智能化电热锅炉温度控制系统的设计

智能化电热锅炉温度控制系统的设计 李 敏 申月霞 胡晓光 （哈尔滨工业大学电气工程系 !"###!） 摘 要 介绍了一种以单片机为核心单元的智能化电热锅炉温度控制系统的设计方法，控制 策略上采用模糊控制算法。经实际运行证明，该控制系统具有良好的控制效果，能满足实际需 要。 关键词 电热锅炉 单片机 温度控制 模糊 ! 引言 电热锅炉是一种机电一体化的高新技术产品， 可将电能直接转化成热能，具有热效率高、体积 小、无污染、噪声小、运行安全可靠、供热稳定、 自动化程度高等优点，是理想节能环保型的供暖设 备。 在控制上电热锅炉与燃煤、燃油锅炉有很大的 不同。由于起步较晚，国内电热锅炉的控制水平不 高，主要 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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振荡，系统压力不稳 定的现象，而且自动化程度不高。本文开发研制的 电热锅炉温度控制系统具有手动、自动、定时启动 三大功能，同时还带有漏电、超温、超压及缺水保 护和报警系统。 " 系统的硬件结构及工作原理 整个控制系统由 $%&主板、驱动板以及控制 面板组成。其中，$%&主板实现温度及压力信号的 采集、滤波、算法控制、控制量输出、电源保护以 及报警输出等功能；驱动板主要用来将主板输出的 控制量加以转换以驱动继电器，从而控制交流接触 器的通断而实现加热管的投切；控制面板主要是由 各种信号灯、控制按键、功能指示和显示器件组 成。 硬件系统的主体框图如图 !所示，其中虚线框 部分属于驱动板，其他部分则属于 $%&主板。 系统中采用 ’($"!单片机作为温度控制器的核 心，该单片机的内部功能模块多，需要扩展的外围 电路少［!］，同时外围还扩展了 )(!)’ 程序 *+, 和 - . +扩展芯片 ’)""。为了实现译码输出，使用了一 片可编程芯片 /01!23’4，以简化硬件译码电路。 图 ! 硬件系统原理框图 "#! 单片机存储单元的设计 本控制系统采用只读存储器 )(!)’（5%*+,） 作为外部程序存储器扩展单元，其大小为 !26 7 ’。 因为 ’($"!地址总线和数据总线复用 %# 口，为此 采用 (89$"(: 作为地址锁存器，从而将 015 直接 接到 (89$"(:的选通端 $。 因为外部程序存储器最大可扩展位为 286，而 )(!)’为 !26，所以共需要 !8根地址总线。因此要 将 (89$"(: 的 ;# < ;( 接到 )(!)’ 的低 ’ 位地址总 线，而将 ’($"!的 %)=" < %)=#接到 )(!)’的高 2位 地址总线上。外部程序存储器的读选通%>5?接到 )(!)’的+5端，将 )(!)’的片选$5接地。 "#" 测温单元的设计 本系统采用铂电阻 %@!##做为温度传感器。铂 电阻 %@!##在温度为 #A时输出的阻值为 !##!，温 度为 !##A时输出的阻值为 !:’="#!。在 # < !##A 之间线性变化时输出的阻值也在 !## < !:’="#!之 间几乎线性变化，能够很好地满足系统的要求。 —)2 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! — 《电工技术杂志》!""#年第 #期 ·电气传动与控制 · 由铂电阻 !"#$$测量到的电阻信号在输入 % & ’ 口之前，必须经过信号调理电路转换成 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电压信 号，信号调理电路如图 (所示。 图 ( !"#$$信号调理电路 温度检测元件 !"#$$输出的信号经调理之后产 生 $ ) *+的电压信号，需要转换成计算机能处理 的数字量，采用 %’,$-$. 将模拟信号转换成数字 信号。%’,$-$. 是 - 位 % & ’ 转换芯片，它是采用 逐次逼近的方法完成 % & ’ 转换的。%’,$-$. 由单 一 / *+电源供电；片内带有锁存功能的 - 路模拟 多路开关，可对 -路 $ ) *+的输入模拟电压信号分 时进行转换，完成一次转换约需 #$$!0，分辨率为 $123，可以满足温度控制系统的精度要求。 !"# 译码单元的设计 由于本系统中需要连接的外部 4 & 5芯片较多， 而外扩 657已经占用太多的地址线，如果采用普 通的译码电路，将需要提供很多的驱动单元，使得 硬件电路复杂化。因此选用 8%9 可编程芯片，充 分发挥可编程器件简单、可擦写的特点，大大简化 了系统硬件电路，降低了成本。 本系统将 %9:分频后提供给 %’,$-$. 作为时 钟信号，并将单片机 !( 口高三位地址线译码后输 出作为外部 4 & 5片选信号。 !"$ 驱动单元设计 单片机通过控制算法输出加热棒的控制信号， 但控制信号不能直接启动交流接触器，必须经过隔 离、驱动使继电器闭合。继电器闭合，向交流接触 器提供工作电流，交流接触器开关合上，加热棒开 始运行。 故障报警包括前面提到的超温、超压、缺水报 警。此外，短路、断路、缺相报警由控制器以外的 电气部分完成。 当单片机检测到故障信号时采用声光报警器进 行声光报警。超温报警由单片机输出，超压、缺水 报警由电接点压力表直接通过继电器启动光报警 器。具体电路如图 ;所示。 图 ; 加热棒和循环泵的隔离驱动电路 !"% 看门狗电路 为了单片机可靠工作，单片机接一个看门狗电 路。看门狗电路采用 7%<=$> 芯片，7%<=$> 可提 供下述 2种功能［(］："加电、掉电及电压降低时输 出复位信号。#独立监视跟踪定时器输出。在 #1>0 内监视跟踪定时器输入端不被触发，监视跟踪定时 器输出变为低电平有效。$#1(*+门限监测器，用 于电源故障报警、低电压检测或 / *+以外的电源 监控。%??9 & ,75@ 兼容的防抖动、低电平有效， 人工复位输入。 # 系统软件设计 系统软件是整个控制系统的灵魂，在控制系统 的硬件设计合理并调试无误后，整个控制系统的性 能完全取决于软件编写的好坏。程序由主程序和若 干子程序组成。主程序负责初始化和其他子程序的 调用。子程序包括以下几个部分：参数输入、温度 显示、数据采集、模糊查表、控制输出。本次设计 全部的软件都是用汇编语言编写的。 #"& 主程序设计 系统主程序的主要功能是在运行过程中通过调 用各个子程序来实现系统的闭环。它是整个程序的 中心，主要是执行初始化，置输入值，设置采用周 期，调用采样程序。主程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如 2所示。 #"! 控制器的设计 在所设计的控制系统中，核心的部分就是控制 器的设计。调节器设计的好坏，直接决定了控制系 统的性能。常用的温度控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 有 !4’控制和模糊 控制，控制器一般采用单片机或工控机实现。 对于电热锅炉温度控制系统 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 可知，由于锅 —;> !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! — 智能化电热锅炉温度控制系统的设计 《电工技术杂志》!""#年第 #期 炉具有大惯性、大滞后、数学模型不易确定等特 点，如果用常规 !"#调节，易产生超调大、系统振 荡等问题。如果要求达到比较高的精度，则需要程 序不断修改调节器参数，以适应对象模型的变化， 这样就会使控制算法以及程序实现都比较困难。而 模糊控制方法会克服以上缺点，模糊控制器具有许 多良好的特性，它不需要事先知道对象的数学模 型，具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短、 鲁棒性好等优点［$］。 在本控制系统中，采用根据模糊目标的隶属度 来调整修正因子［%］。控制算法的基本框图［&］如图 & 所示。 模糊目标：使误差 ! 靠近 ’附近，即 ! ( " ) #（ $）!’ 其隶属度函数 %*（ !）( +,-（ ) &!.）（ & / ’）服从 正态分布，所以 !0 ( 0 ) %*（ !）( 0 ) +,-（ ) &!.） !. ( 0 )!0 ( +,-（ ) &!.） "’ (!0( 1!.(2 !"! 仿真实验 对所设计的模糊控制器进行仿真试验［3］，并与 !"#控制响应曲线加以比较。 被控对象取 00&’) 10+ )0’)。!"#控制响应曲线如图 3 中 !"#曲线所示，超调量为 %’4，调节时间 $5 ( .6%5。 对于模糊控制器，在仿真中通过调节量化因子 *+、*2，比例因子 ** 来优化控制效果。当取 *+ ( ’7.，*2 ( ’7%，** ( &’时获得的响应曲线如图 3 中 8*99:曲线所示。 图 3 !"#控制和模糊控制响应曲线 从图中可以看出模糊控制曲线上升快，超调量 小，控制效果明显优于普通的 !"#控制。其超调量 为 0%764，调节时间 $5 ( 6.5。但是由于模糊控制 器其内在结构不存在积分环节，因此存在一定的稳 定误差，但都在精度控制范围内。如想进一步提高 控制精度，则要对控制器进行改进。 # 结论 经过仿真实验和实际运行表明，所设计的系统 能够可靠、稳定而安全地完成手动、自动和定时运 行的功能，并且在系统出现超温、超压、缺水以及 漏电等紧急情况时能报警并自动切断系统。以模糊 控制算法为核心的控制器能够很好地满足系统的稳 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。 （下转第 ;’页） —%3 ############################################################### — 《电工技术杂志》!""#年第 #期 智能化电热锅炉温度控制系统的设计 点的负载驱动能力）。如 !"#控制的交通信号灯，对 应方向（东与西对应、南与北对应）的灯通断规律完全 相同，将对应的灯并联后可节省一半的输出点。 图 $ 分组输出 图 % 矩阵输出 （&）负载多功能化 一个负载实现多种用途。 如在传统的继电控制系统中，一个指示灯只指示一 种状态。在 !"#控制系统中，利用 !"# 的软件很 容易实现利用一个输出点控制指示灯的常亮和闪 亮，这样就可以利用一个指示灯表示两种不同的信 息，从而节省 !"#的输出点。 （’）某些输出信号不进入 !"# 系统中某些相 对独立、比较简单的部分可以考虑不用 !"# 来控 制，直接采用继电器控制即可。 ! 结束语 上述节省 !"#输入 (输出点数的方法，应用于 工程实践中，可有效解决输入 (输出点数不够的问 题。但在应用时一定要对 !"#控制系统进行具体 的分析，选择其中最简单、最有效的方式，并注意 有些方法要在软件上进行配合。 参考文献 ) 李建兴 * 可编程序控制器及其应用 * 北京 +机械工业出版 社，,--- "#$ %$&#’( ’) *+,-./ 0’-.&1+2’3.& ’) 4.53& +.( 63&53& ’) 078 !"#$ %&#’( （./010 !2345/67086 90:585;5/） 9:;&<+=& <7/ :8=08>86106/ 2> :1?80= @2805 A 1B2;05 2> 80@;5 10C 2;5@;5 2> !"# 80 /0=80//D80= 8: @D2@2:/C* <7/ B/572C: 2> :1?80= @2805E1B2;05 2> 80@;5 10C 2;5@;5 2> !"# 1D/ 805D2C;6/C* >$?@’<(; !"# @2805: 2> 80@;5 10C 2;5@;5 收稿日期： !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ,--F ), )’ （上接第 $&页） 参考文献 ) 张毅刚，彭喜源，谭晓昀 * G#H—’) 单片机应用设计 * 哈尔滨工业大学出版社，)III , 齐美彬，蒋建国，杨艳芳 * 监控电路 GJK%-$在图像压缩 终端中的应用 * 合肥工业大学学报（自然科学版）* ,--)，,&（’） F 刘新平，李宗民等 * 基于模糊算法的高精度温度控制系 统 * 电力系统及其自动化学报 * ,--)，)F（&） & L10 M/D N13J O* J@@38615820 2> >;PP4 32=86 6205D23 80 80C;:5D4* Q;PP4 H/5: 10C H4:5/B* )II’ ’ 李士勇 * 模糊控制、神经控制和智能控制论 * 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社，)IIR $ 刘志俭等 SGJ<"JT应用程序接口用户指南 * 北京：科 学出版社，,--- "#$ A$;-/. ’) 4.&$BB-/$.&-C$( "$25$<+&3<$ 8’.&<’B *?;&$2 )’< DB$=&<-= E’-B$< )( *(# （.1DU80 90:585;5/ 2> 2D /3/65D86 U283/D 8: 805D2C;6/C 10C 85: 71DC62D/ 8: H#G* J0C 57/ >;PP4 6205D23 1D857B/586 8: ;:/C 80 57/ 6205D23 516586* T4 @D16586/C 1@@38615820 85 8: @D2?/C 5715 578: :4:5/B 6205/05: 57/ 165;13 0//C: V/33 V857 >80/ 6205D23 />>/65 * >$?@’<(; /3/65D86 U283/D H#G 5/B@/D15;D/ 6205D23 >;PP4 收稿日期：,--F )) ,’ —-% """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" — 《电工技术杂志》!""#年第 #期 节省 !"#输入 (输出点数的方法