減小偏差，而控制作用的好壞由比例系數(shù)決定[14][15]。比例調(diào)節(jié)器的作用雖好，但很容易出現(xiàn)靜差，而增加比例系數(shù)，可以減小靜差。如果K增加過(guò)大的時(shí)候，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)霈F(xiàn)輸出量振蕩，以及會(huì)致使閉環(huán)系統(tǒng)性能不穩(wěn)定。(2)積分調(diào)節(jié)器：由于比例環(huán)節(jié)存在靜差，可以適當(dāng)參加積分環(huán)節(jié)減小靜差，積分環(huán)節(jié)有累積作用，當(dāng)偏差E不為0時(shí)，根據(jù)積分環(huán)節(jié)的累積作用，可以影響輸出量U，進(jìn)而減小偏差E，由于積分時(shí)間常數(shù)較大，整體作用變?nèi)酰粗嗳?。增加時(shí)間的積分常數(shù)，可以減慢靜差的速度，而且可以減小超調(diào)量，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。但是加上積分調(diào)節(jié)將會(huì)破壞系統(tǒng)的快速性。(3)微分調(diào)節(jié)器：為了較快系統(tǒng)的進(jìn)程，出現(xiàn)瞬間變化的偏差，通過(guò)控制偏差改變趨勢(shì)，從而起到減小偏差的作用，參加微分環(huán)節(jié)，會(huì)減小超調(diào)量，減小振蕩，促使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。PID控制器主要是一種線性調(diào)節(jié)器，就是把給定值r以及輸出值y組合成的系統(tǒng)控制偏差e=r-y的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)，并將控制量進(jìn)行線性組合，即為PID控制器。傳遞函數(shù)：(2.5)主要是根據(jù)采樣時(shí)間的偏差值計(jì)算系統(tǒng)的控制量，運(yùn)用外接矩形法來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的積分?jǐn)?shù)值，并計(jì)算一階后項(xiàng)差分的微分?jǐn)?shù)值，當(dāng)采樣周期設(shè)置為T的時(shí)候，位置式為：(2.6)當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇為控制量的增量時(shí)，可知：(2.7)由上式能夠看出在控制器里比例、積分、微分這三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)都有明確物理釋義。根據(jù)所給工程指標(biāo)，可以很容易地掌握PID參數(shù)的整定方法，盡可能的獲得最好的控制結(jié)果。然而，傳統(tǒng)的PID控制被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型參數(shù)的三個(gè)局部進(jìn)行變化。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)，不能實(shí)時(shí)變化。對(duì)于鍋爐爐溫控制系統(tǒng)來(lái)講，一旦控制量變化了，其數(shù)學(xué)模型將發(fā)生改變，那么需要重新計(jì)算這三個(gè)參數(shù)的值。顯然在電鍋爐的溫度控制中，只是依靠傳統(tǒng)PID控制器是沒(méi)有方法滿足其要求的。模模糊控制是智能控制的一個(gè)重要形式。它的智能是靠計(jì)算機(jī)模擬人的左腦模糊邏輯思維過(guò)程產(chǎn)生的，屬于模擬智能的符號(hào)主義，不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型的非線性的智能控制[17]。模糊控制方法和普通定量法是具有不同特點(diǎn)的，其特點(diǎn)主要為：(1)用所謂語(yǔ)言變量代替或符合于數(shù)學(xué)變量。(2)用模糊條件語(yǔ)句建立變量之間的簡(jiǎn)單關(guān)系。(3)用模糊邏輯算法描繪其復(fù)雜關(guān)系。模糊控制系統(tǒng)是一個(gè)基于反響的閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)由智能模糊控制器組成，模糊控制系統(tǒng)好壞主要取決于以下幾個(gè)因素：模糊控制器結(jié)構(gòu)、模糊控制規(guī)那么、合成推理算法以及模糊決策[18]。模糊控制系統(tǒng)組成原理框圖模糊控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、過(guò)程輸入輸出通道、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、模糊控制器、檢測(cè)裝置等幾局部構(gòu)成的[19]。1.模糊控制器模糊控制器是各類模糊控制系統(tǒng)的主要組成局部，其實(shí)它就是一個(gè)微機(jī)，根據(jù)控制對(duì)象的不同特征，設(shè)計(jì)不同種類的模糊控制器，而在模糊控制理論中，選用模糊控制器法語(yǔ)言類型的推理規(guī)那么以及模糊控制的根底知識(shí)，這就是不同的模糊控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。2.輸入-輸出接口通過(guò)I/O，模糊控制器的被控對(duì)象獲得了新數(shù)字信號(hào)，把輸出的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，最后把其傳送給被控對(duì)象[20]。在I/O接口裝置之中，除了A/D、D/A轉(zhuǎn)換以外，還主要包括電平轉(zhuǎn)換。3.執(zhí)行結(jié)構(gòu)主要包括各種直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)等。4.被控對(duì)象被控對(duì)象主要是一種裝置、設(shè)備，甚至是一種對(duì)象的過(guò)程。這些被控對(duì)象可以是任何情況和任何類型的。5.檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置就是傳感器，該傳感器是把被控對(duì)象或過(guò)程轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)量控制裝置?？刂屏恐饕欠请娏浚缂铀俣萢、速度v、溫度T、壓力P等。而在模糊控制系統(tǒng)里，傳感器那么扮演著重要的角色，它的精度對(duì)系統(tǒng)的精度很重要。模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖是被控對(duì)象的輸入，是被控對(duì)象的輸出，是參考輸入，為誤差。模糊控制器，它主要是按照誤差信號(hào)產(chǎn)生符合要求的控制，并將輸出發(fā)送給控制對(duì)象。模糊控制器可以分為模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、解模糊解口、模糊推理機(jī)四局部構(gòu)成，而各局部功能如下：1.模糊化模糊語(yǔ)言變量是由模糊化確定的，然后把它轉(zhuǎn)換成模糊語(yǔ)言變量，對(duì)應(yīng)的隸屬度定義了對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量值。模糊化接口主要完成了如下功能：(1)論域變換和Δ是非模糊的變量，其論域是在實(shí)際域上的真實(shí)論域，可以用X和Y來(lái)表示[21]。模糊控制器要把真實(shí)的論域轉(zhuǎn)變成內(nèi)部論域X′以及Y′，不管是離散論域還是連續(xù)論域的控制器，都需要通過(guò)論域變換以后，把e和Δ轉(zhuǎn)化成E和EC。(2)模糊化經(jīng)過(guò)論域轉(zhuǎn)換以后，E、EC為非模糊的變量，將它分成幾個(gè)單獨(dú)的模糊集合。2．知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)是由兩局部組成，即規(guī)那么庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，它主要包含了控制需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)和實(shí)際應(yīng)用的知識(shí)。(1)把所有必要的定義都存放于數(shù)據(jù)庫(kù)之中。所有的輸入和輸出變量的設(shè)置都在其相對(duì)應(yīng)的論域以及論域的規(guī)那么里，并使用模糊子集來(lái)進(jìn)行定義，將其存放與數(shù)據(jù)庫(kù)里面。當(dāng)模糊控制器處于推理狀態(tài)時(shí)，需要的數(shù)據(jù)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)提供應(yīng)推理機(jī)。當(dāng)模糊化接口進(jìn)行模糊化時(shí)，以及解模糊接口進(jìn)行解模糊時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)那么要同時(shí)為其提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)和論域。(2)模糊控制的規(guī)那么存放在規(guī)那么庫(kù)中。模糊控制規(guī)那么是一個(gè)控制被控對(duì)象的知識(shí)模型。在現(xiàn)實(shí)生活中，對(duì)輸入和輸出論域?qū)?yīng)的模糊子集往往用簡(jiǎn)單的符號(hào)來(lái)表示，PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、PO(正零)、ZO(零)、NO(負(fù)零)、NS(負(fù)小)、NM(負(fù)中)、NB(負(fù)大)。U∈{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，還設(shè)定了每個(gè)模糊集合的隸屬度函數(shù)。當(dāng)時(shí)刻到來(lái)時(shí)，輸入信號(hào)的以及Δ，通過(guò)論域轉(zhuǎn)換成E以及EC，然后，可以通過(guò)隸屬函數(shù)的定義得到了隸屬度E和EC，例如(E)、μ。表U的模糊控制規(guī)那么表EECNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNBNBNMZOZONMNBNBNBNMNSZOZONSNMNMNMNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNSNSZOPSPMPMPMPMZOZOPSPMPBPBPBPBZOZOPMPBPBPBPB3．模糊推理機(jī)模糊推理是由三局部組成：大前提、小前提以及結(jié)論。根據(jù)的規(guī)那么庫(kù)與輸入變量，經(jīng)過(guò)模糊化引入新的模糊命題，將其作為結(jié)論的過(guò)程，即模糊推理。4．解模糊解模糊為模糊化的逆過(guò)程，把模糊推理結(jié)果生成的值，將其當(dāng)做模糊控制器的輸出量。解模糊接口主要完成如下兩項(xiàng)工作：(1)解模糊：對(duì)于同樣要由真實(shí)論域Z轉(zhuǎn)換成內(nèi)部論域Z′，那么U∈Z′的定義為幾個(gè)模糊集合，設(shè)定其隸屬度函數(shù)。模糊推理那么是在其內(nèi)部論域上來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，所得到的推理結(jié)果C′就是Z′域上的模糊矢量，其中的元素就是對(duì)于U在某個(gè)模糊集合上的隸屬度函數(shù)。而對(duì)于某個(gè)組輸入量E和EC，那么需要滿足很多條不同的模糊規(guī)那么，這樣需要有很多個(gè)不同的推理結(jié)果，是不同的模糊集合，用公式(2.8)求得C。(2.8)解模糊算法求法由：最大隸屬度法、重心法、中位法等，那么可以求得其內(nèi)部控制量的值。(2)論域反變換：將上面得到的U∈Z′，來(lái)實(shí)現(xiàn)論域反變換，就可以獲得輸出，即為非模糊變量。1.單變量模糊控制器一維模糊控制器如圖2.5a)所示。在不同的模糊控制系統(tǒng)當(dāng)中，均含有一個(gè)輸入、輸出變量的系統(tǒng)稱為單變量的模糊控制系統(tǒng)，而輸入變量是偏差量E，輸出變量是控制量的變化值U。二維模糊控制器如圖2.5b)所示。其輸入量是偏差變化以及偏差量E，變化值U作為輸出量，比一維控制器具有很好的控制結(jié)果，而且更容易微機(jī)的實(shí)現(xiàn)，是使用最多的一種控制器[22]。三維模糊控制器如圖2.5c)所示。其輸入變量是偏差量E，偏差的變化量以及偏差的變化量，輸出量是變化值U。而這種模糊控制器的結(jié)構(gòu)比擬繁瑣，模糊推理運(yùn)算的時(shí)間很長(zhǎng)，不經(jīng)常使用。單變量模糊控制器2.多變量模糊控制器。多變量模糊控制器根據(jù)上面表達(dá)的理論，可以按照題目的具體要求設(shè)計(jì)出模糊PID控制器，其設(shè)計(jì)步驟如下：=1\*GB2⑴確定控制器的輸入、輸出變量，同時(shí)確定了控制器的構(gòu)造。主要是將偏差E、偏差變化率EC當(dāng)做輸入變量，PID的參數(shù)、、及其增量、、，當(dāng)做其輸出變量。=2\*GB2⑵確定每一個(gè)輸入、輸出變量的論域，并再確定其量化的等級(jí)和量化比例因子。=3\*GB2⑶設(shè)計(jì)每一個(gè)輸入、輸出變量的定義和其模糊的子集。最初應(yīng)確定模糊子集的個(gè)數(shù)，再確定模糊子集上的語(yǔ)言變量，最終給每個(gè)語(yǔ)言變量選取對(duì)應(yīng)隸屬度函數(shù)[23]。=4\*GB2⑷構(gòu)造模糊規(guī)那么。把操作人員的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并聚集成一條條精煉的語(yǔ)句。創(chuàng)立模糊控制規(guī)那么，并保障控制器的系統(tǒng)性能指標(biāo)。=5\*GB2⑸建立模糊控制表。根據(jù)=4\*GB2⑷、=3\*GB2⑶和=2\*GB2⑵確定控制器的輸出，作為PID參數(shù)的修正量，并把它和輸入量根據(jù)一定的關(guān)系在表中寫出，這樣就構(gòu)成了模糊控制表。=6\*GB2⑹計(jì)算出控制量。將采樣的偏差E和偏差變化率EC通過(guò)=2\*GB2⑵式，=3\*GB2⑶式后，代入=5\*GB2⑸式，求出PID的修正量，最后計(jì)算出最終的輸出量，就是系統(tǒng)的控制量。=7\*GB2⑺用simulink進(jìn)行仿真。對(duì)模糊PID控制器性能指標(biāo)進(jìn)行剖析，同時(shí)調(diào)整量化因子和比例因子，使系統(tǒng)的控制滿足預(yù)期的設(shè)定的效果[24]。經(jīng)過(guò)多年的研究，根據(jù)電鍋爐的工藝要求，把鍋爐爐溫控制過(guò)程主要分為以下兩個(gè)階段：①自由升溫階段：將鍋爐的水溫迅速升到設(shè)定好的值。②保溫階段：當(dāng)水溫上升到設(shè)定值時(shí)，保持設(shè)定值不變。電鍋爐可承受的最高溫度為95℃，水溫的檢測(cè)元件選擇數(shù)字式傳感器。圖3.1溫度飛升曲線在繪制飛升曲線時(shí)，階躍信號(hào)是不從零點(diǎn)開始，不然會(huì)使系統(tǒng)造成很大的非線性，從而影響鍋爐的正常工作。一般作法是把調(diào)節(jié)對(duì)象輸入到使被控對(duì)象開環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，并以此輸出值作為縱坐標(biāo)的原點(diǎn)，再在參加一個(gè)階躍輸入信號(hào)，使被控對(duì)象輸出量也發(fā)生明顯變化，最后穩(wěn)定在一個(gè)值。根據(jù)上述方法可知鍋爐爐溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：=(3.1)在Matlab軟件的Simulink工具中創(chuàng)立一個(gè)傳統(tǒng)PID算法，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。圖3.2電鍋爐傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖經(jīng)驗(yàn)法整定對(duì)于上一種仿真結(jié)果分析可知，用經(jīng)典法計(jì)算出的PID參數(shù)不一定能滿足控制的要求。在實(shí)際控制的過(guò)程中，一般通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)這些參數(shù)，來(lái)獲得較好的控制性能。對(duì)電鍋爐爐溫控制系統(tǒng)來(lái)講，經(jīng)過(guò)對(duì)三個(gè)參數(shù)屢次嘗試后，可以得到較好的控制效果，如=30，=5，所示。經(jīng)驗(yàn)法整定仿真圖由圖3.3可知，當(dāng)給定值設(shè)為60度時(shí)，用經(jīng)驗(yàn)法整定后的傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間=60秒，超調(diào)量=20%，穩(wěn)態(tài)誤差=0。由PID參數(shù)整定方法的仿真結(jié)果圖可知，傳統(tǒng)PID控制的超調(diào)量較大，存在振蕩現(xiàn)象。先在MATLAB軟件中的模糊邏輯工具箱里，創(chuàng)立如圖3.4的Mamdani型模糊控制器，利用模糊邏輯工具箱新建一個(gè)FIS型文件，并定義模糊控制器的輸入變量為e和ec，輸出變量為u。電鍋爐模糊控制器圖如圖3.4所示。模糊控制器的輸入、輸出各個(gè)變量的隸屬函數(shù)圖如圖3.5、3.6所示。由下列圖可知，輸入變量e、ec和u的模糊子集設(shè)置為{NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB}，e和ec的論域設(shè)置為{-6,6}的區(qū)間，u的論域設(shè)置為{-3,3}的區(qū)間。e、ec以及u的模糊隸屬度函數(shù)都選擇為三角形隸屬度函數(shù)。圖3.4電鍋爐模糊控制器圖3.5輸入變量E、EC的隸屬函數(shù)曲線輸出變量U的隸屬度函數(shù)曲線控制規(guī)那么的輸入是在RuleEditor窗口下進(jìn)行的，用if-then的形式來(lái)表現(xiàn)的?？偨Y(jié)后的溫度控制規(guī)那么一共有49條，如表3.7所示。表3.7鍋爐溫度控制規(guī)那么表eecePBPMPSZONSNMNBPBPBPBPBPBPMZOZOPMPBPBPBPMPSZOZOPSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMNSPSPSZONSNMNMNMNMZOZONSNMNBNBNBNBZOZONMNBNBNBNB經(jīng)過(guò)表3.7鍋爐溫度控制規(guī)那么表寫入的規(guī)那么，RuleEditor窗口規(guī)那么鍵入如圖3.8所示。圖3.8RuleEditor窗口規(guī)那么鍵入。電鍋爐模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖60度時(shí)，模糊控制器控制鍋爐溫度控制系統(tǒng)的仿真響應(yīng)曲線圖。模糊控制器系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖由圖3.10可以看出，當(dāng)采用模糊控制器控制電鍋爐溫度控制系統(tǒng)時(shí)的系統(tǒng)性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間t=60秒，超調(diào)量δ%=0，穩(wěn)態(tài)誤差e=2。傳統(tǒng)PID控制與模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖仿真結(jié)果比擬如圖3.12所示。圖3.12傳統(tǒng)PID控制與模糊控制比照的響應(yīng)曲線圖由圖3.12，傳統(tǒng)PID控制與模糊控制比照的響應(yīng)曲線圖可知，使用模糊來(lái)控制鍋爐系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性加強(qiáng)了，減少了，調(diào)節(jié)時(shí)間也減少了，但是卻出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)誤差。根據(jù)傳統(tǒng)PID控制以及模糊控制算法的仿真結(jié)果圖可以看出，傳統(tǒng)PID很容易產(chǎn)生超調(diào)量以及過(guò)渡時(shí)間。模糊控制的輸入量為偏差E和偏差變化率EC，其作用等同于PD控制器，這種控制方式，雖然具有較好的動(dòng)態(tài)性能，但靜態(tài)性能很不好，存在一定的靜差。參數(shù)自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。參數(shù)自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖傳統(tǒng)PID控制算法的原理簡(jiǎn)單、操作便利、魯棒性好，模糊控制算法的智能性高、靈活性好、系統(tǒng)控制較為精確等優(yōu)點(diǎn)，因此，本文選擇了一種參數(shù)自整定模糊PID控制器對(duì)鍋爐爐溫系統(tǒng)進(jìn)行控制[25]。起到了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用，以此來(lái)減小控制系統(tǒng)的振蕩、超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間，做到大大提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。模糊自整定PID的設(shè)計(jì)思路主要是建立在PID的三個(gè)參數(shù)、、、偏差E和偏差變化率EC這幾個(gè)參數(shù)之間的模糊關(guān)系上，在不斷的運(yùn)行里，可以不停檢測(cè)E以及EC的值，并對(duì)PID三個(gè)參數(shù)、、進(jìn)行在線修正，來(lái)滿足不同E和EC對(duì)PID控制器的三個(gè)參數(shù)、、。電鍋爐系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線設(shè)計(jì)模糊控制的關(guān)鍵在于總結(jié)操作人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并建立合理的模糊規(guī)那么表。下面主要介紹了PID控制器的三個(gè)參數(shù)、、對(duì)于系統(tǒng)輸出的影響，并結(jié)合電鍋爐系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線圖，不同和時(shí)，、、的整定要求為：(1)當(dāng)?shù)闹递^大的時(shí)候，該系統(tǒng)的響應(yīng)應(yīng)該在圖4.2為電鍋爐系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線的第Ι段，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢，需要加快系統(tǒng)的響應(yīng)，從而防止偏差突然變大，同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)了微分過(guò)飽和現(xiàn)象，而引起超調(diào)量較大，這時(shí)應(yīng)該除去積分環(huán)節(jié)，K=0。(2)當(dāng)和取中間值的時(shí)候，該系統(tǒng)的響應(yīng)應(yīng)該在圖4.2為電鍋爐系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線的第II段，系統(tǒng)的超調(diào)量較小，K、K、K的取值不應(yīng)過(guò)大，K的取值較小，K和K的取值應(yīng)該適中，從而確保能有較快的系統(tǒng)響應(yīng)速度。(3)當(dāng)?shù)闹递^小的時(shí)候，該系統(tǒng)的響應(yīng)應(yīng)該在圖4.2電鍋爐系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線的第III段上，應(yīng)將K和K值增大，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)振蕩，同時(shí)還應(yīng)注意抗干擾能力，取適合的K值，當(dāng)?shù)闹递^小時(shí)，K應(yīng)該取大值，通常應(yīng)該取比擬適宜大??；當(dāng)?shù)闹递^大時(shí)，K應(yīng)該取較小值。通過(guò)專家控制經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，當(dāng)進(jìn)入不確定性系統(tǒng)時(shí)，使用傳統(tǒng)的控制方法，由于誤差e以及其誤差變化率ec較大，所以系統(tǒng)的不確定量較多，對(duì)其中不確定的量進(jìn)行估計(jì)，可以對(duì)PID控制的三個(gè)參數(shù)K、K、K。定義、、調(diào)整算式如下：(4.1)其中、、是PID控制器的三個(gè)主要參數(shù)，'，'，'是、、的初始參數(shù)，它們是由常規(guī)方法得到的。在線運(yùn)行系統(tǒng)的過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)不停的檢測(cè)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)值，即時(shí)的計(jì)算出偏差以及偏差變化率，將其模糊化得到E以及EC，經(jīng)過(guò)查詢模糊調(diào)整矩陣，能夠得到、、三個(gè)參數(shù)的調(diào)整，并調(diào)整控制器參數(shù)。該模糊控制器輸入量為e和ec，輸出量為PID參數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)、、，二輸入三輸出模糊控制器，由對(duì)、、。表4.1的控制規(guī)那么調(diào)整表ECPBPMPSZONSNMNBEPBNBNBNMNMNMZOZOPMNBNMNMNMPSZOZOPSNMNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMNSNSNSZOPSPMPMPMNMNSZOPSPSPMPBPBNBZOZOPSPMPMPBPB表4.2的控制規(guī)那么調(diào)整表ECPBPMPSZONSNMNBEPBPBPBPMPMPSZOZOPMPBPBPMPSPSZOZOPSPBPMPSPSZONSNMZOPMPMPSZONSNMNMNSPSPSZONSNSNMNBNMZOZONSNSNMNBNBNBZOZONSNMNMNBNB表4.3的控制規(guī)那么調(diào)整表ECPBPMPSZONSNMNBEPBPBPSPSPMPMPMPBPMPBPSPSPSPSZOPBPSZOZOZOZOZOZOZOZOZONSNSNSNSNSZONSZONSNSNMNMNSZONMZONSNMNMNBNSPSNBPSNMNBNBNBNSPS模糊控制器采用二維的Mamdani模糊控制器，模糊控制決策選用Max-Min，去模糊選用重心法(Centriod)，其模糊控制規(guī)那么共49條。。電鍋爐模糊PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖模糊PID控制的響應(yīng)曲線如下列圖4.5所示：圖4.5模糊PID控制響應(yīng)曲線圖如圖4.5所示，從圖中可以得出基于模糊PID控制器的系統(tǒng)的性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間=51秒，超調(diào)量=16%，穩(wěn)態(tài)誤差=0。由以上仿真曲線圖可知，中選用模糊自整定PID控制方法控制鍋爐溫度時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性加強(qiáng)了，超調(diào)量減少了，而且調(diào)節(jié)時(shí)間變短，根本滿足了技術(shù)要求。經(jīng)過(guò)以上對(duì)傳統(tǒng)PID控制方法、純模糊控制方法、模糊自整定PID控制等三種方法的響應(yīng)曲線的研究和分析，可以得出結(jié)論。選用傳統(tǒng)PID控制方法，較容易產(chǎn)生超調(diào)量和振蕩，穩(wěn)態(tài)誤差較大；選用模糊控制方法，系統(tǒng)雖然穩(wěn)定性加強(qiáng)了，超調(diào)量減少了，調(diào)節(jié)時(shí)間也減少了，但是卻出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)誤差；所以最后選擇了模糊PID控制方法，同時(shí)克服了傳統(tǒng)PID控制、模糊控制方法等弊端，而且實(shí)現(xiàn)了超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)誤差小等較好的性能指標(biāo)[26][27]。因此本文選擇模糊自整定PID控制器來(lái)完成對(duì)鍋爐爐溫的控制?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是設(shè)計(jì)該課題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，能否制定一個(gè)較好的方案對(duì)于這個(gè)課題有著很重要的意義，同時(shí)能提高工作效率，保證工作順利完成。需要簡(jiǎn)單的對(duì)鍋爐爐溫控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，以滿足控制器的要求，并設(shè)計(jì)的總體方案如5.1圖所示。圖5.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖本課題主要選擇Microchip公司生產(chǎn)的8位嵌入式微型控制器PIC16F877A作為主要的控制器。選擇PIC16F877A單片機(jī)主要是因?yàn)槠洳捎镁?jiǎn)指令集、哈弗架構(gòu)、指令流水線等機(jī)制，具有工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)由CPU和控制面板構(gòu)成。CPU主要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度、鍋爐水溫、水位信號(hào)的采集、濾波、算法控制和驅(qū)動(dòng)繼電器對(duì)交流繼電器的通斷的控制等工作。控制面板完成操作按鍵、顯示功能和指示燈等功能的設(shè)計(jì)。該控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。本控制系統(tǒng)主要選擇PIC16F877A單片機(jī)作為關(guān)鍵器件。PIC16F877A單片機(jī)是由Microchip公司出產(chǎn)的一種8位單片機(jī)，其內(nèi)部選擇RSIC指令系統(tǒng)以及哈佛總線結(jié)構(gòu)，其最高運(yùn)行的時(shí)鐘頻率可以到達(dá)20MHz，集成了4K×14位Flash程序存儲(chǔ)器以及192字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，還具有13個(gè)中斷源，PIC16F877A單片機(jī)的內(nèi)部集成了128字節(jié)EEPROM，完全可以滿足本課題的需要，而且EEPROM具有可靠的保存性，對(duì)于預(yù)設(shè)溫度和各種參數(shù)值可以較好的保存其中，不會(huì)受到系統(tǒng)復(fù)位的影響，為接下來(lái)所做的設(shè)計(jì)提供較的方便[28]。在接口與外設(shè)方面，PIC16F877A單片機(jī)的性能好，PortA、PortB以及PortC三組I/O接口為硬件設(shè)計(jì)提供了較大便利；片上集成的PWM模塊和10位的A/D模塊在硬件設(shè)計(jì)時(shí)可以充分加以利用，它可以縮小電路板的長(zhǎng)度。1.復(fù)位電路PIC16F877單片機(jī)擁有較多的復(fù)位功能，例如：上電復(fù)位、電源掉電復(fù)位、一般操作下的強(qiáng)制復(fù)位、看門狗定時(shí)器復(fù)位、休眠狀態(tài)模式下的和看門狗定時(shí)器復(fù)位[29]。在鍋爐爐溫控制系統(tǒng)中，PIC16F877單片機(jī)的引腳1與強(qiáng)制復(fù)位連接。2.時(shí)鐘電路振蕩時(shí)鐘頻率決定了單片機(jī)的運(yùn)行速度。由于的單片機(jī)對(duì)于晶體的要求比89C51單片機(jī)的要求較高，并且PIC16F877A單片機(jī)可以使用20MHz的時(shí)鐘頻率，當(dāng)設(shè)計(jì)振蕩電路時(shí)，可以選擇時(shí)鐘源為8MHz石英晶體振蕩器，指令周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，因此，設(shè)計(jì)控制器工作指令周期時(shí)，應(yīng)為500ns[30]。PIC16F877APIC16F877A的主要參數(shù)如下：1.具有高性能RISCCPU2.僅有35條單字指令3.10000次擦寫周期4.除程序分支指令為2個(gè)周期以外，其余均為單周期指令5.運(yùn)行速度：DC-20MHZ始終輸入DC-200ns指令周期6.8K*14個(gè)FLASH程序儲(chǔ)存器368*8個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器字節(jié)256*8EEPRM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器字節(jié)7.擁有14個(gè)中斷源，功耗較低，可以在線實(shí)現(xiàn)串行編程，運(yùn)行電壓范圍廣8.擁有2個(gè)捕捉器，比擬器和PWM模塊PIC16F877A單片機(jī)的管腳圖如圖5.2所示。圖5.2PIC16F877A1.測(cè)溫元件的選取及性能特點(diǎn)本文的測(cè)量溫度元件選擇是數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其工作方式主要是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由于每片DS18B20都只含有一串的硅串行數(shù)，因此可以在一條總線上任意接多個(gè)DS18B20芯片，DS18B20的特點(diǎn)主要是：測(cè)溫范圍大概為從-55℃到125℃，精度大約為±0.5℃，A/D變換時(shí)間為200ms，具有非易失性的特點(diǎn)，這樣為DS18B20減少許多外部的硬件電路。數(shù)字溫度傳感器DS18B20的溫度值如表5.2所示。表5.2溫度數(shù)據(jù)格式LSBMSBSSSSS℃/LSB形式表達(dá)，其中S表示符號(hào)位。這是12位轉(zhuǎn)換后得到的12位數(shù)據(jù)，把它保存在DS18B20的兩個(gè)8bit的RAM中，而二進(jìn)制里的最前面的5位為符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度比0大時(shí)，最前面的5位為0，只須把檢測(cè)到的數(shù)值乘以0.0625便可以得到真實(shí)的溫度值；如果溫度比0小時(shí)，最前面5位那么為1，檢測(cè)到的數(shù)值取反后加1，再乘以0.0625就是真實(shí)的溫度值。2.DS18B20測(cè)溫原理計(jì)數(shù)門的通斷主要取決于系數(shù)振蕩器。計(jì)數(shù)器1在低溫時(shí)所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的值變成0時(shí)，溫度存放器的值是+1，預(yù)置值被重新輸入，并再次對(duì)低溫系數(shù)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，等到循環(huán)到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)0時(shí)，停止對(duì)溫度存放器的繼續(xù)累加。3.DS18B20與單片機(jī)的接口電路當(dāng)DS18B20在執(zhí)行寫操作以及溫度進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，總線需要執(zhí)行上拉操作，上拉電阻的啟動(dòng)時(shí)間最大為10。圖5.3DS18B20與單片機(jī)接口電路。圖5.4SSR的原理圖。圖5.5SSR與單片機(jī)的接口電路。圖5.6泵與單片機(jī)的接口電路。1.鍵盤電路本控制器采用的是單輸入式按鍵，每根I/O接口上的按鍵是獨(dú)立的，不會(huì)受別的I/O接口影響，+5V電源連接一個(gè)1的上拉電阻以此來(lái)保證按鍵未按下時(shí)，I/O接口接高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)，I/O接口接低電平[31]。圖5.7LCDM與單片機(jī)的接口電路圖5.8按鍵電路與單片機(jī)的接口圖2.缺水保護(hù)電路鍋爐水位也是鍋爐控制的重點(diǎn)，如果鍋爐缺水時(shí)，不能及時(shí)關(guān)閉電源，會(huì)造成加熱器的損壞，以至于發(fā)生事故，所以本文為此設(shè)計(jì)了一個(gè)缺水保護(hù)電路[32]。當(dāng)鍋爐水量豐富時(shí)，電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電耦合器的輸出高電平，那么74LS06A輸出低電平，系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)鍋爐處于缺水狀態(tài)時(shí)，光電耦合器斷開，那么74LS06A輸出高電平，立即切斷電源，發(fā)出聲光報(bào)警[33]。圖5.9缺水保護(hù)電路3.漏電檢測(cè)報(bào)警電路。圖5.10漏電檢測(cè)電路報(bào)警電路主要是由繼電器控制報(bào)警器來(lái)完成的。當(dāng)鍋爐缺水和漏電時(shí)，繼電器閉合，報(bào)警器導(dǎo)通，發(fā)出蜂鳴聲，提醒工作者及時(shí)采取保護(hù)措施。結(jié)論在生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是最重要的物理參數(shù)。鍋爐溫度控制尤為重要，其動(dòng)態(tài)性能具有慣性大、延遲大、時(shí)變慢、純滯后等特征，鍋爐爐溫控制一般選擇PID控制方法。傳統(tǒng)PID控制是一個(gè)較為使用的控制方式，而模糊控制那么為了溫度控制技術(shù)增添新鮮的血液。本次設(shè)計(jì)主要把模糊控制理論和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種自整定模糊PID控制器，情況如下：1.分析鍋爐溫度結(jié)構(gòu)和水溫上升曲線，建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)溫度曲線，提出溫度控制系統(tǒng)的總體方案，選擇傳統(tǒng)PID控制和模糊控制方法。2.對(duì)于傳統(tǒng)PID控制主要采用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，設(shè)計(jì)傳統(tǒng)PID仿真圖，用MATLAB軟件中的simulink工具實(shí)現(xiàn)仿真和分析，根據(jù)結(jié)果可以得到，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間一直無(wú)法解決，采用鍋爐溫度控制系統(tǒng)選用模糊控制器進(jìn)行控制時(shí)，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間還是沒(méi)有解決，并且還存在了穩(wěn)態(tài)誤差。3.根據(jù)以上陳述，本文選擇了模糊控制與傳統(tǒng)PID結(jié)合的控制方法，設(shè)計(jì)了參數(shù)自整定模糊PID控制器，結(jié)合曲線總結(jié)模糊控制規(guī)那么，用simulink的模糊邏輯工具箱進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果到達(dá)理想效果。4.最后在鍋爐爐溫控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)以PIC16F877A單片機(jī)為主要器件的溫度控制器，并設(shè)計(jì)硬件電路完成對(duì)溫度的采集控制、定時(shí)設(shè)置、超限報(bào)警等幾個(gè)功能。[1]王鵬，牛勇，葛智平等．變論域模糊自整定PID控制在主汽溫系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．甘肅電力技術(shù)，2023，27(1)：1-4．[2]薛有志．中國(guó)如何走向知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代[N]．經(jīng)濟(jì)縱橫，2023-3-2(12)．[3]陶磊，薛濤，孫建召等．大型軋機(jī)軸承溫度測(cè)試方法的研究[J]．山西冶金，2023，20(2)：61-64．[4]許向陽(yáng)，張茂元，盧正鼎．艦船電子工程[J]．智能控制綜述，2023，11(2)：2-4．[5]孫遠(yuǎn)杰，宋程程．鍋爐房設(shè)計(jì)的平安問(wèn)題[J]．硅谷，2023，7(1)：4-8．[6]楊喜剛．基于uml和petri網(wǎng)的生產(chǎn)線實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)建模與分析[D]．珠江：珠江工業(yè)大學(xué)，2023．[7]呼菊玲．變頻技術(shù)在熱水鍋爐控制中的應(yīng)用[N]．中國(guó)科技博覽，2023-12-24(3)．[8]李謙．電鍋爐在蓄熱熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．給水排水技術(shù)與產(chǎn)品信息，2023，1(1)：12-14．[9]鄭恭恒，沈協(xié)和．用單片微機(jī)實(shí)現(xiàn)爐溫控制[J]．自動(dòng)化儀表，2023(2)：26-29．[10]陳積文．一種基于LabVIEW圖形化編程的PID控制算法及其應(yīng)用[J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2023，17(1)：2-8．[11]胡祝兵，易江，王娟．積分別離PID控制在溫控系統(tǒng)中的仿真研究[J]．承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2023，17(1)：4-8．[12]宋睿卓．自適應(yīng)模糊控制及其在機(jī)械臂系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2023．[13]趙國(guó)山，仇性啟