基于模糊pid控制的鍋爐爐溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，鍋爐在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常采用的一種設(shè)備。在生產(chǎn)過(guò)程中，我們主要對(duì)溫度、壓力、流量進(jìn)行控制。而鍋爐的溫度控制在鍋爐控制系統(tǒng)中的地位越來(lái)越突出。由于鍋爐溫度系統(tǒng)慣性較大、滯后現(xiàn)象比較嚴(yán)重，干擾量較多，幾乎無(wú)法建立其數(shù)學(xué)模型。因此，對(duì)鍋爐爐溫的控制一直都是研究難點(diǎn)。</p>

2、<p>　　本文主要是對(duì)鍋爐爐溫系統(tǒng)進(jìn)行控制。如果選擇傳統(tǒng)PID控制方式，精度較低，控制效果不理想，所以考慮選擇模糊控制。研究模糊控制的基本原理，設(shè)計(jì)控制鍋爐爐溫的模糊控制器。對(duì)鍋爐的溫度飛升曲線特點(diǎn)進(jìn)行剖析，創(chuàng)建模糊控制規(guī)則表，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。根據(jù)仿真曲線結(jié)果計(jì)算系統(tǒng)的%和，在傳統(tǒng)PID控制中，計(jì)算結(jié)果不能同時(shí)滿足控制的基本要求；當(dāng)選擇

3、模糊控制的時(shí)候，%和都能滿足控制的基本要求，但是系統(tǒng)極易出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。所以本論文是把傳統(tǒng)PID控制以及模糊控制組合到一起，設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)自整定的模糊PID控制器，將PID的幾個(gè)主要參數(shù)、以及 進(jìn)行自整定，利用Simulink仿真出曲線，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的基于模糊PID的鍋爐爐溫控制器能夠滿足鍋爐爐溫控制的基本要求。</p><p>　　在分析鍋爐溫度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，選擇 PIC16F877A 單片機(jī)作為關(guān)鍵器件，完

4、成溫度的采集控制以及超限報(bào)警等基本功能，并把本文計(jì)算出的模糊 PID 算法與硬件相結(jié)合，設(shè)計(jì)主程序的流程圖和基本電路。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Boiler in the production and life has been applied more and more extensively with the de

5、velopment of the times, it is a device often used in industrial production, and boiler temperature control in the boiler control system is becoming more and more prominent. Temperature control system with large inertia,t

6、he serious delay and difficult to establish accurate mathematical model. The nonlinear relationship exists.</p><p>　　This paper is mainly on the boiler furnace temperature control. If the selection of the tr

7、aditional PID control mode, the accuracy is lower, the control effect is not ideal . We should consider the option of fuzzy control, the basic principle of the fuzzy control, design control of boiler furnace temperature

8、fuzzy controller. The fuzzy control rule table is established through analysing the characteristic of the electric boiler temperature in the thesis. In this thesis, simulation of PID control</p><p>　　Analysi

9、s of boiler temperature control system, the PIC16F877A microcontroller is chosen as the main component to design the temperature, and the basic function of the collection and control of the temperature is completed. And

10、the paper calculates the fuzzy PID algorithm added to the hardware design, the design of the main program flow chart and basic circuit.</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　摘　　要1&

11、lt;/b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　引　　言1</b></p><p><b>　　1 緒論2</b></p><p>　　1.1 課題的提出和意義2</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外鍋爐控制的發(fā)展現(xiàn)狀2<

12、/p><p>　　1.3 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況2</p><p>　　2 被控對(duì)象以及控制方法的研究4</p><p>　　2.1 被控對(duì)象和原有控制方案4</p><p>　　2.1.1被控對(duì)象的分析4</p><p>　　2.1.2常用控制方案5</p><p>　　2.2 傳統(tǒng)PI

13、D控制6</p><p>　　2.2.1 傳統(tǒng)PID 控制基本原理6</p><p>　　2.2.2 數(shù)字PID控制器7</p><p>　　2.3 模糊控制的基本理論8</p><p>　　2.3.1 模糊控制的基本概念8</p><p>　　2.3.2 模糊控制系統(tǒng)的組成9</p><

14、;p>　　2.3.4模糊控制器的結(jié)構(gòu)12</p><p>　　2.3.5 模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì)步驟13</p><p>　　3 基于模糊控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.1 電鍋爐溫度控制的工藝要求15</p><p>　　3.2 常規(guī) PID 控制的仿真16</p><p&g

15、t;　　3.2.1 PID 控制器設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2.2 PID 參數(shù)的整定16</p><p>　　3.3 溫度控制系統(tǒng)中的模糊控制器17</p><p>　　3.4 模糊控制與傳統(tǒng)PID的比較20</p><p>　　4 模糊PID控制器設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.1 參數(shù)自整糊定

16、模PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)22</p><p>　　4.2 構(gòu)建模糊自整定PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖25</p><p><b>　　4.3 總結(jié)27</b></p><p>　　5 鍋爐溫度智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)28</p><p>　　5.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)28</p><p>　　5

17、.2 硬件電路設(shè)計(jì)28</p><p>　　5.2.1 單片機(jī)的選擇與電路設(shè)計(jì)28</p><p>　　5.2.2 單片機(jī)PIC16F877A簡(jiǎn)介29</p><p>　　5.2.3 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)30</p><p>　　5.2.4 溫度輸出電路31</p><p>　　5.2.5 人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)33&l

18、t;/p><p>　　5.2.6 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)33</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)38</p><p><b>　　致　　謝40</b></p><p><b>　　引　　言</b></p><p>　　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

19、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)發(fā)展。為了保障生產(chǎn)的安全性，得到穩(wěn)定的鍋爐爐溫控制系統(tǒng)就變得越來(lái)越重要。</p><p>　　鍋爐溫度系統(tǒng)慣性較大、滯后現(xiàn)象比較嚴(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

20、此我們需要研究一種可靠的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。</p><p>　　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)建模糊控制規(guī)則表，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，對(duì)比3種控制的仿真圖，得出結(jié)論，選擇最佳的方法進(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、

21、顯示電路、鍵盤(pán)電路以及保護(hù)電路。1 緒論</p><p><b>　　課題的提出和意義</b></p><p>　　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(kāi)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(kāi)放，經(jīng)濟(jì)的發(fā)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)

22、家發(fā)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。</p><p>　　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)發(fā)展。為了保障生產(chǎn)的安全性，得到穩(wěn)定的鍋爐爐溫控制系統(tǒng)就變得越來(lái)越重要。</p><p>　　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)

23、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(kāi)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)比較復(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(kāi)關(guān)電門(mén)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、安全性高的方法。</p><p>　

24、　國(guó)內(nèi)外鍋爐控制的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大部分的鍋爐以燃油和燃煤為主，數(shù)目已經(jīng)達(dá)到了總臺(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(lèi)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)的可靠性以及安全性，更加耗費(fèi)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)

25、過(guò)程逐漸被知識(shí)密集型的產(chǎn)業(yè)所取代[2]。新一代的電鍋爐基本上主要選用智能控制方法，如此可以與現(xiàn)代工業(yè)的基本發(fā)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)行安全可靠、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。</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況</p><p>　　生活中的溫度表

26、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)安全、經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)效率有關(guān)。從第一次工業(yè)革命開(kāi)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，以達(dá)到較為精準(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)，也是保證鍋爐裝置安全的首要指標(biāo)?；谶@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)和生活的基本需要。 </p><p

27、>　　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。</p><p>　　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)格比較便宜，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

28、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)域的溫度分布和反應(yīng)速度快[3]。但是測(cè)量出的溫度誤差比較大，測(cè)溫裝置比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴。</p><p>　　1971年，科學(xué)家付京孫教授較早公開(kāi)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發(fā)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)

29、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(lèi)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)用范圍比較廣泛，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(mén)學(xué)科，并適當(dāng)添加部分專(zhuān)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。</p><p>

30、　　被控對(duì)象以及控制方法的研究 </p><p>　　被控對(duì)象和原有控制方案</p><p>　　2.1.1被控對(duì)象的分析</p><p>　　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(lèi)似，從原理上看，主要分為“鍋”和“爐”。 “鍋”是指一個(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、

31、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℃。</p><p>　　圖2.1 電鍋爐安裝圖</p><p>　　當(dāng)電鍋爐達(dá)到蓄熱時(shí)間時(shí)，補(bǔ)水電動(dòng)閥將被打開(kāi)，蓄熱水箱最先進(jìn)行補(bǔ)水操作，當(dāng)水位達(dá)到預(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)蓄熱水箱溫度達(dá)到設(shè)

32、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。</p><p>　　當(dāng)啟動(dòng)供水電動(dòng)閥時(shí)，則會(huì)關(guān)上正在蓄熱的電動(dòng)閥，從而打開(kāi)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(kāi)啟鍋爐，使用直接供給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]。</p>

33、;<p>　　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。</p><p>　　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，表明：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

34、爐爐溫的傳遞函數(shù)為[9]：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　——對(duì)象的靜態(tài)增益；</p><p>　　——對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；</p><p>　　——對(duì)象的純滯后時(shí)間；</p><p>　　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

35、如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]。</p><p>　　當(dāng)積分時(shí)間常數(shù)T增加時(shí)，則積分作用會(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]。</p><p>　　為時(shí)間延遲，越大，滯后作用越明顯。</p><p>　　2.1.2常用控制方

36、案</p><p>　　現(xiàn)今國(guó)內(nèi)鍋爐控制方式主要分為人工控制方法、開(kāi)關(guān)式控制方法。</p><p>　　人工控制方法：人工控制方法是基于操作人員對(duì)鍋爐控制的操作經(jīng)驗(yàn)的長(zhǎng)期積累。這樣很難升高系統(tǒng)的控制精度，達(dá)到降低成本的目的。 </p><p>　　開(kāi)關(guān)式控制方法：以預(yù)控制的溫度作為溫度標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定一個(gè)控制值的上限，以及一個(gè)控制值的下限。當(dāng)溫度不在這個(gè)區(qū)間，鍋

37、爐啟動(dòng)加熱功能，否則停止加熱。這種方法主要存在如下幾個(gè)問(wèn)題： </p><p>　?、?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。</p><p>　?、?因?yàn)橄到y(tǒng)采用只是簡(jiǎn)單的開(kāi)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)行成本較高。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

38、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?xún)r(jià)比。</p><p>　　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(lài)于非線性控制[12]。</p><p><b>　　傳統(tǒng)

39、PID控制</b></p><p>　　傳統(tǒng)PID 控制基本原理</p><p>　　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]。PID控制原理圖如圖2.2所示。</p&

40、gt;<p>　　圖2.2 基本PID控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　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)：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p><b>　　傳遞函數(shù)為：</b></p><p><b>　　(2.3)&

41、lt;/b></p><p><b>　　動(dòng)態(tài)響應(yīng)為：</b></p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　其中──控制器的輸出；</p><p>　　──控制器的輸入，給定值和輸出值的差值；</p><p>　　──比例控制項(xiàng)，為比例系數(shù)；&l

42、t;/p><p>　　──積分控制項(xiàng)，為積分時(shí)間常數(shù)；</p><p>　　——微分控制項(xiàng)，為微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　簡(jiǎn)單介紹一下P、I、D對(duì)控制過(guò)程的主要影響：</p><p>　　(1) 比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對(duì)偏差的反應(yīng)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[1

43、4][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。</p><p>　　(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)加入積分環(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?/p>

44、反之亦然。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。</p><p>　　(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，加入微分環(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)。</p><p><b>　　數(shù)字PID控制器 </b>

45、;</p><p>　　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。</p><p><b>　　傳遞函數(shù)：</b></p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>

46、;　　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(mén)的時(shí)候，位置式為：</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇為控制量的增量時(shí)，可知：</p><p><b>　　(2.7)</b></p&g

47、t;<p>　　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)部分進(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，則需要重新計(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

48、制器是沒(méi)有辦法滿足其要求的。</p><p><b>　　模糊控制的基本理論</b></p><p><b>　　模糊控制的基本概念</b></p><p>　　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(lài)被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型的非線性的智能控制

49、[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：</p><p>　　(1) 用所謂語(yǔ)言變量代替或符合于數(shù)學(xué)變量。</p><p>　　(2) 用模糊條件語(yǔ)句建立變量之間的簡(jiǎn)單關(guān)系。</p><p>　　(3) 用模糊邏輯算法描繪其復(fù)雜關(guān)系。</p><p><b>　　模糊控制系統(tǒng)的組成</b>&l

50、t;/p><p>　　模糊控制系統(tǒng)是一個(gè)基于反饋的閉環(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)則、合成推理算法以及模糊決策[18]。模糊控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 模糊控制系統(tǒng)組成原理框圖</p><p>　　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)

51、行機(jī)構(gòu)、模糊控制器、檢測(cè)裝置等幾部分構(gòu)成的[19]。</p><p><b>　　1. 模糊控制器</b></p><p>　　模糊控制器是各類(lèi)模糊控制系統(tǒng)的主要組成部分，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(lèi)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(lèi)型的推理規(guī)則以及模糊控制的基礎(chǔ)知識(shí)，這就是不同的模糊控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。</p&

52、gt;<p>　　2. 輸入-輸出接口</p><p>　　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。</p><p><b>　　3. 執(zhí)行結(jié)構(gòu)</b></p><p>

53、　　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。</p><p><b>　　4. 被控對(duì)象</b></p><p>　　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(lèi)型的。</p><p><b>　　5. 檢測(cè)裝置</b></p><p>

54、;　　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?，例如加速度a、速度v、溫度T、壓力P等。而在模糊控制系統(tǒng)里，傳感器則扮演著重要的角色，它的精度對(duì)系統(tǒng)的精度很重要。</p><p>　　圖 2.4 模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　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

55、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)四部分構(gòu)成，而各部分功能如下：</p><p><b>　　1. 模糊化</b></p><p>　　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：</p><p><b&g

56、t;　　(1) 論域變換</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　(2) 模糊化</b></p><p&

57、gt;　　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。 </p><p><b>　　2．知識(shí)庫(kù)</b></p><p>　　知識(shí)庫(kù)是由兩部分組成，即規(guī)則庫(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)。</p><p>　　(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

58、論域以及論域的規(guī)則里，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)提供給推理機(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)則要同時(shí)為其提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)和論域。 </p><p>　　(2) 模糊控制的規(guī)則存放在規(guī)則庫(kù)中。模糊控制規(guī)則是一個(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)、P

59、M(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(EC)、……，這樣就把普通變量的值轉(zhuǎn)化為模糊變量的值，實(shí)現(xiàn)了模糊化的基本工作。E、EC是普通變量和模糊變量，當(dāng)作為普通

60、變量的時(shí)候，其值應(yīng)在論域 X′與Y′里，為普通數(shù)值；當(dāng)作為模糊變量時(shí)，其值應(yīng)在論域[0，1]里，表示為隸屬度。制定了輸出量U的模糊控制規(guī)則表，如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 U的模糊控制規(guī)則表</p><p><b>　　3．模糊推理機(jī)</b></p><p>　　模糊推理是由三部分組成：大前提、小前提以及結(jié)論。根據(jù)已知的規(guī)

61、則庫(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。</p><p><b>　　4．解模糊</b></p><p>　　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：</p><p>　　(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 ′，則U ∈

62、Z ′的定義為幾個(gè)模糊集合，設(shè)定其隸屬度函數(shù)。模糊推理則是在其內(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，則需要滿足很多條不同的模糊規(guī)則，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。</p><p><b>　　(2.8)</b></p>

63、<p>　　解模糊算法求法由：最大隸屬度法、重心法、中位法等 ，則可以求得其內(nèi)部控制量的值。</p><p>　　(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。</p><p>　　2.3.4模糊控制器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　1. 單變量模糊控制器</p><p>　　一維模糊控制

64、器如圖2.5 a)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(chēng)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。</p><p>　　二維模糊控制器如圖2.5 b)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]。</p><p>　　三維模糊控制器如圖

65、 2.5 c) 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)比較繁瑣，模糊推理運(yùn)算的時(shí)間很長(zhǎng)，不經(jīng)常使用。</p><p>　　圖2.6 單變量模糊控制器</p><p>　　2. 多變量模糊控制器</p><p>　　在整個(gè)模糊控制系統(tǒng)里，比一個(gè)輸入和輸出變量多的系統(tǒng)就被稱(chēng)作多變量的模糊控制系統(tǒng)。在多個(gè)變量輸

66、入的模糊控制系統(tǒng)中，使用都是多變量模糊控制器。多變量模糊控制器如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.7 多變量模糊控制器</p><p>　　2.3.5 模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì)步驟</p><p>　　根據(jù)上面敘述的理論，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： </p><p>　?、?確定控制器的輸入、輸

67、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。 </p><p>　?、?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。 </p><p>　?、?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]。

68、 </p><p>　?、?構(gòu)造模糊規(guī)則。把操作人員的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并匯集成一條條精煉的語(yǔ)句。創(chuàng)建模糊控制規(guī)則，并保障控制器的系統(tǒng)性能指標(biāo)。 </p><p>　?、?建立模糊控制表。根據(jù)⑷、 ⑶和⑵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(xiě)出，這樣就構(gòu)成了模糊控制表。 </p><p>　?、?計(jì)算出控制量。將采樣的偏差E和偏差變

69、化率EC通過(guò)⑵式，⑶式后，代入⑸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。 </p><p>　?、?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]。</p><p>　　基于模糊控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　電鍋爐溫度控制的工藝要求

70、</p><p>　　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：</p><p>　?、?自由升溫階段：將鍋爐的水溫迅速升到設(shè)定好的值。</p><p>　?、?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。</p><p>　　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。</p

71、><p>　　圖3.1 溫度飛升曲線</p><p>　　在繪制飛升曲線時(shí)，階躍信號(hào)是不從零點(diǎn)開(kāi)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(kāi)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)，再在加入一個(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。</p><p>　　根據(jù)上述方法可知鍋爐爐溫系統(tǒng)的傳遞函

72、數(shù)為：</p><p>　　= (3.1)</p><p>　　常規(guī) PID 控制的仿真</p><p><b>　　PID 控制器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在 Matlab軟件的Simulink工具

73、中創(chuàng)建一個(gè)傳統(tǒng) PID 算法，其結(jié)構(gòu)圖如圖 3.2所示。</p><p>　　圖3.2 電鍋爐傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　PID 參數(shù)的整定</b></p><p><b>　　經(jīng)驗(yàn)法整定 </b></p><p>　　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P

74、ID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)多次嘗試后，可以得到較好的控制效果，如=30，=5，=30。仿真結(jié)果如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 經(jīng)驗(yàn)法整定仿真圖</p><p>　　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

75、=60秒，超調(diào)量=20%，穩(wěn)態(tài)誤差=0。</p><p>　　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。</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)中的模糊控制器</p><p>　　先在MATLAB軟件中的模糊邏輯工具箱里，創(chuàng)建如圖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

76、和ec，輸出變量為u。</p><p>　　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。</p><p>　　由下圖可知，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

77、數(shù)。</p><p>　　圖3.4 電鍋爐模糊控制器</p><p>　　圖3.5 輸入變量E、EC的隸屬函數(shù)曲線</p><p>　　圖3.6 輸出變量U的隸屬度函數(shù)曲線</p><p>　　控制規(guī)則的輸入是在 Rule Editor 窗口下進(jìn)行的，用 if-then 的形式來(lái)表現(xiàn)的。總結(jié)后的溫度控制規(guī)則一共有49 條，如表 3.7所

78、示。</p><p>　　表 3.7 鍋爐溫度控制規(guī)則表</p><p>　　經(jīng)過(guò)表 3.7鍋爐溫度控制規(guī)則表寫(xiě)入的規(guī)則，Rule Editor窗口規(guī)則鍵入如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 Rule Editor 窗口規(guī)則鍵入</p><p>　　模糊規(guī)則鍵入后，再在Matlab的 Simulink 中構(gòu)建鍋爐模糊控制器的整

79、個(gè)控制系統(tǒng)，仿真結(jié)構(gòu)圖如圖 3.9所示。</p><p>　　圖3.9 電鍋爐模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3.10為當(dāng)給定值為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。</p><p>　　圖3.10 模糊控制器系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖</p><p>　　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

80、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 。</p><p>　　模糊控制與傳統(tǒng)PID的比較</p><p>　　模糊控制與傳統(tǒng)PID的結(jié)構(gòu)圖如圖3.11所示</p><p>　　圖3.11 傳統(tǒng)PID 控制與模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　仿真結(jié)果比較如圖3.12所示。</p>

81、<p>　　圖 3.12 傳統(tǒng)PID 控制與模糊控制對(duì)比的響應(yīng)曲線圖</p><p>　　由圖3.12，傳統(tǒng)PID 控制與模糊控制對(duì)比的響應(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。</p><p>　　模糊PID控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　參數(shù)自整糊定模PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</

82、p><p>　　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。</p><p>　　圖4.1 參數(shù)自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖</p><

83、;p>　　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)。</p><p>　　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

84、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)、、的不同要求。電鍋爐系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 電鍋爐系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線</p><p>　　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)則表。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

85、，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：</p><p>　　(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。</p><p>　　(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.

86、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。</p><p>　　(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，避免出現(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)該取比較合適大小；當(dāng)?shù)闹递^大

87、時(shí)，K應(yīng)該取較小值。</p><p>　　通過(guò)專(zhuān)家控制經(jīng)驗(yàn)表明，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。</p><p>　　定義、、調(diào)整算式如下：</p><p><b>　　(4.1)</b></p>

88、;<p>　　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(xún)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) 。</p><p>　　該模糊控制器輸入量為e和ec，輸出量為 PID

89、參數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)、、，二輸入三輸出模糊控制器，由對(duì)、、的調(diào)節(jié)規(guī)律，構(gòu)成了控制規(guī)則，歸納成以下的參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則，其模糊控制表分別如表 4.1、4.2、4.3所示。</p><p>　　表4.1 的控制規(guī)則調(diào)整表</p><p>　　表 4.2 的控制規(guī)則調(diào)整表</p><p>　　表 4.3 的控制規(guī)則調(diào)整表</p><p>　　模糊控制器采用二

90、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)則共49條。 </p><p>　　構(gòu)建模糊自整定PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在 Simulink 中構(gòu)建一個(gè)鍋爐爐溫的模糊自整定PID 控制器的控制系統(tǒng)，其仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4.4所示。</p><p>　　圖 4.4 電鍋爐模糊

91、PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　模糊PID 控制的響應(yīng)曲線如下圖 4.5所示：</p><p>　　圖 4.5 模糊PID控制響應(yīng)曲線圖</p><p>　　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。</p><p>　　由以上仿真曲線圖可知

92、，當(dāng)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，基本滿足了技術(shù)要求。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　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

93、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。</p><p>　　鍋爐溫度智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　系

94、統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　控制系統(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。</p><p>　　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。</p><p>　　圖5.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖</p

95、><p>　　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

96、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)。</p><p><b>　　硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　單片機(jī)的選擇與電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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

97、佛總線結(jié)構(gòu)，其最高運(yùn)行的時(shí)鐘頻率可以達(dá)到 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)

98、的性能好，Port A、Port B 以及 Port C 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。</p><p><b>　　1. 復(fù)位電路</b></p><p>　　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(mén)

99、狗定時(shí)器復(fù)位、休眠狀態(tài)模式下的和看門(mén)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。</p><p><b>　　2. 時(shí)鐘電路</b></p><p>　　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

100、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]。</p><p>　　單片機(jī)PIC16F877A簡(jiǎn)介</p><p>　　PIC16F877A單片機(jī)的管腳圖如圖5.2所示。</p><p>　　PIC16F877A的主要參數(shù)如下：</p><p>　　1. 具有高性

101、能RISC CPU</p><p>　　2. 僅有35條單字指令</p><p>　　3. 10000次擦寫(xiě)周期</p><p>　　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</p><p>　　5. 運(yùn)行速度：DC-20MHZ 始終輸入DC-200ns 指令周期</p><p>　　6. 8K*14個(gè)

102、FLASH程序儲(chǔ)存器</p><p>　　368*8個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器字節(jié)</p><p>　　256*8 EEPRM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器字節(jié)</p><p>　　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</p><p>　　8. 擁有2個(gè)捕捉器，比較器和PWM模塊</p><p>　　PIC16F877

103、A單片機(jī)的管腳圖如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.2 PIC16F877A的管腳圖</p><p><b>　　溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1. 測(cè)溫元件的選取及性能特點(diǎn)</p><p>　　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

104、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200 ms，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。</p><p>　　表 5.2 溫度數(shù)據(jù)格式&l

105、t;/p><p>　　DS18B20主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量工作，以 12位轉(zhuǎn)換為例：16 位符號(hào)擴(kuò)展以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式讀數(shù)，以0.0625℃/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)8 bit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

106、小時(shí)，最前面5位則為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。</p><p>　　2. DS18B20 測(cè)溫原理</p><p>　　計(jì)數(shù)門(mén)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)，溫度寄存器的值是+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)溫度寄存器的繼續(xù)累加。<

107、;/p><p>　　3. DS18B20 與單片機(jī)的接口電路</p><p>　　當(dāng)DS18B20 在執(zhí)行寫(xiě)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，I/O 接口接4.7 k ? 的上拉電阻，DS18B20與單片機(jī)的連接方式如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3 DS18B20 與單片機(jī)接口電路</p>&

108、lt;p><b>　　溫度輸出電路</b></p><p>　　溫度的控制主要是由加熱功率所控制的，本文需要通過(guò)控制加熱管的輸入功率來(lái)完成對(duì)鍋爐水溫的控制。該次設(shè)計(jì)的主要執(zhí)行器為固態(tài)繼電器，單片機(jī)的輸出信號(hào)和三極管和SSR的連接。當(dāng)溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字式傳感器采樣后，經(jīng)過(guò)控制算法計(jì)算出控制量、輸出量來(lái)控制SSR的開(kāi)關(guān)。固態(tài)繼電器SSR的原理圖如圖5.4所示。</p><

109、p>　　圖5.4 SSR 的原理圖</p><p>　　單片機(jī)PIC16F877A的引腳RC1、RC2來(lái)連接2個(gè)SSR，如圖5.4所示。當(dāng)RC1、RC2輸出1時(shí)，三極管導(dǎo)通，SSR輸入電壓，各自導(dǎo)通。SSR與單片的接口電路如圖5.5所示。</p><p>　　圖 5.5 SSR 與單片機(jī)的接口電路</p><p>　　控制器的另一個(gè)控制對(duì)象是泵的開(kāi)關(guān)，當(dāng)P

110、IC的管腳RB6輸出高電平時(shí)，光耦元件導(dǎo)通，三極管導(dǎo)通，繼電器閉合，泵開(kāi)啟。泵與單片機(jī)的接口圖如圖5.6所示。</p><p>　　圖5.6 泵與單片機(jī)的接口電路</p><p><b>　　人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)</b></p><p>　　LCD 顯示電路選用的是液晶顯示字符的模塊，主要是由LCD，驅(qū)動(dòng)電路HD44780、少量組和電容構(gòu)成的。選擇的

111、是KS0066U的驅(qū)動(dòng)芯片。當(dāng)DB3 接高電平時(shí)，液晶顯示器實(shí)現(xiàn)初始化功能，DB4 ~ DB7 是數(shù)據(jù)線接口，主要完成CPU 的數(shù)據(jù)傳輸，RS 接口是數(shù)據(jù)、指令控制線，主要和單片機(jī)的 RB1接口相連接，當(dāng)RS輸出高電平時(shí)，對(duì)LCD的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作，當(dāng) RS為低電平時(shí)，對(duì)LCD的指令寄存器進(jìn)行操作。E接口是讀寫(xiě)使能控制線，和單片機(jī)的RA5接口相連接，當(dāng)E輸出一次脈沖時(shí)，需進(jìn)行一次數(shù)據(jù)互換，當(dāng)RC2接口接低電平時(shí)，則三極管導(dǎo)通，LCD模

112、塊的背光亮。背光亮暗的程度主要取決于R5的阻值。LCDM與單片機(jī)的連接圖如圖5.7所示。</p><p><b>　　保護(hù)電路的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1. 鍵盤(pán)電路</b></p><p>　　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