模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中应用的研究

模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中应用的研究 高校教师硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 摘要 电热锅炉作为一种新型的机电一体化产品，是目前较为理想的环保、节能型 供暖设备，其中的温度自动控制系统的性能，将直接影响该产品的节能效果、用 户满意度，从而影响了产品的市场竞争能力。电热锅炉温度控制受到被控对象、 环境等诸多因素的影响，常具有较大的时滞性和较强的干扰，难以建立精确的数 学模型。采用传统的控制方式，如PID控制方法，很难获得良好的控制效果。因此 为这类电热锅炉开发出一种价廉物美的温度自动控制系统是一个有着较大实际意 义的课题。 本文阐述了电热锅炉温度控制系统国内外研究现状，分析了该系统的控制功 能需求、特点，并给出了具体的设计技术指标;研究了目前的温度控制系统中常 用的PID调节器、DAHLIN、SMITH预估及模糊控制等多种控制算法，经仿真研究， 分析比较了它们在电热锅炉温度控制系统的应用中的优缺点，得出了模糊控制技 术更具有优势的结论，并构建了一种基于模糊控制技术的电热锅炉温度自动调节 算法;提出了一种带有RS-485总线接口的低成本、智能化电热锅炉温度控制系统 的框架结构，并完成了系统的硬、软件的详细设计;研发的控制系统结构紧凑、 所用芯片少、控制精度高，在键盘、A/D转换、显示电路上都采用了串行方式，从 而减小了单片机口线的使用，减小了成本开支;经仿真实验，验证了上述系统的 有效性，具有良好的应用前景。 关键词:模糊控制; 温度控制;电热锅炉;单片机 -I- 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 Abstract As a new product of integration of mechanics and electrics, electric boiler is a comparatively environment-friendly and energy-saving heating equipment at the present time. For the electric boiler, the performance of intelligent temperature control will directly affect the effect of energy saving, satisfaction of consumers and the competitive ability of products in the market. Temperature control with large time lag and disturbances is widely used in the production of industry and daily necessities. It is affected by many factors such as the control plant and production condition, so it is very difficult to build the accurate mathematical model. Thus, the conventional control method such as PID control can’t meet requirements. so it is an important research with actual meaning to develop an excellent quality and reasonable price temperature control systems for electric boiler. In this paper, reviews of researches at home and abroad about temperature control system of electric boiler were presented, control performance and characteristics of system were analyzed and its design qualification was given. At the same time, many control algorithms of current temperature control system were studied such as PID, DAHLIN, SMITH and fuzzy control etc. Through simulation, comparing their advantages and disadvantages in the temperature control system of the electric boiler , the results show that fuzzy control is comparatively the best method ; Based on fuzzy control, a temperature automatic regulating algorithm was presented. a low-cost and intelligent temperature control system of electric boiler with RS-485 bus is described. then hardware and software design and simulation of system were competed. In this system, the designed structure is compact, the number of chips is less and the control precision is high. The serial mode is used in keyboard, A/D conversion and display, which reduces the number of port bus used in the single-chip microcomputer and realize low-cost. The result proves its efficiency and good applications and perspectives. Keywords: Fuzzy control ; Temperature control ; the Electric boiler ; The single-chip microcomputer 湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1、保密?，在______年解密后适用本授权书。 2、不保密?。 (请在以上相应方框内打“?”) 作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 高校教师硕士学位论文 第 1 章 绪论 温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。将模糊控制方法运用 到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高 采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。 1.1 课题背景 模糊集合和模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L.A.Zadeh 于 1965 年在其 Fuzzy, Fuzzy Algorithm 等著名论著中首先提出的。模糊集合的引入 可将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，从而使对复杂系 统做出符合实际的、符合人类思维方式的处理成为可能，为经典模糊控制器的形 成奠定了基础 [1]。 为了加快模糊控制理论的研究，1972 年在日本东京大学建立了“模糊系统研 究会”，以后，各大学相继召开模糊控制的国际学术交流会，大大促进了模糊控制 的发展。1974 年，英国工程师 E.H.Mamdani 首次把模糊数学应用于对锅炉和蒸汽 机的控制 ,取得了圆满的成功 , E.H.Mamdani 成为了应用模糊技术的先驱。尽管模 糊集理论的提出至今只有 30 年，但发展迅速，至今世界上研究“模糊”的学者已 超过万人，发表的重要论文达 5000 多篇。 二十世纪 80 年代以来，自动控制系统的被控对象更加复杂化，它不仅表现在 多输入，多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性，更突出的是从系统对 象所能获得的数据量相对的减少，以及对控制性能要求的日益增高。因此要想精 确地描述复杂对象与系统的任何物理现象和运动状态，实际已不可能。关键是如 何在精确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有实际意义。这样模糊控制理 论的优点在现代控制理论中起着越来越重要的地位和意义。同时世界各国也涌现 了越来越多模糊控制的成功应用范例，特别是在工业过程、机器人和家用电器控 制方面，并且生产出了专用的模糊芯片与模糊计算机。在模糊控制的应用方面， 日本走在了前列。日本在国内建立了专门的模糊控制研究所，日本仙台的一条地 铁的控制系统采用了模糊控制的方法取得了良好的效果。日本还率先将模糊控制 技术应用到日常家电产品的控制，如照相机、吸尘器、洗衣机等。模糊控制技术 应用从已实现的控制系统来说，它具有易于掌握、输出量连续、可靠性高、能发 挥熟练专家操作的良好自动化效果等优点。 最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善、模糊集成控制、模糊自 适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学 -1- 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 习与参数自调整模糊系统方面的研究受到各国学者的重视。目前，将神经网络和 模糊控制技术相互结合，取长补短，形成一种模糊神经网络技术、模拟人脑的智 能信息处理系统，其发展前景十分诱人。 我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、 模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊信息论、模糊模式识别等领域取 得了不少有实际影响的结果。 在现今的模糊控制领域中，经典模糊控制理论已经在很多方面取得了一大批 有实际意义的成果(如 90 年代日本家电模糊控制产品和工业模糊控制系统)。此 外经典模糊控制也得到了相应的改善，如模糊集成系统、模糊自适应系统、神经 模糊控制等。 现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控 机，小型机、甚至是大型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就 是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成 本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达 20%，而对于这 些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统 追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型 的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的 [2]。 温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位，如在钢铁冶炼过程中 要对出炉的钢铁进行热处理，才能达到性能指标，塑料的定型过程中也要保持一 定的温度。随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应 速度、系统稳定性与自适应能力的要求越来越高，被控对象或过程的非线性、时 变性、多参数点的强烈耦合、较大的随机扰动、各种不确定性以及现场测试手段 不完善等，使难以按数学方法建立被控对象的精确模型 [3]。对于这些系统来说采 用传统的方法包括基于现代控制理论的方法往往不如一个有实践经验的操作人员 的手动控制效果好，而模糊控制理论正是以人的经验为重要组成部分。这就使模 糊控制在一般情况下比传统控制方法更有效、更安全。 将模糊控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严 重的滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控 制精度。 模糊控制是基于模糊数学上发展起来的一门新的控制科学 [4]。其运算过程中 有很多都要用到矩阵运算，但其控制级别很小的时候可以进行在线计算，很方便 的完成矩阵运算。这样一来模糊控制就已经简化了，甚至比一般的 PID 运算还更 简单。运用一般的处理机，如单片机就能完成。 -2- 高校教师硕士学位论文 1.2 国内外锅炉温度控制系统发展现状 我国的锅炉目前多以燃煤和燃油为主。燃料燃烧时产生大量的废气和废渣， 对环境造成严重的污染，并且给人们的生产和生活带来巨大的危害。随着电力工 业的不断发展，人们逐渐采用电能替代传统能源。在此基础上，出现了新一代的 ——电热锅炉。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 锅炉 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。 电热锅炉是一种将电能转换为热能，生产蒸汽或热水的装置 [1] 。它可以满足 高层建筑、商业、小型工矿企业、车、船舶工业等领域的需要。电热锅炉同其它 燃料锅炉相比，主要的特点有:热效率高，电热元件直接与介质进行对流换热， 换热系数高，热效率可达 97%以上;体积小，结构紧凑，占地面积小，不需燃料 及燃烧废渣堆放场地，大大减少基建投资;可实现无人值守的全自动控制，控制 系统的通用性好;控制迅速灵活，操作简单方便，负荷调节性能佳;加热方式便 利，可以采用瞬时、储水及蓄热多种形式;维修简单方便，全部零件均可更换， 即使有部分加热元件发生故障，仍可正常运行;安全性能好，使用寿命长。国外 20 年代起就开始应用电热锅炉，国内自 70 年代后期也开展了电热锅炉的应用。 目前，在我国的工业过程生产中，电热锅炉已经得到了广泛的应用 [4]。 在控制上电热锅炉与燃煤、燃油锅炉有很大的不同。传统的锅炉控制绝大多 数是人工控制，造成了人力的浪费，同时安全性和可靠性都不高。现代工业生产 正处于一个由劳动密集型、设备密集型、信息密集型向知识密集型转变的阶段。 在这一过程中，智能控制无疑起着重要的作用。在国外，由于对电热锅炉的研究 较早，所以电热锅炉控制水平相对较高。由于起步较晚，国内电热锅炉的控制水 平不高，主要表现在算法简单、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。 经过长期研究和实践形成的经典控制理论，对于解决线性定常系统的控制问 题是很有效的。然而，经典控制理论对于非线性时变系统难以奏效。随着计算机 尤其是微机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展。基于状态变 量描述的现代控制理论对于解决线性或非线性定常或时变的多输入多输出系统问 题，获得了广泛的应用。但是，无论使用经典控制理论还是现代控制理论设计一 个控制系统，都需要事先知道被控对象(或生产过程)精确的数学模型，然后根据 数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统设计。然而， 在许多情况下被控对象(或生产过程)的精确数学模型很难建立。例如，有些对象 难以有一般的物理和化学方面的规律来描述;有的影响因素很多，而且相互间又有 交叉祸合，使其模型十分复杂，难于求解以至于没有使用价值;一些生产过程缺乏 -3- 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 适当的测试手段，或者测试装置不能进入被测试区域，致使无法建立过程的数学 模型;有的工业过程中变量多，各种参数又存在不同程度的时变性，且过程具有非 线性强耦合等特点，建立这一类过程的精确数学模型困难很大，甚至是办不到的。 对于这类过程和对象难以用经典控制或现代控制方式进行控制。但有经验的操作 人员进行手动控制却可以收到令人满意的控制效果。在这样的事实面前，人们重 新研究和考虑人的控制行为有什么特点，能否对于无法构造数学模型的对象让计 算机模仿人的思维方式进行控制决策。总结人的控制行为，正是遵循反馈控制的 思想，人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列条件语句，即控制 规则。运用微机的程序来实现这些控制规则，微机就起到了控制器的作用。于是， 利用微机取代人可以对被控对象进行自动控制。在智能控制中，模糊控制占有重 要地位。在描述控制规则的条件语句中，一些词如“较大”、“稍小’、“偏高”等 都具有一定的模糊性，因此用模糊集合来描述这些模糊条件语句，即组成了所谓 的模糊控制器。1974年英国马丹尼首先设计了模糊控制器，并用于锅炉和蒸汽机 的控制，取得了成功。模糊语言控制器、模糊控制论和模糊自动控制等概念于是 从此诞生了 [5]。 当今国内外的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个 部分:测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正 调节控制系统的响应。 这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比 较后，如何才能更好地纠正系统，PID(比例 - 积分 - 微分)控制器作为最早实 用化的控制器已有 50 多年历史，由于PID具有简单、直观、鲁棒性好的特点，成 为工业过程控制中最为常用的控制方式 [6]。 目前，不管是国外还是国内的电热锅炉温度控制也主要采用PID控制。PID控 制效果与控制参数的选择有很大关系，而PID参数的整定是一项十分繁琐的工作。 虽然PID参数的整定和优化的方法很多，但传统的非智能整定方法如 Zieger-Nichols法显然是一种经验法且并非最优解，不能获得理想的控制效果。 目前智能型整定方法如模糊PID、神经网络PID虽然能较好地实现PID控制参数的优 化，但需要在线整定，计算量大，使得控制器的负担很重。锅炉供水温度的控制 受到被控对象、环境及燃料等诸多因素的影响，难以建立精确的数学模型，采用 传统的控制方式，控制器参数选择将是很困难的事 [7]。 如今模糊控制已在诸多领域得到了很多成功的应用。由于模糊控制主要是模 仿人的控制经验而不是依赖于控制对象的模型，因此模糊控制能近似地反映人的 控制行为，无需建立对象的数学模型，有很强的鲁棒性。 为此本文研究并设计了一种以单片机为核心的智能化电热锅炉温度控制系 统，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。 -4- 高校教师硕士学位论文 1.3 本文研究的主要内容及系统设计指标 本文密切结合实际科研课题进行研究，针对电热锅炉温度自动控制系统的开 发需求，提出并设计了一个基于模糊控制技术的电热锅炉温度控制系统，该系统 的具体技术指标如下: 1. 被控对象是微型的家用电热锅炉，温度控制在 0~100?，控制精度为不低 于?0.5?; 2. 温度控制系统实现恒温控制; 3. 四位 LED 实时显示系统温度，分别为百、十、个和小数点位; 4. 显示误差小于?0.5? 5. 温度设定采用键盘输入; 6. 控制方式采用模糊控制技术，要求误差小，平稳性好。 1.4 本文组织结构 本文围绕课题上述目标进行研发，论文的内容与组织结构如下: 第 1 章:绪论。本章首先介绍了课题来源和背景，以及电热锅炉温度控制系 统的国内外研究现状，介绍了本文研究的主要内容及系统的技术指标。 第 2 章:控制算法的研究。本章介绍了多种控制算法，经过数字仿真和比较 分析，最后选择了模糊控制技术作为锅炉温度控制系统的控制策略。 第 3 章:模糊控制理论及其应用。本章介绍了模糊控制的产生发展历史、基 本原理和设计方法。 第 4 章:电热锅炉温度控制系统的硬、软件设计。本章介绍了本系统的硬 件和软件设计 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 。在硬件设计部分，详细的介绍了各个功能模块的电路图和工 作原理;在软件设计部分，介绍了主程序和子程序的设计以及流程图。最后，介 绍了系统的抗干扰设计。 第 5 章:系统软件调试与实验结果。本章介绍了系统软件调试过程与系统的 仿真实验结果。 -5- 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 第 2 章 温度控制系统中常用控制算法及仿真研究 在工业生产过程中，对于带滞后环节的温度控制系统，常用的控制算法有PID 控制、SMITH算法、DAHLIN控制和模糊控制方法等。下面将通过仿真分别讨论一下 这几种方法的优缺点，并从中选择出一种适合于本文研发系统的控制方法。 2.1 PID 控制器及仿真 2.1.1 PID 算法 PID是一种负反馈控制，用设定的控制目标值与受控对象的输出反馈值相比 较，对其差作比例、微分、积分后用来控制受控对象 [9]。结构如图2.1所示: P U(S) 设定值 + Y(S) R(S) K + 传输延时 1/S I + Ts ， 1 + - du/dt D 图2.1 PID控制器结构图 PID控制规则 [27]: t 1 1 de (2.1) u , (e ， ) D ， edt ， T 0 dt , TI 式中 , 为比例系数， TI 为积分时间， TD 为微分时间。传递函数为: 1 1 (2.2) G(s) , (1 ， ， TD s) , TI s , 、 TI 、 TD 的改变对控制作用影响很大; , 越大，比例调节的残差越大，从 这一点说， , 越小能使残差越小。但 , 小则使调节系统的开环增益加大，从而可 能导致系统激烈振荡甚至不稳定，系统首先要稳定，所以比例带的设定必须保证 一定的稳定裕度; TI 越大即积分速度越小，积分作用越弱，使过度时间变长，达 到稳定的速度越慢。 TI 越小积分速度越快，而增大积分速度会降低控制系统的稳 定程度，直至出现发散的振荡过程; TD 则主要改善系统的动态性能，TD 增大会加 快系统的响应，降低超调，增大系统稳定性，但 TD 过大，会使系统的抗干扰能力 减弱，而且微分环节对纯滞后过程无效。 PID控制器中， , 、 TI 、 TD 的选择如果合适，则能发挥它们的长处，从而较 -6- 高校教师硕士学位论文 好地控制系统，否则，不仅不能发挥各种调节作用，反而适得其反。对于可近似 用一阶带纯时间延迟环节模型 [10]: K (2.3) e ,s G(s , )1 ， Ts 表示的受控对象，Ziegler与Nichols提出PID控制器参数的经验公式。 由Ziegler与Nichols提出，针对受控对象有自平衡的情况，根据动态特性法 整定PID控制器参数的经验公式如表2.1所示。 表2.1 Ziegler-Nichols参数整定表 控制器 由模型设定 类型 K P TI TD P K, T PI 1.1K, T 3 , PID 1.2T K, T/2 2 , 表中，K、T、τ与式(2.3)模型参数对应。 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 的Ziegler-Nichols整定方法 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 ， edt Td dt ] 设计出来的PID控制器在设定点其响应经常得出很强的振荡曲线，且其超调量很 Ti , 0.5uTc ， 其中 u , , ， , , 大，而改进的Ziegler-Nichols整定方法对比例分量进行相应的调节，给出如下的 6 15 ， 14, ) ， Ti , ( PID控制器结构 [11]: ( ， 1 dy [e(n) e(n 1)] ， d [e(n) e(n 1) ， e(n 2)]} (2.4) u(t ) ,K P[(,u c y) ， ， edt Td dt ] T i 100 C 时，仿真结果如图 2.2: 式中 e , u c y 。该方案把微分动作放到输出信号处完成，并对比例输入部分 进行修正。引入 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化的死区时间常数 , 和规范化的一阶时间常数 , ，对照式2.3 的一阶模型，这些规范化参数可如下定义: 11, ， 13 K (2.5) ， 且满足 , , 2 , , K c K ，, , T 37, 4 对于不同的 , 或 , 所在的范围，可按下面的方式求出 , 的值，并可根据需要 对标准的Ziegler-Nichols整定方法设计出来的参数作出适当的修正; ?若2.25< , <15或0.16< , <0.57，则应保持Ziegler-Nichols参数，为使超调量小 于10%或20% 分别引入 , 系数: 15 , 36 , ; , , , , 15 ， , 27 ， 5, ?若1.5< , <2.25或0.57< , <0.96，则应该将Ziegler-Nichols积分系数修正为: 4 8 (u 1) ; Ti , 0.5uTc ， 其中 u , , ， , , 9 17 -7- 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 ?若1.2< , <1.5，则为使超调量小于10%，应如下修正PID系数: 5 12 ， , 1 , ， 1) 。 ( K P , ) ， Ti , ( 5 15 6 15 ， 14, 另外 ，用Cohen-Coon方法整定PID参数也是一种较为常见的方法，它是基于 过程的开环特性来整定PID参数的工程方法，按衰减率0.75为系数的性能指标。对 于一阶对象，用Cohen-Coon方法整定参数的公式为: , 1 T ?比例控制器: (1 ， ) ; K c, 3T K , 30 ， 3, T , 1 T ?比例积分控制器: , ; (1 ， ) ， k c , Ti , K , 3T 9 ， 12, T 32 ， 6, T , 4 1 T 4 , 。 ( ， , ， Td , ?比例积分微分控制器: K c, ) ， Ti , K , 3 4T 13 ， 8, T 11 ， 2, T 除此以外，还有很多种方法可用来整定PID参数。 对于计算机中PID算法的数字实现，应先将调节模型离散化，由式2.1可求得 用梯形数值积分法离散化得到的增量形式: T 1 t u(n) , {[e(n) e(n 1)] ， [e(n) e(n 1)] ， d [e(n) e(n 1) ， e(n 2)]} t , Ti 式中t为采样时间。 从上述的各种参数整定法看出，根据不同被控对象适当整定PID的三个参数， 可以获得比较满意的控制效果。但实践证明，这些整定参数的过程，实际上是对 比例、积分、微分三部分控制作用的折中，虽然存在上述诸多PID参数的整定方法 及经验公式，但是这些整定过程不仅费时，且参数间相互影响，往往难于调节到 最佳效果。剖析常规PID控制可以发现，这种控制无法解决稳定性和精确性的矛盾， 加大控制作用可减小误差，提高精确性，但稳定性降低。反之，为保证稳定性， 限制控制作用，这样一来又降低了控制的精确性。即使对被控对象整定了一组满 意的PID参数，对象特性发生变化时，也难保证良好的控制性能 [12]。 从上述的PID控制中可得到一些启发:对多数工业被控对象来说，由于本身固 有的惯性和(或)滞后特性，以及控制系统中被控对象(或过程)动力学特性的内部 不确定性和外部环境扰动的不确定性，所有这些因素都给控制带来困难，使控制 问题复杂化.从物理本质上看，控制过程是一种信息及能量转移过程。因此，提高 信息处理能力，以最短的时间和(或)最小的代价实现系统按预定的规律进行能量 转移，是控制系统设计所要解决的中心问题。 分析PID控制的三种基本控制作用的实质以及其功能与人的某种智能的差异， 从而可看出控制规律的智能化发展趋势。比例作用，实际上是一种线性放大(或缩 小)的作用，有些类似于人脑的想象功能，人可以把一个量(或物体、事物)想象的 -8- 高校教师硕士学位论文 大一些或小一些，但人的想象力具有非线性和时变性，这一点是常规的比例控制 作用所不具备的。积分作用，实际上是对误差信号的记忆功能.人脑的记忆功能是 人类的一种基本智能，但是人的记忆力功能具有某种选择性，人总是有选择地记 忆某些有用的信息，而遗忘无用的信息。而常规PID中的积分作用，不加选择地“记 忆”了误差的存在及误差变化的信息，其中也包含了对控制不利的信息，因此， 这种积分作用缺乏智能性。微分作用，体现了某种信号的改变趋势，这种作用类 似于人类的预见性，但常规PID控制中微分作用的“预见性”远远不如人具有远见 卓识的预见性，因为它对变化快的信号敏感，而不善于预见变化缓慢信号的改变 趋势。 从上述分析可以看出，常规PID控制中的比例、积分、微分三种控制作用，对 于获得良好控制来说都是必要的，但还不是充分条件。应该指出，为了获得满意 的控制系统性能，一般来说，单纯线性控制方式还是不够的，还必须引进一些非 线性的控制方式。因为在系统动态过程及静态过程中，对于比例控制、积分控制 和微分控制作用的要求是不同的。所以，在控制过程中要根据系统的动态特性和 行为，采取“灵活机动”的有效控制方式，如采取变增量(增益适应)、智能积分(非 线性积分)、智能采样等多种途径。实现这些途径的重要方式是借助专家的经验、 启发式直观判断和推理规则。这样的控制决策有利于解决控制系统中稳定性和精 确性的矛盾，又能增强系统对不确定性因素的适应性，即鲁棒性。这样的PID控制 器，己经同常规PID控制器有了质的区别，这一类型PID控制已成为智能控制的一 个方向，即智能或专家自适应PID控制。 2.1.2 PID 控制器的仿真 系统仿真是在系统数学模型的基础上，以计算机为工具对系统进行实验研究 的一种方法。系统仿真就是根据真实系统的数学模型建立仿真模型 [13]，在计算机 上进行设计、分析、研究，获得真实系统的定量关系，对真实系统加深认识和理 解，为系统设计、调试或管理提供所需的信息、数据或资料。经过推导本系统的 数学模型: 127 e 15s G(s) , 292 ，s 1 (2.6) 对于本系统的温度控制对象的 PID 控制器的参数，分别采用 Ziegler-Nichols 整定方法、改进 Ziegler-Nichols 和 Cohen-Coon 方法进行整定。当设定温度为 0 100 C 时，仿真结果如图 2.2: 其中采用 Ziegler-Nichols 方法整定的 PID 参数为: -9- 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 p k , 0.184 、 Ti , 30 、 Td , 7.5 采用改进的 Ziegler-Nichols 方法整定的 PID 参数为: i , 30 、 Td , 7.5 、 , , 0.672 Tp k , 0.184 、 采用 Cohen-Coon 方法整定的 PID 参数为: Pk , 0.206 、 Ti , 71.928 、 Td , 5.41 图 2.2 不同整定方法的 PID 控制效果仿真图 如图 2.2 所示，对于本系统，采用 Cohen-Coon 整定方法所得曲线的超调比 Ziegler-Nichol 整定法所得的曲线的超调小。但稳定性比 Ziegler-Nichol 整定 法的稍差。 2.2 SMITH 预估算法及仿真 2.2.1 SMITH 预估算法 Smith预估补偿控制器是建立在模型基础上的一种控制算法，它能使具有大纯 滞后的系统具有更好的控制性能。它的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动 态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了 , 的被调量超前反映到控制量， 使控制提前动作，从而明显地减小超调量并加速调节过程 [14]。研究一阶惯性加纯 滞后环节的传递函数为: k p (2.7) e ,s Gk (S ) , G p (S )e ,s , T p S ， 1 G p (S ) 为被控对象中不含纯滞后的部分。 - 10 - 高校教师硕士学位论文 F R(S) Y(S) G p (S ) Gc (S ) + - 图2.3 普通的温度控制系统 一般的温控系统如图2.3所示。图中 Gc (S ) 表示设计的控制器，F为控制器直流分 量等干扰。其闭环传递函数为: Gc (S )G p (S )e ,s (2.8) G(S ) , 1 ， Gc (S )G p (S )e ,s 由于特征方程里含有 e ,s 项，这对控制系统稳定性极其不利，若 , 足够大，系 统就很难稳定。而且由于系统中含有纯滞后环节，使控制器设计变得复杂。Smith 预估器是克服纯滞后影响的有效方法之一，在常规校正环节基础上引入了Smith 预估器补偿，其控制结构如图2.4所示，图中虚线框内为Smith预估算控制的原理 框图。Smith预估控制的实质就是与实际对象并联一个模型 G p (S )e ,s (1 e ,s ) ，因 此，控制器的 Gc (S ) 等效控制对象变为 G p (S ) ，也就是说，设计控制器 Gc (S ) 时不 必考虑纯滞后环节的影响。此时系统的闭环传递函数为: Gc (S )G p (S )e ,s (2.9) G(S ) , 1 ， Gc (S )G p (S ) Y(S) + R(S)+ GC (S ) GP (S )e , s - - + Smith控制器 e , s GP (S ) - 图 2.4 Smith预估算法 从式2.9中可以看出，在理想情况下，Smith预估补偿控制能完全消除延时对 控制的影响。 2.2.2 SMITH 预估算法仿真 对于本系统的温度对象采用 Smith 预估算法，当模型完全准确时，控制器 GC1 (S ) 按 Cohen-Coon 对 PID 控制器参数的整定方法整定。得到 Matlab 仿真图 2.5: - 11 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 图 2.5 Smith 预估算法仿真图 2.3 DAHLIN 算法及仿真 2.3.1 DAHLIN 算法 工业热过程中含有纯滞后环节，容易引起系统超调，甚至振荡 [15]。但这些过 程对系统的稳定性和较小超调的要求恰恰是主要的参数要求～IBM 公司的Dahlin 针对这一要求提出一种Z域下的控制算法。其结构图如图2.6: Y(S) R(Z) D(Z) G(S) Dahlin算法结构图 图2.6 Dahlin算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数 , (S ) 相当于一 个延迟环节和一个惯性环节相串联，即: 1 (2.10) e ,s ,(S ) , 1 ， T, (S ) 并期望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象 G p (S ) 的滞后时间 , 相同。式2.9中 的 T, 为闭环系统的时间常数，纯滞后时间 , 与采样时间t为整数倍关系: , =N t。 用Dahlin算法实现的系统一般是调节系统，即输入为阶跃，所以对式2.9表示的对 象可用阶跃响应不变法求得离散闭环传递函数: 1 e Ts e ,s (1 e t T, ) z N 1 C ( z) (2.11) ,( z) , , Z[ ] , , R( z) s 1 e t T, z 1 T, s ， 1 因此，可得控制器的传递函数为: 1 ,( z) 1 (1 t T, ) z (e N ，1) (2.12) D( z , ), , , G( z) 1 ,( z) G( z) 1 e t T, z 1 (1 e t T, ) z ( N ，1) 对于式2.3给出的受控对象，可离散化为: - 12 - 高校教师硕士学位论文 1 t T p ) z N 1 (1 e G(S ) , , (2.13) t T p z 1 1 e 带入式2.12得到: t T p (1 e t T, )(1 e z 1 ) (2.14) D( z , ) 1 t T, 1 t T, t T p ( N ，1) [1 e ](1z (1 e e ) ) z , 从Dahlin算法的设计思想看，它是根据设计者的要求先假定一个期望达到的 闭环系统，再反推出控制器的传递函数。但由于工业过程中受控对象的不确定性 及时变性，很难确定对象的特征参数，这样就很难确定Dahlin算法的参数，不能 对受控对象实施有效的控制。但对于对象模型确定的系统，Dahlin可以进行有效的控制。 2.3.2 DAHLIN 算法仿真 对于式 2.6 表示的温度对象，令采样时间为 3 秒(N=15/3=5)，则对象传 递函数可离散化表示为 [16]: 1.2954z 1 (2.15) G( z) , 1 0.9898z 1 Dahlin 算法中的控制器的传递函数为: z ( N ，1) (1 e t / T, ) 0.0079 0.0078z1 0.9898 z1 1 D( z) , , , 1.2954z 6 1 0.9898z 1 0.0102 z 6 1 e t / T z 1 (1 e t / T, ) z ( N ，1) (2.16) 从 Dahlin 算法的设计思想分析，即整个闭环系统所期望的传递函数 , (S ) 相 当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联，即: 1 (2.17) e ,s , (S ) , 1 ， T, (S ) 所以，使用 Dahlin 算法来控制本系统温度对象，如果其增益不增大，则其 时间温度曲线不应有超调 [17]。其仿真结果如图 2.7: - 13 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 图 2.7 Dahlin 算法仿真图 2.4 模糊控制算法及仿真 2.4.1 模糊控制算法 模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一种计算 机数字控制。模糊控制模仿人的思维通过把精确量模糊化，通过模糊推理，以满 足复杂的、不确定的过程控制的需要 [18]。其控制方框图如图2.8: e 控 模 模 E 模 制 糊 糊 R U u Y 糊 对 推 判 de/dt e + 化 象 - 理 决 EC 模糊控制器 图 2.8 模糊控制系统原理图 由图可知，模糊控制器可划分为模糊输入接口，模糊推理判决机构和模糊输 出接口三大部分。 模糊输入接口的功能是实现精确量的模糊化，即将偏差e和偏差变化率 e的 精确值转化为模糊量，以便进行模糊推理和决策。 模糊推理决策机构的主要功能是模仿人的思维特征，根据总结人工控制策略 取得的语言控制规则进行模糊推理，并决策出模糊输出控制量。 模糊输出接口的主要功能是对经模糊推理决策后得到的模糊控制量进行模糊 判决，把输出模糊量转化为清晰的控制量施于被控对象。 (注:模糊控制算法的详细介绍见第三章) 2.4.2 模糊控制算法仿真 对于本系统的温度控制对象，用模糊控制器控制的仿真结果如图 2.9 所示 - 14 - 高校教师硕士学位论文 [19] : 图 2.9 模糊控制仿真图 由图可见，用模糊控制器控制本系统，调节时间较短，且无超调，但存在 一定的静态误差。 2.5 结论 本节给出了工业过程控制中的常用的控制算法，它们各有优缺点，下面分别 对它们进行分析: 1(PID算法 在生产过程自动化控制的发展过程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基 本控制方法。它原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性也较强，对于绝大部分 生产过程都可利用PID控制解决。但对于静态与动态性能之间的矛盾、鲁棒性与控 制性能之间的矛盾及跟踪设定值与抑制干扰之间的矛盾不能得到很好地解决，如 采用折中的方法，系统不能获得最佳的控制效果。且当受控对象存在较大的延迟 时间环节时，用PID控制方法的效果不是很理想。另外，为了得到较好的控制效果， 必须对受控对象较为了解，能建立起一个较为准确的模型，这样才能较好地整定 PID控制参数。 2. DAHLIN算法 Dahlin算法虽然能通过设计D(z)使闭环系统的传递达到理想的设定传递函 数，但当受控对象发生变化时，如果D(z)不变是无法达到较好的控制效果的。此 外，Dahlin算法在 T, , T 时会出现振铃现象(数字控制器的输出以1/2采样频率大 幅度衰减的振荡)，现振铃现象还可能影响到系统的稳定性。 3. SIMTH预估算法 Smith预估补偿方法对于解决具有时延的工业控制问题是非常有效的。但是 Smith补偿方法存在着几个很难解决的问题:对于无自平衡对象会产生稳态调节偏 差;对过程动态特性的精度要求很高，即要求建立一个较为精确的受控对象模型， - 15 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 模型误差越大，补偿效果越差，特别是模型中纯滞后为指数函数，其影响比 G m (s) 误差的影响大的多。但在实际过程中很难建立起精度很高的模型，特别是很难用 数学模型给出一个精确的纯滞后环节模型;对于干扰信号适应能力较差。 4. FUZZY算法 由于模糊控制算法是一种仿照人的模糊思维的控制方法，对受控对象模型精 度的要求不高，且能兼顾系统的快速性及稳态特性。但由于模糊算法中不包含积 分环节，则系统中一定存在误差，不利于高精度控制的实现。 综上所述，本控制系统具有明显的纯滞后和较大的时间常数，为了满足常规 给定的升温、保温曲线的条件，不但要求其稳定性好，不产生超调，而且要求跟 踪性能和抗干扰性能也好。显然，采用常规 PID 控制、 Smith 预算法等都无法满 足其性能要求; Dahlin 控制器是一种有效的离散控制算法，它的优点是控制器的 设计过程容易理解，控制系统具有较好的鲁棒性，不产生超调，且抗干扰 能力强。 所以能够有效的应用于纯滞后过程控制，但其快速跟踪性能差;而 FUZZY 控制 正好相反，其调节时间短，快速跟踪性能好。为此，本系统采用了模糊控制方法。 - 16 - 高校教师硕士学位论文 第 3 章 模糊控制理论及其应用 随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、 系统稳定性与自适应能力的要求越来越高，被控对象或过程的非线性、时变性、 多参数点的强烈耦合、较大的随机挠动、各种不确定性以及现场测试手段不完善 等，很难按数学方法建立起被控对象的精确数学模型。对于这些系统来说采用传 统的方法包括基于现代控制理论的方法往往不如一个有实践经验的操作人员的手 动控制效果好，而模糊控制理论正是以人的经验为重要组成部分，这就使模糊控 制在一般情况下比传统控制方法更有效、更安全。 3.1 模糊控制理论的产生发展历史 模糊集合和模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L.A.Zadeh 于 年在其 Fuzzy, Fuzzy Algorithm 等著名论著中首先提出的。模糊集合的引入 1965 可将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，从而使对复杂系 统做出符合实际的、符合人类思维方式的处理成为可能，为经典模糊控制器的形 成奠定了基础 [3]。 年在日本东京大学建立了“模糊系统研 为了加快模糊控制理论的研究，1972 究会”，以后，各大学相继召开模糊控制的国际学术交流会，大大促进了模糊控制 的发展。1974 年，英国工程师 E.H.Mamdani 首次把模糊数学应用于对锅炉和蒸汽 机的控制 ,取得了圆满的成功 , E.H.Mamdani 成为了应用模糊技术的先驱。尽管模 糊集理论的提出至今只有 30 年，但发展迅速，至今世界上研究“模糊”的学者已 超过万人，发表的重要论文达 5000 多篇。 二十世纪 80 年代以来，自动控制系统的被控对象更加复杂化，它不仅表现在 多输入，多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性，更突出的是从系统对 象所能获得的数据量相对的减少，以及对控制性能要求的日益增高。因此要想精 确地描述复杂对象与系统的任何物理现象和运动状态，实际已不可能。关键是如 何在精确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有实际意义。这样模糊控制理 论的优点在现代控制理论中起着越来越重要的地位和意义。同时世界各国也涌现 了越来越多模糊控制的成功应用范例，特别是在工业过程、机器人和家用电器控 制方面，并且生产出了专用的模糊芯片与模糊计算机。在模糊控制的应用方面， 日本走在了前列。日本在国内建立了专门的模糊控制研究所，日本仙台的一条地 铁的控制系统采用了模糊控制的方法取得了良好的效果。日本还率先将模糊控制 技术应用到日常家电产品的控制，如照相机、吸尘器、洗衣机等。模糊控制技术 - 17 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 应用从已实现的控制系统来说，它具有易于掌握、输出量连续、可靠性高、能发 挥熟练专家操作的良好自动化效果等优点。 最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善、模糊集成控制、模糊自 适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学 习与参数自调整模糊系统方面的研究受到各国学者的重视。目前，将神经网络和 模糊控制技术相互结合，取长补短，形成一种模糊神经网络技术、模拟人脑的智 能信息处理系统，其发展前景十分诱人。 我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、 模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊信息论、模糊模式识别等领域取 得了不少有实际影响的结果。 3.2 模糊控制的基本原理 模糊控制的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结 成一系列以“ IF(条件) THEN(作用)”表达式形式表示的控制规则，通过模糊 推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程 [19]。 3.2.1 模糊控制的数学基础 1(模糊集合 人们常用一些模糊概念思考问题，比如说“这栋楼房高”、“气候炎热”等， 这里“高”和“炎热”没有明确的内涵和外延，但具有量的含义。将这类具有不 确定量值的概念范围，或者在不同程度上具有某种特有属性的所有元素的总和称 为模糊集合。 在普通集合中，可用特征函数来描述集合，而对于模糊性的事物，用特征函 数来表示其属性是不恰当的。因为模糊事物根本无法断然确定其属性，可以把特 征函数取值 0、 1 的情况改为 [0， 1]取值。这样，特征函数就可以取 0~1 无穷多 个值，即特征函数可以演变成可以无穷取值的边疆逻辑函数。从而得到了描述模 糊集合的特征函数 -隶属函数，它是模糊数学中最重要和最基本的概念，其定义为: 用于描述模糊集合，并在 [0， 1]闭区间连续取值的特征函数叫隶属函数，隶 属函数用 ,,( x) ，其中 A 表示模糊集合，而 x 是 A 的元素，隶属函数满足: 0 , , 1 ,,( x) (3.1) 有了隶属函数以后人们就可以把元素对模糊集合的归属程度恰当地表示出 来。 这样一个模糊的概念只要指定论域 U 中各个元素对它的符合程度，这样模糊 概念也就得到一种集合表示了。把元素对概念的符合程度看作元素对集合的隶属 - 18 - 高校教师硕士学位论文 程度，那么指定各个元素的隶属度也就指定了一个集合。因此模糊集合完全由其 隶属函数所刻画。 2 .模糊集合的表示方法 模糊集合没有明确的边界，一般用隶属函数描述。设给定论域 U，µA 为 U 到 [0， 1]间的任一映射， ,A : U , [0,1] x , ,A( x) (3.2) 都可以确定 U 的一个模糊集合 A， ,A 称为模糊集合 A 的隶属函数。 ,A( x)称为 元素 x 对 A 的隶属度，即 x 隶属于 A 的程度。 模糊集合可用下面方法表示: (1) 限论域 若论域 U，且论域 U={x1,x2,… ,xn}，则论域 U 上的模糊集合 A 可表示为 n i 1 2 n A A A A (3.3) A , , ， ， … ， ~ i ,1 x i x 1 x 2 x n 注意，与普通集合一样，上式不是分式求和，分式是一种表示法的符号，其 分母表示论域 U 中的元素，分子表示相应的隶属度，隶属度为 0 的那一项可以省 略。 (2) 无限论域 在论域是无限的情况下，上面的记法是不完全的，为此需将表示方法从有限 论域推广到一般情况。 取一连续的实数区间，这时 U 的模糊集合 A 可以用实函数来表示。不论论域 是否有限都可能表示为 ， , A， x ， , ~ , , (3.4) A, ，x ~ u ~ , x , , , ~ 式中积分号不是高等数学中的积分意义，也不是求和号，而是表示各个元素 与隶属度对的一个总括形势。 当然，给出隶属函数的一个解析式子也能表示出一个模糊集。 3 .模糊集合的运算 模糊集合与它的隶属函数一一对应，因此模糊集的运算也通过隶属函数的运 算来刻画。 - 19 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 (1) 空集 模糊集合的空集是指对所有元素 X，它的隶属函数为 0，记作Φ。 (2) 等级 模糊集合 A， B 若对所有元素 X，它们的隶属函数相等，即 A， B 也相等。 (3) 子集 在模糊集 A， B 中，所谓 A 包含于 B 中，是指对所有元素 x，有 A B , (3.5) , A ，x， , , B ，x， (4) 并集 模糊集合 A 和 B 的并集 C，其隶属函数可表示为 , x U , c ，x， , max,, A ，x， , , B ，x，, (3.6) (5) 交集 模糊集合 A 和 B 的交集 C，其隶属函数可表示为 , x U , c ，x， , min,, A ，x， , , B ，x，, (3.7) (6) 补集 模糊集 A 的补集 B、 A 互为补集，其隶属函数可表示为 , x U (3.8) , B ，x， , 1 , A ，x， 与普通集合一样，模糊集满足幂等律、交换律、吸收律、分配律、结合律、 摩根定理等。但其不同于普通集合，互补律不成立，即 _ _ (3.9) A , A , ,, A ， A , 0 4. 隶属函数与模糊统计 隶属函数的确定应该是反映出客观模糊现象的具体特点，要符合客观规律， 而不是主观臆想。对于同一个模糊要领总存在不同的人会使用不同的确定方法， 建立完全不同的隶属函数，不过所得的处理模糊信息问题的本质结果应该是相同 的。 模糊统计与随机统计完全不同，模糊统计是对模糊性事物的可能性程度进行 统计，统计结果称为隶属度。 对于模糊统计实验，在论域中给出一个 x，再考虑 n 个有模糊集合 A 的普通 - 20 - 高校教师硕士学位论文 x 对 A 的归属次数和 n 的比值就是统计出的 集合，以及元素 x 对 A 的归属次数。 元素 x 对 A 的隶属函数: , A ，x， , lim x A次数 n n (3.10) 当 n 足够大时，隶属函数 , A ( x) ,是一个稳定值，但对于现实的实验中 ,由于各 类条件限制，n 不能太大，常采用一些有经验的专家和工人的技术数据来代替之， 所以此法又可称为专家法。 采用模糊统计进行大量实验，就能得出模糊集中各元素的隶属度，以隶属度 和元素组成一个单点，就可以把模糊集合 A 表示出来。 5. 模糊关系 (1) 关系 客观世界的各事物之间普遍存在着联系，描写事物之间联系的数学模型之一 就是关系，常用符号 R 表示。 a. 关系的概念 若 R 为由集合 X 到集合 Y 的普遍关系，则对于任意 x? X,y? Y 都有以下两 种情况: x 与 y 有某种关系，即 xRy; x 与 y 无某种关系，即 x R y; b. 直积集 由 X 到 Y 中各取一元素排成序对，所有这样序对的全体组成的集合叫做 X 和 Y 的直积集(笛卡尔集)记为 X , Y , ,，x, y， | x X , y Y , (3.11) 显然， R 集是 X 和 Y 直积集中的一个子集，即 R X , Y (3.12) (2) 模糊关系 两组事物之间的关系不宜用“有”或“无”作肯定或否定的回答时，可以用 模糊关系来描述。 设 X , Y 为集合 X 到 Y 的直积集 ,R 是 X , Y 的一个模糊子集 ,它的隶属函数为 , R ，x X , y y，,这样就确定了 X 与 Y 的模糊关系 R,由隶属函数 , A ，x, y，刻画 ,函数 , A ，x, y，代表序偶 ，x, y，具有关系 R 的程度。 一般来说，只要给出直积空间 X , Y 中的模糊集合 R 的隶属函数 , A ，x, y，，集 - 21 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 X 到集合 Y 的模糊关系 R 也就确定了。 合 (3) 模糊矩阵 当 X , | i , 1 , 2 , | i , 1 , 2 , ,x , m ,, Y , ,y , n , 是 有 限 集 合 时 ， 则 i i X , Y 的模糊关系可用下列 m , n 阶矩阵来表示 , r11 r1n ， r12 r1 j r22 r2 j , 21 r2 n ,, , , (3.13) R , , , ri 2 rij , ri1 rin , , , , , rm 2 rmj , rm1 rmn ,， R , ,rij ,m,n ， Q , ,qij ,m,n 阶矩阵，即 式中元素 rij , , 为R , , R ，xi , yi ，，该 讨 矩阵称为模糊矩 论 阵，简记为: 模 R , ,rij ,m,n 。 糊 矩 阵 运 算 方 便 ， 设 矩 阵 m , n ， 此时模糊矩阵的交、并、补运算为 (3.14) 模糊矩阵交 R ， Q , ,rij , qijm, n , (3.15) 模糊矩阵并 R , Q , ,rij ， qijm, n , c (3.16) ijm, n 模糊矩阵的合成运算，其中合成运算符号为“?”，它用来代表模糊矩阵的相 乘，与线性代数中的矩阵乘极为相似，只是将普通矩阵运算中对应元素间相乘用 小运算“ , ”来代替，而元素间相加用取大“ ， ”来代替，具体定义如下: 设两个模糊矩阵 P , ,pij ,m, n， Q , ,qij ,n, l合成运算 P , Q 结果也是一个模糊矩 , r 阵，则 R , ,rik ,m, l。模糊矩阵 R 的第 i 行，第 k 列元素 rik 等于 P 矩阵的第 i 行元素 与 Q 矩阵的第 k 列对应元素两两取小，而后再所得到的 j 个元素中取大，即 n , l ， , m; k , 1,2, (3.17) i ,1 (4) 模糊变换 设 A , ,a1 a 2 a m ,是一个 m 维模糊向量，而 , r11 r1n ， r12 r22 r2 n ,, (3.18) , , , , 模糊矩阵补 ,R 1 r , rm 2 rm1 rmn ， 是一个维模糊向矩阵表示的模糊关系，则称 A , R , B (3.19) 为一个模糊变换，它可以确定一个唯一的 n 维模糊向量 B , ,b1 bn ,。b2 - 22 - rik , ? ， pij , q jk ，，i , 1,2, , r R , , 21 高校教师硕士学位论文 A 是输入量论域 V 上的模糊向量; B 是输出控制量论域 W 上的模糊向量; R 是输入和输出论域 V 和 W 之间的关系。 那么，上述 A , R , B 就是从输入到输出的模糊变换过程，也就是从输入量 A 通过输入输出关系 r，求取输出量 b 的过程，所得的结果 b 就是输出控制模糊 量。可见，以模糊矩阵合成运算所执行的模糊变换意义重大。 3.2.2 模糊控制的理论基础 1. 模糊命题 模糊命题是清晰命题的推广，清晰命题的真假相当于普通集合中元素的特征 函数，而模糊命题的真值在 ,0 ，1,闭区间取值，相当于隶属函数值。 模糊命题的一般形式是 A: e is F(或 e 是 F) 式中 e 是模糊变量， F 是模糊概念所对应的模糊集合。 2 .模糊逻辑 模糊命题的真值在 [0， 1]闭区间上连续取值，因此称研究模糊命题的逻辑为 连续性逻辑，由于主要用它来研究模糊集的隶属函数，也称为模糊逻辑 [2]。设 x 为模糊命题 A 的真值，y 为模糊命题 B 的真值，在连续逻辑中，逻辑运算规则如 下: (3.20) 逻辑并: x ， y , max，x, y， (3.21) 逻辑交: x , y , min，x, y， 逻辑非:x , 1 x (3.22) (3.23) 限界差: x,y , 0 ， ，x y， (3.24) 限界和: x y , 1 , ，x ， y， (3.25) 限界积: x y , 0 ， ，x ， y 1， (3.26) 蕴涵: x y , 1 , ，1 x ， y， (3.27) 等价: x , y , ，1 x ， y， , ，1 y ， x， 3. 模糊语言 (1) 语言变量 由一个五元体( N,T(N),U,M,G)来表征的变量，五元体中各个元定义如下: a. N 是变量名称，即单词。 b. T(N)是 N 的语言真值集合。 c. U 是 N 的论域。 d. M 是词义规则。 - 23 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 G 是记法规则，它规定了原子词，即原始项构成全部项之后的词义变化。e. (2) 语言算子 语言算子是指如 ”比较 ”,”大致 ”、 ”有点 ”、 ”偏向 ”等前缀词，根据这些语言算 子的功能不同，经常使用的有如下几类。 (3)语气算子 表示语气程度的模糊量词，它有集中化算子和松散化算子两类。 a.模糊化算子:把一个明确的单词转化为模糊量词的算子称为模糊化算子。 在模糊控制中，采样的输入总是精确量。要实现模糊控制，首先必须把采样的精 确值进行模糊化，而模糊化实际上就是用模糊化算子来实现的，所以引入模糊化 算子具有十分重要的实用价值。 b.判定化算子:把一个模糊词转化为明确题词的算子称为判定化算子。 (4) 模糊语句 将含有模糊概念、按给定的语法规则所构成的语句称为模糊语句。根据其语 义各构成语法规则不同，可以分为下述几种类型。 a. 模糊陈述句 模糊陈述句是相对于具有清晰概念的一般陈述句而言，指的是该类陈述句中 含有模糊概念。 b. 模糊判断句 模糊判断句是模糊语言中最基本的语句，又称为陈述判断句。 c.模糊推理句 模糊推理句如同模糊判断句一样，不存在绝对的真或假，只能 说它以多大程度为真。 (5) 模糊推理 在模糊控制中，模糊控制规则通常是由模糊条件语句来描述的，它符合人们 的思维和推理规律，是一种较为直接的模糊推理。 常见的模糊条件推理语句有 “if A then B else c”、“ if A and B then c”等。一般 而言实现模糊运算的实现分以下几步: a. 通过语气算子和补运算，求得模糊集合。 b. 确定模糊条件语句所决定的模糊关系 R。 c. 计算语气算子所对应的模糊集合。 d. 根据输入量和模糊关系 R 求出所对应的输出量。 3.3 模糊控制理论的改进 目前，模糊控制技术日趋成熟和完善。各种模糊产品充满了日本、西欧和美 国市场，如模糊洗衣机、模糊吸尘器和模糊摄相机等，模糊技术几乎变得无所不 能，各国都争先开发模糊新技术和新产品。多年来一直未能解决的稳定性分析问 - 24 - 高校教师硕士学位论文 题正在逐步解决。模糊芯片也已研制成功且功能不断加强，成本不断下降。直接 采用模糊芯片开发产品已成为趋势。模糊开发软件包也充满市场。模糊控制技术 除了在硬件、软件上继续发展外，将在自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经 模糊控制上取得较大的发展。随着其它学科理论、新技术的建立和发展，使模糊 理论的应用将越来越广泛。模糊理论结合人工神经网络 (Neural Network)和遗传基 因 (Genetic Mechanism)形成交叉学科神经网络模糊技术 (Neuron Fuzzy Technique) 和遗传基因模糊技术 (Genetic Fuzzy Technique)，用于解决单一技术不能解决的问 题 [8]。 3.3.1 模糊控制与神经网络的融合 近年来，模糊控制和神经网络都在各自的学科里取得了引人注目的进展，而 且在这两个学科的边缘开辟了众多研究新领域。两者的相互渗透和有机结合必将 引起电子产业和信息科学的新革命。 神经模糊控制 (Neuron-Fuzzy Control)是神经网络技术与模糊逻辑控制技术相 结合的产物，是基于神经网络的模糊控制方法。模糊系统是建立在“ IF-THEN” 表达式之上，这种方式容易让人理解，但是自动生成高斯隶属函数和模糊规则上 却很困难。而神经网络对环境的变化具有较强的自适应能力，所以可结合神经网 络的学习能力来训练模糊规则。提高整个系统的学习能力和表达能力，这是日前 最受注目的一个课题。 3.3.2 模糊控制与遗传算法的融合 由于模糊逻辑控制所要确定的参数很多，专家的经验只能起一个指导作用， 很难根据它准确地求出各项参数，因而实际上还要反复试凑，寻找一个最优过程。 通过改进遗传算法，按所给优化性能指标，对被控对象进行寻优学习，从而可有 效地确定模糊逻辑控制器的结构和参数。 3.3.3 专家模糊控制 专家模糊控制器 EFC(Expert Fuzzy Controller)由 R.M.Tong 提出，1984 年他发 表了关于模糊控制系统展望的论文，提出这一新概念。专家模糊控制系统是由专 家系统技术和模糊控制技术相结合的产物。把专家系统技术引入模糊控制之中， 目的是进一步提高模糊控制器的智能水平。专家模糊控制保持了基于规则的方法、 价值和用模糊集处理带来的灵活性，同时也把专家系统技术的表达，利用知识的 长处结合进来 [21]。专家系统技术考虑了更多方面的问题，例如，是什么组成知识 以及如何组织、如何表达、如何应用知识等。专家系统方法重视知识的多层次和 分类的需要，以及利用这些知识进行推理的计算机组织。 - 25 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 3.3.4 模糊系统建模及参数辨识 建模与参数辨识是实现控制的重要基础，因此这一研究工作从 1991 年至今一 直是模糊控制领域的热门话题。系统模糊模型就是指采用与系统输入输出样本数 据相关的、能表示系统状态的一组模糊规则来描述系统，具有模糊性的表示形式。 模糊控制理论还有一些重要的理论课题还没有解决。其中两个重要的问题是: 如何获得模糊规则即隶属函数问题以及如何保证模糊系统的稳定性。大体说来， 在模糊控制理论和应用方面应加强的主要课题有: 1. 适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系，控 制器的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观测性判定方法等。 2. 模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法，量化水 平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现规则和隶属函数自动生成等问 题，以及进一步给出模糊控制器的系统化设计方法。 3. 模糊控制器参数最优调整理论的确定以及修正推理规则的学习方式和算 法等。 4. 模糊控制算法的改进和研究。由于模糊逻辑的范畴很广，包括大量的概念 和原则，然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。 这方面的尝试有待深入。 3.3.5 模糊控制系统的基本原理 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的微机数字 控制，是模拟人的思维，把精确量模糊化，通过模糊推理，然后经过清晰化处理 得到控制量构造一种非线形控制，以满足复杂的、不确定的过程控制的需要。它 属于智能控制范围 [3]。其控制方框图如图 3.1 所示。 e U Y 计算控 模糊量 模糊控 模糊 被控 R 执行 D/A 制变量 化处理 制规则 决策 + 对象 机构 - 传感器 A/D 图 3.1 模糊控制系统框图 图3.1中虚线框内为一步模糊控制器，可见，一步模糊控制算法包括四个步骤: 1.根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择的系统的输入变量; 2.将输出变量的精确值变为模糊量; 3.根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量 - 26 - 高校教师硕士学位论文 (模糊量); 4.由上述得到的控制量(模糊量)计算精确的控制量. 在实现以上的四个步骤时，首先要确定输入变量的基本论域和模糊子集论域。 输入变量误差及误差变化的实际范围称为它们的基本论域，模糊控制输入所要求 的误差及误差变化范围称为它们的模糊子集论域。人对数值的模糊量一般用大、 中、小来表示，再加上正负，模糊词集可表示为: {负大 ，负中，负小，零，正大，正中，正大} 而系统的输入变量的模糊子集论域所含的元素个数应选为词集总数的两倍以上， 才能确保模糊词集能较好地覆盖模糊子集论域，避免出现失控现象。所以，误差 及误差变化的模糊子集论域可选择为: {-6 ， -5， -4，-3，-2，一1,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 } 设计者再根据经验设定输入变量误差及误差变化的基本论域，即设定误差量 化因子KE及误差变化量化因子KC。用误差量乘KE、误差变化量乘KC，可把误差和 误差变化从基本论域转化到模糊子集论域中。量化因子k、基本论域[a，b]和模糊 子集论域[m, n]的对应关系为:k=(n-m)/(b-a)。基本论域中的精确量X转化到模糊 子集论域中的变量y是通过公式: y=(n-m)x[x-(b-a)/2]/(b-a) (3.28) 来实现的。 然后确定模糊子集论域和模糊词集的对应关系.通过隶属函数的转换，把误差 值E及误差变化值EC由模糊子集论域中的变量转变为模糊词集中的模糊量。隶属函 2 x a 数可选择三角函数、梯形函数等。在此，选择隶属度函数为正态函exp{- ( ) }， b 因为此函数的曲线类似于人脑思维曲线，和人的思维方式较一致。其隶属函数曲 线图及模糊量转换表分别如图3.2和表3.1。 图3.2钟形隶属度函数曲线图 - 27 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 表3.1 模糊量转换表 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 ， edt Td dt ] Ti , 0.5uTc ， 其中 u , , ， , , PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0.4 0.8 1.0 6 15 ， 14, PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0.2 0.7 1.0 0.7 0.2 ) ， Ti , ( ( ， PS 0 0 0 0 0 0 0 0.9 1.0 0.7 0.2 0 0 [e(n) e(n 1)] ， d [e(n) e(n 1) ， e(n 2)]} 100 C 时，仿真结果如图 2.2: 0 0 0 0 0 0 0.5 1.0 0.5 0 0 0 0 0 NS 0 0 0.2 0.7 1.0 0.9 0 0 0 0 0 0 0 NM 0.2 0.7 1.0 0.7 0.2 0 0 0 0 0 0 0 0 NB 0.1 0.8 0.4 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 经过模糊量转换后，再通过模糊推理可得到模糊控制器输出。模糊控制规则 总结共21条如下: 1. If E = NB or NM and EC = NB or NM then u = PB 2. If E = NB or NM and EC = NS or 0 then u = PB 3. If E = NB or NM and EC = PS then u = PM 4. If E = NB or NM and EC = PM or PB then u = 0 5. If E = NS and NB or NM then u = PM 6. If E = NS and EC = NS or 0 then u = PM 7. If E = NS and EC = PS then u = 0 8. If E = NS and EC = PM or PB then u = NS 9. If E = NO or PO and EC = NB or NM then u = PM 10 . If E = NO or PO and EC = NS then u = P S 11 . If E = NO or PO and EC = 0 then u = 0 If E = NO or PO and EC = PS then u = NS 12 . , 13 . If E = NO or PO and EC = PB or PM then u = NM 1 (1 t T, ) z (e N ，1) 14 . If E = PS and EC = NB or NM then u = PS z (1 e z 1 ) 15 . If E = PS and EC = NS then u = 0 ](1 e 16 . If E = PS and EC = 0 then u = NM ) z 17 . If E = PS and EC = PM or PB then u = NM 18 . If E = PM or PB and EC=NB or NM then u = 0 19 . If E = PM or PB and EC =NS then u = NM 20 . If E = PM or PB and EC=0orPS then u = NB 21 . If E = PM or PB and EC=PM or PB then u = NB - 28 - 高校教师硕士学位论文 最后 ，对得到的模糊控制器输出进行解模糊，即精确化。解模糊有最大隶属 度法、取中位数法、加权平均法判决法(重心法)等多种方法。精确化后得到的数 值再乘输出比例因子Ku得到模糊控制器的输出值。输出比例因子Ku的大小影响模 糊控制系统的特性:Ku选择过小会使系统动态过程变长，而Ku选择过大会导致系统 震荡。设计者根据实验经验和计算机来确定Ku的值。这样，整个模糊控制算法的 过程就完成了。 模糊控制器是一台处理器，用于完成模糊推理的过程与根据输入量和模糊运 算做出模糊控制工作。 在温度控制系统中，传感器用于感受控制对象的温度，然后由与温度变化的 线性关系产生与其大小相适应的变化量交给变送器处理。变送器将来自传感器的 输入转换成标准的电压或者电流信号，再通过输入输出接口装置进行模数转换， 最后输入到模糊处理器中进行模糊控制。 输入输出接口装置包含了各种人机接口，如用于输入控制温度的键盘、用于 显示实时温度的数码管、用于报警的 LED，还有将模拟信号转换为数字信号的 A/D 转换器等。很显然，人机接口装置越完备，其能实现的功能也越强，这样也 越能增加产品的功能和亲合力 [20]。 控制对象可以是电锅炉，如果是电锅炉执行器可以是晶闸管，也可以是静态 或固态继电器。 基于模糊算法的温度控制系统，可用各类处理器，如微机、单片机、DSP 等 作为模糊控制器 [21]，其内部运行模糊算法程序，用于根据输入的温度信号进行处 理从而达到做出模糊控制的目的。 - 29 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 第 4 章 电热锅炉温度控制系统的硬软件设计 针对第 1.3 节所介绍的系统功能需求和设计技术指标，本文所设计的系统由 软件和硬件两部分组成，本章详细介绍了系统的硬件和软件设计，并对硬件和软 件的每一个部分进行了详细的分析。硬件和软件的每一个环节都是经过深思熟虑 各自完成相应的功能，并组成一个统一的整体。 4.1 硬件设计 系统硬件由电源电路、温度检测变送电路、模数接口转换电路、单片机系统、 人机接口和 RS— 485 总线接口等部分组成，原理框图见图 4.1。 工作原理:由集成的热电偶变送器对系统温度进行检测，并完成信号标准化、 变送功能。单片机执行模糊控制功能、由固态继电器控制大功率发热器电源的导 通与断开，从而达到控制温度的目的。通过 RS-485 完成 P89LPC938 与 PC 机的 数据通信，实现远程监控的功能。 上位机 RS-485接口 固态继电器 电热锅炉 TLC2551 LPC938 LED显示 DDZ-?热电偶温度变送器 图 4.1 温度控制系统硬件结构框图 4.1.1 电源电路 由于整个系统都是用单片机和各类芯片及电阻、电容组成的，其工作电压为 ， 5V，不需要负电压，可采用三端固定正电压集成稳压器 7805 系列的芯片 , 6,， 其输出电压 5V，按输出电流不同可分为 78M05、 78L05，输出电流分别为 0.5A 和 1.0A，转换成功率分别为 2.5W 和 5W。从整个系统的设计来看，其中有几块 集成芯片和多个电阻、电容等器件，其功率总和应在 2W 左右，所以考虑整个系 统的功率裕量，采用 78L05 作为整个系统的供电芯片。 - 30 - 高校教师硕士学位论文 所示: 其主要电路如图 4.2 图 4.2 电源电路 其中输入电压为交流 220V，经过变压器输出为 9.5V，再进行整流。整流可 通过四个二极管进行全波整流，也可以利用集成整流堆来进行。后面接电容 C19、 C20 为滤波电容进行滤波，注意电解电容应该要有一定裕量，否则不能起到很好 的滤波效果。本电路中使用的电容大小为 470µF,耐压为 25V。 78L05 的输出级接 入两个滤波电容，用于减小因为电源波动对系统造成的影响和滤波。不需要采用 大容量的电解电容器，容量大小为 100µF 耐压为 25V，再接入 0.1µF 的电容器， 便可减少因为电源波动的影响和滤去纹波，很好地改善负载的瞬态响应。然而， 随之产生一个弊端，即一旦 78L05 的输入出现短路时，输出端大电容上存储的电 荷，将通过集成稳压器内部放电，可能会造成内部电路的损坏，故在其间跨接一 个二极管，为放电提供放泄通路，对集成稳压器起到了分流保护作用。 4.1.2 温度检测与变送环节 信号的检测变送包含两个方面，一是检测环节，另一个是变送环节。 检测环节至关重要，检测元件的选型关系到检测的精度和变送环节中信号变 送的容易程度。在温度的检测过程中一般用热电阻和热电偶完成，热电阻一般用 在检测精度要求不是很高的地方，而热电偶则在灵敏度上比热电阻更好，检测精 度能比热电阻有一个数位的差异 [26]。 检测与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。 被检测参数性质的不同，准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能要求 的不同都影响检测、变送器的选择，要从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。 应遵循以下原则: 1. 可能选择测量误差小的测量元件。 2. 尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。 3. 对测量信号作必要的处理。 a.测量信号校正。 - 31 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 测量信号噪声(扰动)的抑制。 b. 4. 对测量信号进行曲线线性化处理。 温度是工业生产过程中最常见、最基本的参数之一。所以，温度的检测与控 制是自动控制工程的重要任务之一。测量温度的方法有两种，一种是接触式、另 一种是非接触式。接触式测量的主要特点是:方法简单、可靠，测量精度高。但 是由于测温元件要与被测介质接触进行热交换，才能达到平衡，因而产生了滞后 现象。同时测量体可能与被测介质产生化学反应。此外测量体还受到耐温材料的 限制，不能应用于很高温度的测量。非接触式测温是通过接收被测介质发出的辐 射热来判断的。其主要特点是:测温原则上不爱限制;速度较快，可以对运动体 进行测量。但是它受到物体的辐射率、距离、烟尘和水汽等因素影响，测温误差 较大。 由于本系统中测量的对象为热水锅炉，测量温度在 0~100?左右，且介质为 水，不易与测量体发生化学反应。所以理所当然选择接触式的温度测量方式更为 理想。 目前工业生产过程中常用的接触式温度测温原理与使用场合如表 4.1: 表 4.1 各类传感元件的特点和使用场合 测温原理 温度计名称 测温范围? 主要特点 固体热膨胀 双金属温度计 体 -200~700 积 气体热膨胀 玻璃液体温度计 结构简单，价格便宜， 变 适用于就地测量，传送 化 距离不很远 液体热膨胀 压力式温度计 -200~600 电 铂、铜、镍、铑、 阻 铁热敏电阻 利用导体或半导 准确度高，能远传，适 变 体的电阻值随温 -270~900 用于低、中温测量 化 锗、碳、金属氧化 度变化的性质 物热敏电阻 普通金属热电阻 热 利用金属的热电 贵重金属热电阻 电 效应 测量范围广，精度高， 难熔金属热电阻 -200~1800 效 能远传，适用于中、高 非金属热电阻 温测量应 - 32 - 高校教师硕士学位论文 中所列的各种温度测量仪表中，机械式大多用于就地指示;辐射式 从表 4.1 的精度较差，只有电的测温仪表精度较高，信号又便于传送。所以热电偶和热敏 电阻温度计在工业生产和科学研究领域中得到了广泛地应用。 热电偶温度计在工业生产过程中极为广泛。它具有测温精度高，在小范围内 热电动势与温度基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，测温范围宽，响 应时间较快等特点。在使用时一定要注意冷端温度补偿，在一般情况下采用补偿 电桥的方法较多，具体实现过程见下面的分析过程。热电阻温度计是利用导体或 半导体的电阻值随温度而变化的性质来测量温度的。常用的有铂电阻、铜电阻、 半导体热敏电阻等，重金属热电阻精度高，且不需冷端补偿，但高精度产品价格 昂贵，在工业上难以普及。 变送器在数据采集过程中负责把传感器检测到的信号变成统一标准信号 ( DCA4~20mA 或 DCV 1~5V)，从而使处理器能够识别，便于在自动控制过程中 进行运算和做出相应的处理决策。 DDZ—?热电偶温度变送器可以把温度转换成统一的标准信号( DCA4~20mA 或 DCV1~5V)，其输出送显示仪表或调节器，调节器实现对温度的显示或自动控 制。 DDZ—?热电偶温度变送器具有热电偶冷端温度补偿、零点调整、零点迁 移、量程调整以及线性化等重功能。其具有以下几个特点: (1) 采用了线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性及各项技术性能。 (2) 热电偶温度变送器中采用了线性化电路，使变送器的输出电流或电压信 号和被测温度(输入信号)成线性关系。 (3) 线路中采用了安全火花防爆措施，可用于危险场所中的温度测量变送。 由以上分析，我们可以得出结论， DDZ—?热电偶温度变送器是一种集成的 自动化温度传感变送器，在量程和精度上都完全满足本系统设计中温度测量、变 送的要求。 4.1.3 模数转换接口电路 因为单片机不能直接处理模拟信号，所以必须将热电偶检测到的温度模拟信 号变化成数字信号 ,单片机才能做出相应的处理 [27]。 按照设计指标，精度要求在?0.5?。若采用 8 位 A/D 转换器，如果设定其成 比例关系，即数字量 0~255 对应 0? ~100?。由于其精确度为 0.39?，可以满足 要求，但考虑要留有一定的裕量，即 100?不能为 255，虽然这个问题可以用调整 变送器的方法来解决。但这其中又隐含了另外一个问题即将温度的检测值到十进 制温度转换的计算， A/D 转换结果每增加一个单位值，十进制温度增加 0.39 度， 这需要用二进制浮点数运算。这就意味着在有限的存储空间里面要存储浮点数的 - 33 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 加、减、乘、除和二进制数与十进制数的转换程序等;并且因为温度是通过键盘 输入到存储器中的所以输入的温度值也要经过转换，这就大大的加长了程序运行 的时间同时也就减短了 A/D 转换所占用的时间和温度的采样点数，直接影响了控 制精度。同时很大程度上加大了编程的难度，在逻辑思维上、程序转换上都有较 大的难度。要满足精度要求，而且还要在运算上、数值转换上不困难，可以通过 调整变送器的量程和 A/D 转换器的分辨率来解决。 若采用 12 位 A/D 器，其输入电压为 0~5V 时对应的输出为 0~4096，设计要 求温度控制在 0~100?。我们可以设定，使得当输入为 100?时，对应 A/D 的输 出为 1000，这样其精度可以达到 0.1?，完全满足设计的要求。前面已经说明变 送器的输出为 1~5V，所以可以调节变送器的量程，使 0?时变送器输出为 1.22V, 而 A/D 转换的输出为 1000;100?时输出 2.44V，A/D 输出为 2000。所以输出都要 减去 1000。通过以上设定，在保证了很大的裕量的同时又减小了其计算的复杂性。 其输出值 =温度×10，运算的时候根本不用采用浮点数运算，只要一个双字节无 符号数减法、除法即可以完成，且在显示的时候也可以精确显示到小数点后面一 位。 TLC2551/2541 是 TI 公司生产的串行 12 位 A/D 转换器，采用 DIP-8 封装， 具有简单的微处理器接口，单通道差分输入，在时钟脉冲为 400KHz 时转换时间 为 3.2us， 5V 供电时输出范围: 0, 5V，输入输出完全兼容 TTL 和 CMOS 电路， 全部非校准误差:?1LSB。单 5V 供电，工作温度范围:0? -70?;其接口电路如 图 4.3。 VCC 地址译码输出 CS 1 8 IN+ DDZOUT 7 CLK ALE 2 IN- 3TLC25516 DO P1.3 4 5 C12 GND 0.1uF C11 Vref 0.1uF 图 4.3 模数转换电路 4.1.4 单片机最小系统 1.单片机选型 针对系统的设计要求，以及目前市场上单片机的性价比比较，本文选择了 LPC938 芯片。它不仅有内置的程序存储器和定时器、还有外部中断的功能。 - 34 - 高校教师硕士学位论文 P89LPC938 是一款单片封装的微控制器，含有多种低成本的封装形式。它采 用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需 2 到 4 个时钟周期。6 倍于标准 80C51 器件。P89LPC938 集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路 板面积并降低系统的成本。 其基本特征如下: (1) 具有适于控制的 8 位 CPU 和 指令系统; ;8KB 片 (2) 256 字节的片内 RAM 内 Flash; (3) 增强型 UART。具有波特率发 图 4.4 LPC938 引脚图 生器、间隔检测、帧错误检测和自动 地址检测功能。 (4) 400kHz 字节方式 I2C 通信端口和 SPI 通信端口; (5) 选择片内高精度 RC 振荡器时不需外接振荡器件; (6) 最少 23 个 I/O 口，选择片内振荡和片内复位时可多达 26 个 I/O 口。 2 .晶振电路的设计 单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过 X1、 X2 引脚接入定时 控制 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 (晶体振荡和电容)，即可构成一个稳定的自激振荡器 [29]。 振荡器的工作频率一般在 1.2~12MHz 之间，当然在一般情况下频率越快越好。 可以保证程序运行速度即保证了控制的实时性，但系统频率太快，则将影响其抗 干扰能力，本系统采用 6MHZ 作频率。一般采用石英晶振作定时控制元件;在不 需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振，有时也可以引入外部时钟脉冲 信号。 C10、C11 虽然没有严格要求，但电容的大小影响振荡器的振荡的稳定性和起 振的快速性，通常选择在 10~30PF 左右。在设计电路板时，晶振，电容等均应尽 可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。 20PF X1 C11 Y1 6M 20PF C10X2 - 35 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 图 4.5 复位电路和时钟电路 4.1.5 片外数据辅助存储器 在本系统的设计过程中，考虑到加热器在加热过程中可能出现电源断电的情 况。当供电恢复后，要求系统能自动投入运行，继续按原已设定温度参数进行控 制。而有键盘输入的温度值是存储在单片机的数据存储器中，单片机断电重新启 动后存储的设定温度参数已经消失。为了解决这个问题，有必要在单片机外部加 入了一个基于 I2C 总线的 E2PROM，完成对设定温度参数的非易失性存储。 AT24C01 是美国 ATMEL 公司的低功耗 CMOS 串行 E2PROM，它是内含 128 ×8 位存储空间，具有工作电压宽( 2.5, 5.5V)、擦写次数多(大于 10000 次)、 写入速度快(小于 10ms)等特点。在系统中，用 AT24C01 存储用户设定的保持 温度，上限温度和下限温度。当系统断电再得电以后，系统将自动的读出 AT24C01 中的保存值，并根据其内容进行加热，直到设定的温度。从而达到了断电后再加 热的目的。其实际电路连接图如图 4.6，电阻 R7、 R8 为 I2C 协议的上拉电阻。 1 8 A0 u10 VCC VCC 2 7 LOCK A1 WAP 3 6 SCL A2 SCL 4 5 SAD GND SDA AT24C01 GND R7 R8 5.1K 5.1K VCC 图 4.6 AT24C01 接口电路 4.1.6 人机交互接口 1(显示电路 显示部分用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等。 当然，从理论上而言，如果要很明了的显示各种数值的话，应该加上汉字显示模 块，这样就可以一目了然的识别出各种设定值。从这一方面来说 LCD 显示器就占 有很大的优势。但 LCD 显示器也存在着很大的不足，如 LCD 显示器一般都有 8 根数据线和 5 根控制线，即使是用串行的情况下也要占用单片机的 8 个 I/O 口 [29]， 或者 6 根线和几个逻辑门。使用 LED 显示器可以很容易解决 I/O 口的问题，采用 51 单片机的串行方式 0，只要两根线(数据与时钟)就能完成显示功能，而且串 行口还可以跟其它芯片共用，只要加上一个逻辑门电路形成线选就可以了。本显 - 36 - 高校教师硕士学位论文 示电路共设了四位，分别用于显示温度的百、十、个、小数位。所以显示的温度 可以精确到小数点后一位，即 0.1?。但温度的设定值只能输入两位，即十位 /个 位。 Disselec 接在地址译码输出端用于选通显示。其具体电路如图 4.7 所示: U2 RP1 TXD 1 DS1 3 8 3 1 16 1 DPY a CLK IN Q0 disselec 2 1 4 2 15 2 a b SER INA Q1 RXD 2 5 3 14 3 c b f SER IN B Q2 AND g 9 6 4 13 4 9 d CLR Q3 power 10 5 12 5 U3 e e c Q4 0.1UF C5 C6 11 6 11 6 d f Q5 0.1UF 12 7 10 7 dp g Q6 13 8 9 8 dp 74HC164 Q7 百 200*8 RP2 DS2 8 1 3 16 1 DPY a CLK IN Q0 2 1 4 15 2 a b SER INA Q1 3 2 5 14 3 c f b SER IN B Q2 4 9 6 g 13 4 9 d CLR Q3 power 5 10 12 5 e e c Q4 U4 6 11 11 6 d f Q5 7 12 10 7 dp g Q6 8 13 9 8 dp Q7 74HC164 十位 200*8 A1 RP3 8 3 1 16 1 DPY a CLK IN Q0 1 4 2 15 2 a b SER INA Q1 2 5 3 14 3 c b f SER IN B Q2 9 6 4 13 4 g 9 d CLR Q3 power 10 512 5 e e c Q4 U5 11 6 11 6 d f Q5 12 7 10 7 dp g Q6 13 8 9 8 dp Q7 74HC164 个位 200*8 RP4 A2 8 3 1 16 1 DPY a Q0 CLK IN 4 2 15 2 1 a b Q1 SER INA 5 3 14 3 2 c b f Q2 SER IN B 6 4 13 4 9 g 9 d Q3 CLR power 10 5 12 5 e e c Q4 U6 11 6 11 6 d f Q5 10 12 7 7 dp VCC g Q6 13 8 9 8 dp Q7 74HC164 小数位 200*8 图 4.7 显示电路 2. 键盘接口电路 键盘电路是单片机应用系统最常用的人机接口，往往要占用较多的 I/O 端口。 本文新颖的键盘控制电路，可以最大限度地减少键盘电路对 I/O 端口的点用。电 路是在组合接法的基础上增加了 3 个二极管，并采用了新接法。其软件处理使用 了端口访问和扫描检测两种方法，从而使按键数可达到 16 个，同时由于采用了 组合逻辑来直接对端口进行读取，因此极大的简化了程序的处理过程，同时也节 省了宝贵的存储器和 CPU 运算资源。图 4.8 是该电路的电路原理图。 该电路在程序处理时，由处理器首先向 I/O1, I/O3 写高电平，然后读入。如 果非全 “1”，说明， K0, K6 中有键按下，此时可根据读入的端口状态判断键的 状态，如果读入的结果为全 “1”，则 I/O1, I/O3 轮流输出低电平，再读入，这样 就可根据另外两根 I/O 线的状态来判别是 K7, K15 中的哪一个键被按下。重复调 用键盘处理子程序可将读取的键值与上次的值进行比较，甚至两次读数相同为止， 这样即可消除按键抖动所造成的误读。 利用该键盘电路并根据逻辑组合原理可推断开 n 条 I/O 线可组合的按键数 N - 37 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 为: N=(2n-1)+(2 n-1 -1)n 图 4.8 键盘电路 表 4.2 键盘设置与功能设定 键 名 功 能 个数 (标号 ) 数字键 10( 0~9) 输入 0~100?的温度数值，不设小数，但可显示。 下限温度 设定下限温度 1( 15) 上限温度 设定上限温度 1( 14) 设定恒温 设定恒温温度 1( 13) 使其停止加热，显示“正常”时有效，停机时停止 停机键 1( 11) 显示，停止测量。 确定输入的数据，输入数据时有效，其它情况下报 确认键 1( 10) 警。 循环显示温度设定值、上限值、下限值温度，按下 下翻 1( 12) 每项依次显示 2 秒钟，不按则显示实际温度值 3 .报警电路 为使系统的人机交互界面更好，设置了两路报警信号，分别为两路红色的发 光二极管，用于显示越限报警和误输入报警。 - 38 - 高校教师硕士学位论文 当电热锅炉中水温高于工作人员所设定的上限温度或 者低于设定的下限温度时，则认为发生了越限，越限报警 vcc 灯 (LED1)点亮，提示操作出现了越限报警，提醒工作人员 注意是否有意外情况发生。值得一提的是，当系统从低温 开始加热，到下限温度以前系统可能出现越限报警。当出 1k 1k 现越限报警时，工作人员应该注意是不是此种情况，此情 况可以忽略。 误输入报警 (LED2)主要用于键盘管理中，当用键盘进 P1.5 P1.0 行恒温设定、上、下限温度设定时工作人员如果没有按说 图 4.9 报警显示 明中所要求的步骤进行操作即是所谓的误操作。当出现误 操作时误输入报警灯点亮，此时工作人员应进行输入检查，查看说明并更正。 越限报警和误输入报警分别由 P1.0 和 P1.5 口引出，其上接的电阻为限流电 阻用于防止电流过大而引起的发光二极管错误显示。 4.1.7 执行机构 执行机构为一个固态继电器。图 4.10 中，R12 为锅炉加热用电阻丝，OPE 为 来自单片机系统的控制信号。当其为高电平时，固态继电器 DS6 内部的双向晶闸 管导通，电热锅炉通电加热，电容 C14 具有抗干扰，防止固态继电器误之用。 4 1 2 µçÍø xp2 DDZOUT 220V~AC OPE M2 C14 DDZ-2型热电偶变送器 1 S3 1 0.1UF 2 2 DS6 热电偶 OPTOTRIAC R13 R12 100 RES1 图 4.10 执行器图 4.1.8 RS-485 总线接口电路 RS-485 总线具有电路设计简单，成本较低的特点，在微机测控网络中应用十 - 39 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 分广泛。接口电路如图 4.11 所示，P89LPC938 单片机自带异步通信接口，外接 RS-485 收发器 75LBC184，P89LPC938 单片机异步通信接口与 75LBC184 采用了三 片光耦进行了电气隔离。 在电路中假设 75LBC184 的 DE(3 脚)的电位为 1，那么 RS-485 总线输出将 处于发送状态，也就是占用了通信总线，其他分机就无法与主机进行通信。这种 情况下尤其表现在某个分机或看门狗电路出现异常(如死机)情况下，会使整个 系统通信崩溃。因此在设计电路时，要保证系统上电复位时 75LBC184 的 DE(3 脚)的电位为 0。由于 AT89C51 在复位以后，P1 口输出高电平，故图 4.11 的接法 可有效的解决这个问题。 图 4.11 RS-485 通信接口电路 开始 4.2 软件设计 移入设定值并显示 系统的软件部分以主程序为入口，前台包 含键盘管理和显示子程序;后台为定时中断程 初始化，开中断 序。在初始化之后调用键盘管理程序，完成对 键盘的扫描，读入键值，并根据相应的键值进 调用键盘管理子程序 行各类操作。温度采样频率由定时器控制，在 每一次采样完成之后进行模糊控制时间的显示 调用显示子程序 和刷新。 4.2.1 主程序 主程序作为程序的入口，控制各类程序的调用。 图 4.11 主程序流程图 在系统中其主要的任务是循环调用键盘管理程序和显示程序。然后其它的功能都 - 40 - 高校教师硕士学位论文 由键盘管理程序和中断。 程序完成。可以说主程序起到了重启动后读入 E2PROM 中的设计温度和上、 下限温度;设计各类定时器和开中断功能，并调用键盘管理程序的功能。这样处 理主程序起到了分散功能的作用，即主程序会变得很容易编写，而具体的功能都 由功能子程序完成。 主程序流程如图 4.11 所示。 4.2.2 串行 A/D 转换芯片的驱动和其输出值的量化 1. TLC2551 的驱动 前面已经说明系统中采用的 A/D 转换芯片是串行的，所以我们在使用其时必 须按照其时序一步步的完成，其时序图如图 4.12 所示。 图 4.12 TLC2551 的时序图 从图上可以看出 A/D 转换的最高位数据在 CS 变低以后的第二个脉冲开始出 现，而 TLC2551 为 12 位，即其转换结果在第 14 脉冲时完全从 TLC2551 出来进 入到单片机内部。TLC2551 使用过程为先置 CS 为低，将其选通，然后连续 14 个 脉冲，从第 2 个到第 5 个脉冲后将 A/D 转换值存储于转换结果的高字节，从第 6 个到 13 个时将 A/D 转换值存入到转换结果的低字节。 2 . A/D 转换值到温度的定标子程序 入口 假设温度测量范围为 0, 100?，测量精度 为?0.1?。为避免浮点数运算(提高运算效率， 启动 A/D，读入数值 节约存储空间)，在单片机中温度值以实测温度 (单位?)乘 10 后取整存储。如前文所述 ,由 A/D 值 -1000 于变送器的限制 ,我们只能将 0?时所对应的变 送器输出为 1.22V,而 100?时对应的变送器输 存储温度值 出 是 2.44V。 考 虑 到 ADC 芯 片 的 分 辨 率 为 12bits，参考电压为， 5V。 返回 而 1.22V 对应的 ADC 输出为: 图 4.13 A/D 转换和量化流程图 - 41 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 1.22 , 212 , 999.424 , 1000 5 同理， 2.44V 对应的 ADC 输出为 2000。假设变送器输出在 0, 100?范围内 为线性，最终温度存储值只要将 ADC 输出,1000 即可。 温度量化流程如图 4.13 所示。 4.2.3 片外 I2C E2PROM 驱动子程序和空间分布 2 E PROM 的作用已在前面说明，其内部用连续的 7 个字节分别用于存储首次 开机标志、设定温度、上限温度和下限温度。其中标志占一个字节，其余各占 2 个字节。 I2C 总线简介: I2C 总线由 PHILIPS 提出，是一种用于 IC 器件之间连接的二 线制总线。它通过 SDA(串行数据线)及 SCL(串行时钟线)两根线在连到总线 上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件:不管是单片机、存储器、LCD 驱动器还是键盘接口。采用 I 2C 总线标准的单片机或 IC 器件，其内部不仅有 I 2C 接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件 寻址实现片选，减少了器件片选线的连接 。其协议定义的数据格式如下: 开 … 停 7/10 器件地 R/W AC SUBAD AC DATA AC 始 址…止 K D K K 时序图如图 4.14: 图 4.14 I2C 总线的时序图 从上图我们很容易看出 I2C 总线的时序。使用时最开始发起始位，然后是器 件地址，接着是从地址、数据最后是结束位，中间还夹着应答位。AT2401 在电路 中的器件地址为 1010000(前 4 位为 I2C 协议规定的 E PROM 的地址，后 3 位为 2 CPU 类地址，由图 4.7 可知其类地址为 000)。因为只用到了其中的 10H~16H 单 元，其余单元空闲，所以 SUBADD(图中的第二个 ADDESS)为 00000010。 - 42 - 高校教师硕士学位论文 4.2.4 温度及设定值的显示子程序 要显示的数据存储于连续的四个数据存储器之中。由图 4.7 可知其采用了串 行口方式 0，所以要用时只要将串行口设置为方式 0，然后在脉冲的配合下从高位 到 低 位 一 个 个 的 移 入 SUBF 寄 存 器 中 即 可 。 其 要 显 示 的 数 据 共 四 位 位 于 从 TEMPDATA 开始的四个连续存储空间中。流程图如图 4.15。 ?,?, ?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?, ?,?,?,?,,,?,?,?,?,?,?,?,?, ?,?,?,?,?, Y,?,?,?,?,?,?,?,?, N, ?,?,?,?, N,?,?,?,?, Y, ?,?, 图 4.15 显示子程序流程图 4.2.5 键盘管理子程序 键盘管理程序包括键盘扫描程序(用于将输入的键盘值读入到数据存储器 中)、键盘值判断处理程序(判断输入的数值并根据其是功能键还是数据键做出相 应的处理)。 1.键盘扫描子程序 由图 4.8 可知同显示接口一样，键盘接口同样使用了串行口的方式 0。当检 测到有键按下时，程序将检测是在第 0 行或者是在第 1 行，然后通过串行输出不 同的列值来扫描按下的键在哪一列。最后将键值读入到 keyboard 存储器中。键值 =行值×8+列值。 2.键值判断处理子程序 - 43 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 由硬件部分可知键盘中除了几个数字键外，还有几个功能键。此程序用于判 断输入的键是功能键还是数字键，如果是功能键则选择相应的功能或者在误输入 的情况下报警，提醒操作者。其流程图见图 4.16。 入口 ?,?,?,?, ?,?,?,?,清缓冲区 100ms?,?,?,?, 有键按下 N ? N,?,?,1?,?, Y Y,延时20mS消抖 100ms?,?,?,?, ?,?,?,?,?,?,1, 扫描输入所按键的键值 ?,?,20,N,?,?, Y, 20?,?,?,?,?,?,Y 是数字键? ?,A/D?,?,?,?,?, 数字键处理 N Y,Fuzztime=0,功能键处理 ?, CLR,P1.2,N,?,?,?,?,SET,P1.2, ?,?,?,?, 误操作? Y ?,?,T1?,?,?,?,?,?,误操作处理 N ?,?,?,?, ?,?,?,?,返回 图 4.16 键盘管理子程序流程图 4.17 定时器 0 中断服务子程序 4.2.6 定时器 0 中断服务子程序 单片机的内部定时器 0 用作采样周期定时器， 根据本系统模糊控制的需要， 采样周期定为 20s。由于定时器 0 的最大定时时间为 130MS，本文将其设计为 100MS 定时器，即自隔 100MS 产生一次中断请求。 在中断服务程序中，利用 100MS 及 20S 两个软件计数器，实现 20S 的定时。 中断服务的主要工作是，启动 A/D 转换，并将采样后的值作为模糊输入量，再由 模糊控制程序实现由输入量到输出量的计算，并将计算出的控制量存储在 fuzztime 寄存器中。此处采样得到的温度值将作为当前系统的实际温度值用以更 新显示。整个程序为顺序执行。流程图如图 4.17。 - 44 - 高校教师硕士学位论文 4.2.7 模糊运算子程序 模糊运算程序实现了由 A/D 转换值到模糊控制值的运算。其中包含了求差量 化和查模糊表等子程序。 在本文设计的模糊控制算法中，偏差 e =现行温度值?设定温度值，其模糊 集合可以表示为 {负大( NB)、负小( NS)、零( Z0)、正小( PS)、正大( PB) } 并将其大小量化为九个等级:-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4。其论域 E 为 E={-4， -3， -2， -1， 0， +1， +2， +3， +4}。 为简化运算，可将控制量 U 的大小也量化成上述九个等级若根据专家经验， 这些模糊集的隶属度量化为如表 4.3: 根据熟练操作人员手工控制经验，模糊控制规则如下: 1) IF E=NB THEN U=PB 2) IF E=NS THEN U=PS 3) IF E=ZO THEN U=ZO 4) IF E=PS THEN U=NS 5) IF E=PB THEN U=NB 上述模糊控制规则为一多重模糊条件语句，可用误差论域 E 到控制量论域 U 的模糊关系 R 表示为: R , ，NBe , PBu， , ，NSe , PSu， , ，ZOe , ZOe， , ，PSe , NSe， , ，PBe , NBu， 表 4.3 模糊集的隶属度量 量化等级 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 语言变量 PB 0 0 0 0 0 0.4 0.7 1 1 PS 0 0 0 0.4 0.7 1 0.7 0.4 0 ZO 0 0 0.4 0.7 1 0.7 0.4 0 0 NS 0 0.4 0.7 1 0.7 0 0 0 0 NB 1 1 0.7 0.4 0 0 0 0 0 接下来再由奖罚法则和上述计算关系进行矩阵运算，结果如表 4.4。 - 45 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 表 4.4 差值与控制量的等级对应表 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 e U +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4 差值 e 与实际温度的量化关系如表 4.5。 表 4.5 量化等级与实际温度的对应表 量化等级 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 实际温差? 5 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +5 - 控制 U 与实际输出的量化关系如表 4.6 表 4.6 控制量的量化等级与实际输出之间的关系 量化等级 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 实际输出 20 10 5 3 2 1 0 0 0 表中实际输出数值为每个 20 秒周期内的导通秒数。 实际运用过程中，可以将 -4~4 量化为 0~8，减少符号数的运算。另外为了减 少程序，可由差值 e 量化后直接求出控制量，而不必要对控制量进行反量化。 表 4.7 简化后的实际温差与实际输出的关系表 实际温差 0? +5? -5 -0.5 -0.2 -0.1 +0.1 +0.2 +0.5 ? ? ? ? ? ? ? 0 1 2 3 4 5 6 7 8 e 实 际 输 20 10 5 3 2 1 0 0 0 出 表中实际输出数值为每个 20 秒周期内的导通秒数。 分析可知，模糊运算程序实现了由 A/D 转换值到模糊控制值的运算。其中包 含了求差量化和查模糊表等子程序。程序流程图如图 4.18。可以通过查表程序来 求得其模糊控制值。程序流程图如图 4.19。 - 46 - 高校教师硕士学位论文 入口 入口 保存差值 给定值--采样值 差值量化 N 差值为正? 隶属度量 负数求原码去符号 模糊逻辑推理 Y 决策、清晰化 直接量化 输出Fuzztime 返回 长的PWM信号 返回 图 4.19 模糊运算子程序流程图 图 4.18 求差量化子程序流程图 4.2.8 PWM 波发生子程序 如前文所述，定时器 T0 用于采样、控制周期的定时。本文将控制周期定为 20 秒。 定时器 T1 与 T0 协同工作，用于产生单个控制周期内特定占空比的 PWM 信 号。其基本原理是将一个控制周期分为 20 等分(脉冲周期)，通过设定 T1 的初 值，在单个控制周期内输出 fuzztime 个正脉冲， 20, fuzztime 个负脉冲。这样在 fuzztime 个脉冲周期时长内，执行器通电，使加热器加热，其余控制周期时间 ( 20-fuzztime)执行器不通电。 整个程序采用顺序执行，流程图如图 4.20。 - 47 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 T1中断入口 保护现场 100ms计数一次 到达fuzztime N 秒, Y CLR P1.2 关加热器 关T1中断 恢复现场 T1中断返回 图 4.20 PWM 波发生子程序流程图 4.3 抗干扰设计 在系统的运行过程中可能出现各种干扰，如信号不稳定、电路板抗干扰能力 差、程序跑飞等，也可能在搬运或者使用过程中对电路板或者原器件的磨损等。 所以在设计过程中应做好抗干扰设计，以求将干扰对系统产生的影响降到最低。 4.3.1 硬件抗干扰设计 在硬件设计过程中为了减少外部信号对系统的影响采用了以下几种抗干扰措 施。 1.I/O 口外接滤波电容和上拉电阻，减小信号干扰。 2.制作 PCB 板时对重点信号线实行地线包络，并于导线集中的地方和过孔处 补上焊锡，加强连接。 3. PCB 板的双面分别填充电源层与地线层 [14]，并对没有并线的地方进行覆 铜。 4.PCB 板布局实行模块化分离，模块之间进行信号隔离，对电源变压器进行 隔离。 4.3.2 软件抗干扰措施 软件抗干扰就有投资低的优点，本文采用的软件抗干扰措施如下: 1. 指令冗余 当 CUP 受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序的混乱， - 48 - 高校教师硕士学位论文 我们首先要尽快将程序纳入正轨，也就是让程序弹飞到某一个单字节指令 NOP，这就是指令冗余，自此，常在一些对程序的流向起决定作用的指令之前插入两条 NOP 指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。在某些对系统工作状态 至关重要的指令前也可插入两条 NOP 指令，以保证被正确执行。 2. 软件陷阱 当弹飞的程序落到非程序区(如 ROM 中未使用的空闲和程序中的数据表格 区)时，就形成了死循环，解决的办法就是用一条引导指令强行将捕获的程序印 象到一个指定的地址，为了加强捕获的效果，一般还在其前面加两条 NOP 指令 [15]。 因此，软件陷阱由三条指令组成: NOP NOP LJIMP START ( 1) 未使用的中断向量区 当干扰未使用的中断开放，并激活这些中断时，就会进一步引起混乱，如果 我们在这些地方布上陷阱，就能及时捕获到中断。可在中断入口处加入 RETI 指 令。 ( 2)未使用的大片 ROM 空间 对于剩下的 ROM 空间，一般在每隔一段设置一个陷阱( LJMP START)从头 开始，此时前两个指令的地址即是设置陷阱的地址，又是 NOP 指令，起到双重的 作用。 - 49 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 第 5 章 系统软件调试与仿真实验 软件的调试包括模糊运算中的模糊表的求取和程序的调试。 5.1 模糊表的求取 在软件设计部分中已经说明，模糊运算中由于单片机的运算能力有限，所以 将模糊矩阵的运算部分采用了离线的方式，进行求取。本系统采用的模糊推理法， 针对每组量化的 E 和 C 按照隶属函数表查处隶属度，对两个推理前件的隶属度取 其小，作为推理后件隶属度在在语言变量区域取截集;在对输出的模糊量进行模 糊判决，从而得到了模糊控制表。 1. 根据熟练操作人员的经验定义模糊关系 R，用矩阵表示如图 5.1。 图 5.1 系统的模糊关系 R 模糊矩阵是模糊规则的描述，它反映输入、输出模糊向量间的映射关系。在 本设计中，根据专家操作过程统计分析获得。 2.运行编好的程序，求控制量。 依次输入各种情况下的误差模糊向量 E ，执行矩阵运算 U , EiR ，求得对应的 输出控制模糊向量 U 。 如 E=NS 时有， U=[0.4 0.4 0.7 0.7 0.7 1 0.7 0.7 0.7]。 图 5.2 E=NS 时的控制值 3. 解模糊(清晰化) - 50 - 高校教师硕士学位论文 以输出控制模糊向量 0.4 0.4 0.7 0.7 0.7 1 0.7 0.7 0.7 u , ， ， ， ， ， ， ， ， 4 3 2 1 0 ，1 ，2 ，3 ，4 按照隶属度最大原则，清晰化处理应取“ +1”级。参照表 4.6，实际输出的 清晰值为 1，对应 PWM 占空比为 1 20 。 同理，对其它误差输入量均可从 R 中确定一个相应的清晰输出控制值 5.2 软件的调试及模拟仿真实验 软件的调试部分包括各类程序的调试，如主程序、键盘管理子程序、定时中 断程序。其中最重要的是模糊运算程序调试，它主要验证模糊运算的正确性，和 在此运算方式下的控制效果及精度等。 接好调试电路，以电阻热水器代替电热锅炉进行模拟仿真实验。输入程序并 进行查错、编译，运行程序并观察结果，仿真实验结果如下: 1.当给定温度为 95?时， 在理想的环境下，在第一次测试时，由于所选取的参数不太准确，导致仿真 出现了较大的误差，没有达到系统的性能指标。 通过不断的调整参数，得到了系统的最终的仿真曲线，系统达到了预期的控 制效果。 图 5.2 给定温度为 95?时的系统响应曲线 2. 选好最终参数后，当给定温度为 50?时，理想曲线与实际测试曲线的对 照图如下所示 5.3。 从仿真曲线上可以看出，系统在实际运行时，同样 t1 以前系统全速加热，但 由于自然散热，曲线并不是直线。而温度上升到 48?时上升斜率减小，到 49.5 0 C， 曲线的斜率接近 0，最终系统达到了它的设计要求。 - 51 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 图 5.3 给定温度为 50?时的系统响应曲线 综上所述，系统采用模糊控制算法，在控制精度上得到了很大的提高。 - 52 - 高校教师硕士学位论文 结论 电热锅炉是一种将电能转换为热能，生产蒸汽或热水的装置 。它可以满足高 层建筑、商业、小型工矿企业、车、船舶工业等领域的需要。电热锅炉同其它燃 料锅炉相比，主要的特点有:热效率高，电热元件直接与介质进行对流换热，换 热系数高，热效率可达97%以上;体积小，结构紧凑，占地面积小，不需燃料及燃 烧废渣堆放场地，大大减少基建投资;可实现无人值守的全自动控制，控制系统 的通用性好;控制迅速灵活，操作简单方便，负荷调节性能佳;加热方式便利， 可以采用瞬时、储水及蓄热多种形式;维修简单方便，全部零件均可更换，即使 有部分加热元件发生故障，仍可正常运行;安全性能好，使用寿命长。国外20年 代起就开始应用电热锅炉，国内自70年代后期也开展了电热锅炉的应用。目前， 在我国的工业过程生产中，电热锅炉已经得到了广泛的应用。电热锅炉是一种机 电一体化的高新技术产品，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。锅炉供水温度的控制受到被控对象、 环境及燃料等诸多因素的影响，难以建立精确的数学模型，采用传统的控制方式， 控制器参数选择将是很困难的事。如今模糊控制已在诸多领域得到了很多成功的 应用。由于模糊控制主要是模仿人的控制经验而不是依赖于控制对象的模型，因 此模糊控制能近似地反映人的控制行为，无需建立对象的数学模型，有很强的鲁 棒性。电热锅炉作为一种新型的机电一体化产品，是目前较为理想的环保、节能 型供暖设备，其中的温度自动控制系统的性能，将直接影响该产品的节能效果、 用户满意度，从而影响了产品的市场竞争能力。温度控制受到被控对象、环境等 诸多因素的影响，常具有较大的时滞性和较强的干扰，难以建立精确的数学模型。 采用传统的控制方式，如PID控制方法，很难获得良好的控制效果。因此为这类电 热锅炉开发出一种价廉物美的温度自动控制系统是一个有着较大实际意义的课 题。 本文密切结合实际科研项目进行研究，开发并设计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，主要完成了以下研发工作: 一、根据系统的设计指标，对电热锅炉的温度控制系统进行了详细的硬件和 软件。在硬件部分设计了 7个功能模块的电路原理图，主要包括电源电路、温度检 测与变送环节、模数转换接口、片外数据辅助存储、人机交互接口、执行机构和 RS-485总线接口电路。软件部分主要有 6个程序的设计，包括主程序、A/D转换和 量化流程图子程序、温度及设定值的显示子程序、键盘管理子程序、定时器 0中断 - 53 - 模糊控制技术在电热锅炉温度控制系统中的应用研究 中断服务子程序以及抗干扰的设计。 服务子程序、模糊运算子程序、定时器 1 二、研究了目前温度控制系统中的常用的 PID调节器、 DALIN、 SMITH预估 及模糊控制等几种算法。经仿真研究，分析比较了它们在温度系统的应用中各自 的优缺点，最终构建了一种基于模糊控制技术的电热锅炉温度自动调节算法。 三、对系统进行了软件的调试及实验仿真。 四、采用了 RS-485总线，它具有电路设计简单、成本较低的特点。在接口电 路的设计中，保证了系统上电复位时 75LBC184的 3脚的电位为 0，这样解决了以往 当某个分机(或看门狗电路)出现异常时，会使整个系统崩溃的问题。 五、模数转换可以同时进行 8个点的循环检测。 当然,系统同时也存在一定不足。在选择模糊控制器时用了速度相对较慢的单 片机，一定程度上降低了采样频率。对于 89C51 采用了经典的模糊控制理论，虽 然算法简单，但控制精度受到一定的限制。很显然，基于模糊算法的温度控制系 统能够满足一般温度控制系统的要求，如果在其中加入更高级的算法，如模糊 PID 等，再将压力等参数考虑到系统中，且控制范围扩大到其它的领域中去，其将有 着不可估量的应用前景。 - 54 - 高校教师硕士学位论文 参考文献 [1] 章卫国.模糊控制理论与应用[M].陕西:西北工业大学出版社，1999:78-79 [2] 刘曙光,魏俊民.模糊控制技术[M].北京:中国防治出版社，2001:20-24 [3] 杨汝清.智能控制工程.上海:上海交通大学出版社,2000:58-68 [4] 张文胜.龚希波.电热锅炉的市场前景和发展方向.能源工程，2001，(5):52-55 [5] 诸静.模糊控制原理与应用. 北京:机械工业出版社，1995:165-172 [6] 陶永华,尹怡欣.新型的 PID 控制及其应用.北京:机械工业出版社，2000: 17-25 [7] 邵裕森，戴先中.过程控制工程(第 2 版).北京:机械工业出版社，2000: 158-162 [8] 窦振中.模糊逻辑控制技术及其应用. 北京:北京航空航天大学出版社,1995: 255-268 [9] 刘骏跃.PID 参数的模糊整定器研究.自动化与仪器仪表，2001,(5):20-22 [10] 郭齐胜.系统建模原理与方法.长沙:国防科技大学出版社，2003:10-15 [11] Ge M, Chiu M S, Wang Q G. 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