基于模糊pid控制的鍋爐爐溫系統(tǒng)的設計

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

2、<p>　　本文主要是對鍋爐爐溫系統(tǒng)進行控制。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，設計控制鍋爐爐溫的模糊控制器。對鍋爐的溫度飛升曲線特點進行剖析，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)果計算系統(tǒng)的%和，在傳統(tǒng)PID控制中，計算結(jié)果不能同時滿足控制的基本要求；當選擇

3、模糊控制的時候，%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，設計一個參數(shù)自整定的模糊PID控制器，將PID的幾個主要參數(shù)、以及 進行自整定，利用Simulink仿真出曲線，結(jié)果表明所設計的基于模糊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)的基礎上，選擇 PIC16F877A 單片機作為關鍵器件，完

4、成溫度的采集控制以及超限報警等基本功能，并把本文計算出的模糊 PID 算法與硬件相結(jié)合，設計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 被控對象以及控制方法的研究4</p><p>　　2.1 被控對象和原有控制方案4</p><p>　　2.1.1被控對象的分析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 控制器的設計步驟13</p><p>　　3 基于模糊控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計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 控制器設計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控制器設計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)的硬件設計28</p><p>　　5.1 系統(tǒng)總體方案設計28</p><p>　　5

17、.2 硬件電路設計28</p><p>　　5.2.1 單片機的選擇與電路設計28</p><p>　　5.2.2 單片機PIC16F877A簡介29</p><p>　　5.2.3 溫度檢測電路設計30</p><p>　　5.2.4 溫度輸出電路31</p><p>　　5.2.5 人機對話系統(tǒng)33&l

18、t;/p><p>　　5.2.6 保護電路的設計33</p><p>　　參 考 文 獻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加熱水的過程，其

19、應用領域極其廣泛，主要應用于家庭供熱，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進行工作，這些能源都是不可再生能源。隨著工業(yè)生產(chǎn)領域的不斷擴大，生產(chǎn)配置在不斷的更新，向著高效率的趨勢發(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)就變得越來越重要。</p><p>　　鍋爐溫度系統(tǒng)慣性較大、滯后現(xiàn)象比較嚴重，干擾量較多，幾乎無法建立其數(shù)學模型，對鍋爐爐溫的控制一直都是研究難點。因

20、此我們需要研究一種可靠的方法實現(xiàn)對其的控制。</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，對鍋爐的溫度飛升曲線特點進行剖析，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，對比3種控制的仿真圖，得出結(jié)論，選擇最佳的方法進行控制。選用PIC16F877A單片機作為關鍵性硬件，設計溫度檢測與控制電路、

21、顯示電路、鍵盤電路以及保護電路。1 緒論</p><p><b>　　課題的提出和意義</b></p><p>　　隨著科學技術(shù)的日新月異，人們對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，以此來實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，越來越被各國人民所關注。我國經(jīng)過二十多年的改革開放，經(jīng)濟的發(fā)展更是迅猛，但是同樣帶來了很多問題，例如煤炭，石油緊缺的問題，這是一個國

22、家發(fā)展的經(jīng)濟命脈，世界強國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進行工作，這些能源都是不可再生能源。隨著工業(yè)生產(chǎn)領域的不斷擴大，生產(chǎn)配置在不斷的更新，向著高效率的趨勢發(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)就變得越來越重要。</p><p>　　鍋爐的爐溫控制的慣性較大、延遲較長、時變性不好、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控制器進行水溫控制[1]。如今人們對鍋爐爐溫的控制主要選擇的是開關式控制以及人工控制，用對器件使用較為熟練的操作工人，憑借長期的經(jīng)驗累積，來手動操作一個比較復雜的機器，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，對外界變化的響應速度較慢，及時性差，此外，不斷的開關電門會產(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、　國內(nèi)外鍋爐控制的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　當前國內(nèi)外大部分的鍋爐以燃油和燃煤為主，數(shù)目已經(jīng)達到了總臺數(shù)的65%左右，且燃燒的過程會生成大量廢氣殘渣，不僅對人類生活產(chǎn)生了不良影響，造成污染。隨著當代社會的不斷進步，電能會逐步替換燃料能源。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，更加耗費了人力物力。設備密集型、信息密集型、勞動密集型的產(chǎn)業(yè)

25、過程逐漸被知識密集型的產(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、運行安全可靠、自動化水平高的特點，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)濟效益、生產(chǎn)效率有關。從第一次工業(yè)革命開始，任何生產(chǎn)過程均溫度控制相聯(lián)系。對于溫度的控制來講，保障快速且即時的對溫度實施采樣，并保證溫度數(shù)據(jù)不會被干擾，以達到較為精準的控制系統(tǒng)。溫度是鍋爐控制系統(tǒng)的一個主要性能指標，也是保證鍋爐裝置安全的首要指標。基于這些因素的特點，運用學過的知識來對溫度控制系統(tǒng)進行探究，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)分為溫度測量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩種。</p><p>　　在溫度控制領域里，接觸式控制起源時間較早，這種控制方式的特點主要是：控制系統(tǒng)較為簡單，可靠性較高，價格比較便宜，控制精度很高，很容易測到真實溫度。但是檢測器件的熱慣性往往會影響到系統(tǒng)的響應時間，較難準確的檢測到容量很小的物體，不適用于易腐蝕、高溫、運動的物體。另一種方法就是非接觸式測溫法，主要是使用輻射能力測量溫度，其特點是：能夠不

28、破壞被檢測溫度場，可以檢測到容量較小的物體，可以檢測到運動的物體的溫度，它可以檢測區(qū)域的溫度分布和反應速度快[3]。但是測量出的溫度誤差比較大，測溫裝置比較復雜，價格昂貴。</p><p>　　1971年，科學家付京孫教授較早公開提出了一個較為新穎的研究領域“智能控制系統(tǒng) ”?，F(xiàn)在，智能控制已經(jīng)成為了單獨的學科。在過去的一段時間里，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科，應

29、用領域十分廣泛。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行模型化的過程，并使用微機進行仿真的一個學科。它的應用范圍比較廣泛，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，實現(xiàn)對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)絡和模糊數(shù)學兩門學科，并適當添加部分專家系統(tǒng)以此實現(xiàn)智能控制。模糊控制被廣泛的應用于實際工程技術(shù)里。</p><p>

30、　　被控對象以及控制方法的研究 </p><p>　　被控對象和原有控制方案</p><p>　　2.1.1被控對象的分析</p><p>　　電鍋爐是把電能轉(zhuǎn)換成熱能的一個轉(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”。 “鍋”是指一個放熱介質(zhì)的容器，而“爐”是指電熱轉(zhuǎn)換的元件[5]。國內(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>　　當電鍋爐達到蓄熱時間時，補水電動閥將被打開，蓄熱水箱最先進行補水操作，當水位達到預先設定好的高水位時，補水電動閥就自行關上[6]。當蓄熱水箱溫度達到設

32、定的溫度或熱儲存期結(jié)束，電鍋爐不再運轉(zhuǎn)，一分鐘以后，循環(huán)加壓泵啟停操作，根據(jù)設定的頻率運行循環(huán)加壓泵，30s以后電鍋爐再次工作，重新蓄熱。</p><p>　　當啟動供水電動閥時，則會關上正在蓄熱的電動閥，從而打開循環(huán)加壓泵，來實現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓方法進行供水[7]。等在30s以后再次開啟鍋爐，使用直接供給的方式向人們完成供水。當供水停止的時候，關閉高壓泵的第一個循環(huán)，60s以后再關閉電鍋爐[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，實現(xiàn)對鍋爐溫度的控制，以滿足小超調(diào)量、短調(diào)節(jié)時間、小穩(wěn)態(tài)誤差的要求。</p><p>　　在生產(chǎn)和生活的過程之中，被控對象是多種多樣的，經(jīng)過對理論的分析和對實驗結(jié)果分析，表明：鍋爐是有自平衡對象，傳遞函數(shù)可以用二階純滯后環(huán)節(jié)來表示，二階系統(tǒng)可以簡化為一階系統(tǒng)。因此，溫度控制對象的數(shù)學模型可以用一個一階慣性環(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>　　——對象的靜態(tài)增益；</p><p>　　——對象的時間常數(shù)；</p><p>　　——對象的純滯后時間；</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增長太大的時候，系統(tǒng)的動態(tài)性能會變差，極易產(chǎn)生輸出量振蕩，閉環(huán)系統(tǒng)的性能可能會不穩(wěn)定[10]。</p><p>　　當積分時間常數(shù)T增加時，則積分作用會變?nèi)?，反之會增強，當增強積分時間常數(shù)T時，會減慢消除靜差的速度，不過可以減小超調(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)今國內(nèi)鍋爐控制方式主要分為人工控制方法、開關式控制方法。</p><p>　　人工控制方法：人工控制方法是基于操作人員對鍋爐控制的操作經(jīng)驗的長期積累。這樣很難升高系統(tǒng)的控制精度，達到降低成本的目的。 </p><p>　　開關式控制方法：以預控制的溫度作為溫度標準值，根據(jù)標準設定一個控制值的上限，以及一個控制值的下限。當溫度不在這個區(qū)間，鍋

37、爐啟動加熱功能，否則停止加熱。這種方法主要存在如下幾個問題： </p><p>　　① 在實際工程中往往達不到理想的控制效果，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。</p><p>　?、?因為系統(tǒng)采用只是簡單的開關啟停，會使系統(tǒng)會出現(xiàn)頻繁振蕩，產(chǎn)生較大的誤差，并對電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，運行成本較高。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控制的原理不復雜，操作便利，魯棒性較

38、強，其被控對象的控制品質(zhì)不產(chǎn)生急劇變化，十分適合用在環(huán)境惡劣的生產(chǎn)過程中，很容易被工作人員掌握，在很多工業(yè)過程中，對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比。</p><p>　　第二個選用方案是模糊控制，其智能性主要取決于計算機模擬人腦和控制的模糊邏輯思維過程中產(chǎn)生的，被控對象的精確數(shù)學模型不依賴于非線性控制[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控制器與被控對象。PID控制器是一個線性的控制器，先計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>　　動態(tài)響應為：</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，為比例系數(shù)；&l

42、t;/p><p>　　──積分控制項，為積分時間常數(shù)；</p><p>　　——微分控制項，為微分時間常數(shù)。</p><p>　　簡單介紹一下P、I、D對控制過程的主要影響：</p><p>　　(1) 比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對偏差的反應較為即時，每當偏差出現(xiàn)時，比例調(diào)節(jié)器會發(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增加過大的時候，可能會導致系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，甚至會出現(xiàn)輸出量振蕩，以及會致使閉環(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，可以適當加入積分環(huán)節(jié)減小靜差，積分環(huán)節(jié)有累積作用，當偏差E不為0時，根據(jù)積分環(huán)節(jié)的累積作用，可以影響輸出量U，進而減小偏差E，由于積分時間常數(shù) 較大，整體作用變?nèi)酰?/p>

44、反之亦然。增加時間的積分常數(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)的進程，出現(xiàn)瞬間變化的偏差，通過控制偏差改變趨勢，從而起到減小偏差的作用，加入微分環(huán)節(jié)，會減小超調(diào)量，減小振蕩，促使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強。</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)采樣時間的偏差值計算系統(tǒng)的控制量，運用外接矩形法來進行簡單的積分數(shù)值，并計算一階后項差分的微分數(shù)值，當采樣周期設置為T的時候，位置式為：</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　當執(zhí)行機構(gòu)選擇為控制量的增量時，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、微分這三個關鍵環(huán)節(jié)都有明確物理釋義。根據(jù)所給工程指標，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控制被控對象的數(shù)學模型，并對模型參數(shù)的三個部分進行變化。在實際生產(chǎn)過程中的參數(shù)，不能實時變化。對于鍋爐爐溫控制系統(tǒng)來講，一旦控制量變化了，其數(shù)學模型將發(fā)生改變，則需要重新計算這三個參數(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重要形式。它的智能是靠計算機模擬人的左腦模糊邏輯思維過程產(chǎn)生的， 屬于模擬智能的符號主義，不依賴被控對象的精確數(shù)學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的，其特點主要為：</p><p>　　(1) 用所謂語言變量代替或符合于數(shù)學變量。</p><p>　　(2) 用模糊條件語句建立變量之間的簡單關系。</p><p>　　(3) 用模糊邏輯算法描繪其復雜關系。</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)是由被控對象、過程輸入輸出通道、執(zhí)

51、行機構(gòu)、模糊控制器、檢測裝置等幾部分構(gòu)成的[19]。</p><p><b>　　1. 模糊控制器</b></p><p>　　模糊控制器是各類模糊控制系統(tǒng)的主要組成部分，其實它就是一個微機，根據(jù)控制對象的不同特征，設計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言類型的推理規(guī)則以及模糊控制的基礎知識，這就是不同的模糊控制系統(tǒng)的主要特點。</p&

52、gt;<p>　　2. 輸入-輸出接口</p><p>　　通過I/O，模糊控制器的被控對象獲得了新數(shù)字信號，把輸出的數(shù)字信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成模擬信號，最后把其傳送給被控對象[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機、交流電動機、步進電動機、伺服電動機等。</p><p><b>　　4. 被控對象</b></p><p>　　被控對象主要是一種裝置、設備，甚至是一種對象的過程。這些被控對象可以是任何情況和任何類型的。</p><p><b>　　5. 檢測裝置</b></p><p>

54、;　　檢測裝置就是傳感器，該傳感器是把被控對象或過程轉(zhuǎn)換成電子信號量控制裝置。控制量主要是非電量，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>　　是被控對象的輸入，是被控對象的輸出，是參考輸入，為誤差。模糊控制器，它主要是按照誤差信號產(chǎn)生符合要求的控

55、制，并將輸出發(fā)送給控制對象。模糊控制器可以分為模糊化接口、知識庫、解模糊解口、模糊推理機四部分構(gòu)成，而各部分功能如下：</p><p><b>　　1. 模糊化</b></p><p>　　模糊語言變量是由模糊化確定的，然后把它轉(zhuǎn)換成模糊語言變量，對應的隸屬度定義了對應的語言變量值。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，其論域是在實際域上的真實論域，可以用X和Y來表示[21]。模糊控制器要把真實的論域轉(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)過論域轉(zhuǎn)換以后，E、EC為非模糊的變量，將它分成幾個單獨的模糊集合。 </p><p><b>　　2．知識庫</b></p><p>　　知識庫是由兩部分組成，即規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫，它主要包含了控制需要實現(xiàn)的目標和實際應用的知識。</p><p>　　(1) 把所有必要的定義都存放于數(shù)據(jù)庫之中。所有的輸入和輸出變量的設置都在其相對應的

58、論域以及論域的規(guī)則里，并使用模糊子集來進行定義，將其存放與數(shù)據(jù)庫里面。當模糊控制器處于推理狀態(tài)時，需要的數(shù)據(jù)主要由數(shù)據(jù)庫提供給推理機。當模糊化接口進行模糊化時，以及解模糊接口進行解模糊時，數(shù)據(jù)庫則要同時為其提供相應的數(shù)據(jù)和論域。 </p><p>　　(2) 模糊控制的規(guī)則存放在規(guī)則庫中。模糊控制規(guī)則是一個控制被控對象的知識模型。在現(xiàn)實生活中，對輸入和輸出論域?qū)哪：蛹煤唵蔚姆杹肀硎荆琍B(正大)、P

59、M(正中)、PS(正小)、PO(正零)、ZO(零)、NO(負零)、NS(負小)、NM(負中)、NB(負大) 。U ∈{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，還設定了每個模糊集合的隸屬度函數(shù)。當時刻到來時，輸入信號的以及Δ，通過論域轉(zhuǎn)換成E以及EC，然后，可以通過隸屬函數(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，實現(xiàn)了模糊化的基本工作。E、EC是普通變量和模糊變量，當作為普通

60、變量的時候，其值應在論域 X′與Y′里，為普通數(shù)值；當作為模糊變量時，其值應在論域[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</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、則庫與輸入變量，經(jīng)過模糊化引入新的模糊命題，將其作為結(jié)論的過程，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程，把模糊推理結(jié)果生成的值，將其當做模糊控制器的輸出量。解模糊接口主要完成如下兩項工作：</p><p>　　(1) 解模糊：對于同樣要由真實論域Z轉(zhuǎn)換成內(nèi)部論域 Z ′，則U ∈

62、Z ′的定義為幾個模糊集合，設定其隸屬度函數(shù)。模糊推理則是在其內(nèi)部論域上來進行實現(xiàn)的，所得到的推理結(jié)果C′就是Z′域上的模糊矢量，其中的元素就是對于 U 在某個模糊集合上的隸屬度函數(shù)。而對于某個組輸入量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′，來實現(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)當中，均含有一個輸入、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。</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，而且更容易微機的實現(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，模糊推理運算的時間很長，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>　　在整個模糊控制系統(tǒng)里，比一個輸入和輸出變量多的系統(tǒng)就被稱作多變量的模糊控制系統(tǒng)。在多個變量輸

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 控制器的設計步驟</p><p>　　根據(jù)上面敘述的理論，可以按照題目的具體要求設計出模糊PID控制器，其設計步驟如下： </p><p>　　⑴ 確定控制器的輸入、輸

67、出變量，同時確定了控制器的構(gòu)造。主要是將偏差E、偏差變化率EC當做輸入變量，PID的參數(shù)、、及其增量、、，當做其輸出變量。 </p><p>　?、?確定每一個輸入、輸出變量的論域，并再確定其量化的等級和量化比例因子。 </p><p>　?、?設計每一個輸入、輸出變量的定義和其模糊的子集。最初應確定模糊子集的個數(shù)，再確定模糊子集上的語言變量，最終給每個語言變量選取對應隸屬度函數(shù)[23]。

68、 </p><p>　?、?構(gòu)造模糊規(guī)則。把操作人員的長期經(jīng)驗總結(jié)并匯集成一條條精煉的語句。創(chuàng)建模糊控制規(guī)則，并保障控制器的系統(tǒng)性能指標。 </p><p>　　⑸ 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)一定的關系在表中寫出，這樣就構(gòu)成了模糊控制表。 </p><p>　?、?計算出控制量。將采樣的偏差E和偏差變

69、化率EC通過⑵式，⑶式后，代入⑸式，求出PID的修正量，最后計算出最終的輸出量，就是系統(tǒng)的控制量。 </p><p>　　⑺ 用simulink進行仿真。對模糊 PID 控制器性能指標進行剖析，同時調(diào)整量化因子和比例因子，使系統(tǒng)的控制滿足預期的設定的效果[24]。</p><p>　　基于模糊控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計</p><p>　　電鍋爐溫度控制的工藝要求

70、</p><p>　　經(jīng)過多年的研究，根據(jù)電鍋爐的工藝要求，把鍋爐爐溫控制過程主要分為以下兩個階段：</p><p>　　① 自由升溫階段：將鍋爐的水溫迅速升到設定好的值。</p><p>　　② 保溫階段：當水溫上升到設定值時，保持設定值不變。</p><p>　　電鍋爐可承受的最高溫度為95℃，水溫的檢測元件選擇數(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，階躍信號是不從零點開始，不然會使系統(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)對象輸入到使被控對象開環(huán)穩(wěn)定運行時，并以此輸出值作為縱坐標的原點，再在加入一個階躍輸入信號，使被控對象輸出量也發(fā)生明顯變化，最后穩(wěn)定在一個值。</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 控制器設計</b></p><p>　　在 Matlab軟件的Simulink工具

73、中創(chuàng)建一個傳統(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)驗法整定 </b></p><p>　　對于上一種仿真結(jié)果分析可知，用經(jīng)典法計算出的P

74、ID參數(shù)不一定能滿足控制的要求。在實際控制的過程中，一般通過手動調(diào)節(jié)這些參數(shù)，來獲得較好的控制性能。對電鍋爐爐溫控制系統(tǒng)來講，經(jīng)過對三個參數(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)驗法整定仿真圖</p><p>　　由圖 3.3可知，當給定值設為60度時，用經(jīng)驗法整定后的傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)性能指標為：調(diào)節(jié)時間

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的模糊子集設置為 {NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB}，e和ec的論域設置為{-6,6}的區(qū)間，u的論域設置為{-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 窗口下進行的，用 if-then 的形式來表現(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)過表 3.7鍋爐溫度控制規(guī)則表寫入的規(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為當給定值為60度時，模糊控制器控制鍋爐溫度控制系統(tǒng)的仿真響應曲線圖。</p><p>　　圖3.10 模糊控制器系統(tǒng)仿真響應曲線圖</p><p>　　由圖3.10可以看出，當采用模糊控制器控制電鍋爐溫度控

80、制系統(tǒng)時的系統(tǒng)性能指標為：調(diào)節(jié)時間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 控制與模糊控制對比的響應曲線圖</p><p>　　由圖3.12，傳統(tǒng)PID 控制與模糊控制對比的響應曲線圖可知，使用模糊來控制鍋爐系統(tǒng)時，系統(tǒng)穩(wěn)定性加強了，減少了，調(diào)節(jié)時間也減少了，但是卻出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　模糊PID控制器設計</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)量以及過渡時間。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，因此，本文選擇了一種參數(shù)自整定模糊PID控制器對鍋爐爐溫系統(tǒng)進行控制[25]。起到了優(yōu)勢互補的作用，以此來減小控制系統(tǒng)的振蕩、超調(diào)和調(diào)節(jié)時間，做到大大提高系統(tǒng)的性能指標。</p><p>　　模糊自整定PID的設計思路主要是建立在PID的三個參數(shù)、、、偏差E和偏差變化率EC這幾個參數(shù)之間的模

84、糊關系上，在不斷的運行里，可以不停檢測E以及EC的值，并對PID三個參數(shù)、、進行在線修正，來滿足不同E和EC對PID控制器的三個參數(shù)、、的不同要求。電鍋爐系統(tǒng)輸出響應曲線如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 電鍋爐系統(tǒng)輸出響應曲線</p><p>　　設計模糊控制的關鍵在于總結(jié)操作人員的實踐經(jīng)驗，并建立合理的模糊規(guī)則表。下面主要介紹了PID控制器的三個參數(shù)、、對于系統(tǒng)輸出的影響

85、，并結(jié)合電鍋爐系統(tǒng)輸出響應曲線圖，不同和 時，、、的整定要求為：</p><p>　　(1) 當?shù)闹递^大的時候，該系統(tǒng)的響應應該在圖4.2 為電鍋爐系統(tǒng)輸出響應曲線的第Ι段，系統(tǒng)的響應速度較慢，需要加快系統(tǒng)的響應，從而防止偏差突然變大，同時可能會出現(xiàn)了微分過飽和現(xiàn)象，而引起超調(diào)量較大，這時應該除去積分環(huán)節(jié)，K= 0。</p><p>　　(2) 當和取中間值的時候，該系統(tǒng)的響應應該在圖4.

86、2 為電鍋爐系統(tǒng)輸出響應曲線的第II段，系統(tǒng)的超調(diào)量較小，K、K、K的取值不應過大，K的取值較小，K和 K的取值應該適中，從而確保能有較快的系統(tǒng)響應速度。</p><p>　　(3) 當?shù)闹递^小的時候，該系統(tǒng)的響應應該在圖4.2電鍋爐系統(tǒng)輸出響應曲線的第III段上，應將K和K值增大，加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)振蕩，同時還應注意抗干擾能力，取適合的K值，當?shù)闹递^小時，K應該取大值，通常應該取比較合適大?。划?shù)闹递^大

87、時，K應該取較小值。</p><p>　　通過專家控制經(jīng)驗表明，當進入不確定性系統(tǒng)時，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，對其中不確定的量進行估計，可以對PID控制的三個參數(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。在線運行系統(tǒng)的過程當中，通過微機測控系統(tǒng)不停的檢測系統(tǒng)的輸出響應值，即時的計算出偏差以及偏差變化率，將其模糊化得到 E 以及 EC，經(jīng)過查詢模糊調(diào)整矩陣，能夠得到 、、三個參數(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、、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 控制的響應曲線如下圖 4.5所示：</p><p>　　圖 4.5 模糊PID控制響應曲線圖</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)的性能指標為：調(diào)節(jié)時間=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、，當選用模糊自整定PID控制方法控制鍋爐溫度時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性加強了，超調(diào)量減少了，而且調(diào)節(jié)時間變短，基本滿足了技術(shù)要求。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過以上對傳統(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)定性加強了，超調(diào)量減少了，調(diào)節(jié)時間也減少了，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，同時克服了傳統(tǒng)PID控制、模糊控制方法等弊端，而且實現(xiàn)了超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間短、穩(wěn)態(tài)誤差小等較好的性能指標[26][27]。因此本文選擇模糊自整定PID控制器來完成對鍋爐爐溫的控制。</p><p>　　鍋爐溫度智能控制系統(tǒng)的硬件設計</p><p><b>　　系

94、統(tǒng)總體方案設計</b></p><p>　　控制系統(tǒng)的設計方案是設計該課題的一個重要環(huán)節(jié)，能否制定一個較好的方案對于這個課題有著很重要的意義，同時能提高工作效率，保證工作順利完成。</p><p>　　需要簡單的對鍋爐爐溫控制系統(tǒng)進行分析，以滿足控制器的要求，并設計的總體方案如5.1圖所示。</p><p>　　圖5.1 系統(tǒng)總體方案設計圖</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單片機主要是因為其采用精簡指令集、哈弗架構(gòu)、指令流水線等機制，具有工作穩(wěn)定，抗干擾能力強等特點，整個系統(tǒng)由CPU和控制面板構(gòu)成。CPU主要實現(xiàn)室內(nèi)溫度、鍋爐水溫、水位信號的采集、濾波、算法控制和驅(qū)動繼電器對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、功能的設計。該控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、通用性強的特點。</p><p><b>　　硬件電路設計</b></p><p>　　單片機的選擇與電路設計</p><p>　　本控制系統(tǒng)主要選擇PIC16F877A單片機作為關鍵器件。PIC16F877A單片機是由Microchip公司出產(chǎn)的一種8位單片機，其內(nèi)部選擇 RSIC 指令系統(tǒng)以及哈

97、佛總線結(jié)構(gòu)，其最高運行的時鐘頻率可以達到 20MHz，集成了 4K×14 位Flash 程序存儲器以及192 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，還具有 13 個中斷源，PIC16F877A 單片機的內(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，對于預設溫度和各種參數(shù)值可以較好的保存其中，不會受到系統(tǒng)復位的影響，為接下來所做的設計提供較的方便[28]。在接口與外設方面，PIC16F877A 單片機

98、的性能好，Port A、Port B 以及 Port C 三組 I/O 接口為硬件設計提供了較大便利；片上集成的PWM模塊和10位的A/D模塊在硬件設計時可以充分加以利用，它可以縮小電路板的長度。</p><p><b>　　1. 復位電路</b></p><p>　　PIC16F877單片機擁有較多的復位功能，例如：上電復位、電源掉電復位、一般操作下的強制復位、看門

99、狗定時器復位、休眠狀態(tài)模式下的和看門狗定時器復位[29]。在鍋爐爐溫控制系統(tǒng)中，PIC16F877單片機的引腳1與強制復位連接。</p><p><b>　　2. 時鐘電路</b></p><p>　　振蕩時鐘頻率決定了單片機的運行速度。由于的單片機對于晶體的要求比89C51單片機的要求較高，并且PIC16F877A單片機可以使用20MHz 的時鐘頻率，當設計振蕩電路

100、時，可以選擇時鐘源為8MHz 石英晶體振蕩器，指令周期為4個時鐘周期，因此，設計控制器工作指令周期時，應為500ns[30]。</p><p>　　單片機PIC16F877A簡介</p><p>　　PIC16F877A單片機的管腳圖如圖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次擦寫周期</p><p>　　4. 除程序分支指令為2個周期以外，其余均為單周期指令</p><p>　　5. 運行速度：DC-20MHZ 始終輸入DC-200ns 指令周期</p><p>　　6. 8K*14個

102、FLASH程序儲存器</p><p>　　368*8個數(shù)據(jù)存儲器字節(jié)</p><p>　　256*8 EEPRM數(shù)據(jù)存儲器字節(jié)</p><p>　　7. 擁有14個中斷源，功耗較低，可以在線實現(xiàn)串行編程，運行電壓范圍廣</p><p>　　8. 擁有2個捕捉器，比較器和PWM模塊</p><p>　　PIC16F877

103、A單片機的管腳圖如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.2 PIC16F877A的管腳圖</p><p><b>　　溫度檢測電路設計</b></p><p>　　1. 測溫元件的選取及性能特點</p><p>　　本文的測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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。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 DS18B20 芯片，DS18B20的特點主要是：測溫范圍大概為從-55 ℃ 到125 ℃ ，精度大約為±0 .5 ℃ ，A/D變換時間為200 ms，具有非易失性的特點，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主要實現(xiàn)對溫度的測量工作，以 12位轉(zhuǎn)換為例：16 位符號擴展以二進制補碼的形式讀數(shù)，以0.0625℃/LSB 形式表達，其中S 表示符號位。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8 bit的RAM中，而二進制里的最 前面的5位為符號位，如果測得的溫度比0大時，最前面的5位為0，只須把檢測到的數(shù)值乘以0.0625便可以得到真實的溫度值；如果溫度比0

106、小時，最前面5位則為1，檢測到的數(shù)值取反后加1 ，再乘以0.0625就是真實的溫度值。</p><p>　　2. DS18B20 測溫原理</p><p>　　計數(shù)門的通斷主要取決于系數(shù)振蕩器。計數(shù)器1在低溫時所產(chǎn)生的脈沖信號進行減計數(shù)，當計數(shù)器1的值變成0時，溫度寄存器的值是+1，預置值被重新輸入，并再次對低溫系數(shù)進行減計數(shù)，等到循環(huán)到計數(shù)器2計數(shù)0時，停止對溫度寄存器的繼續(xù)累加。<

107、;/p><p>　　3. DS18B20 與單片機的接口電路</p><p>　　當DS18B20 在執(zhí)行寫操作以及溫度進行A/D轉(zhuǎn)換時，總線需要執(zhí)行上拉操作，上拉電阻的啟動時間最大為10，I/O 接口接4.7 k ? 的上拉電阻，DS18B20與單片機的連接方式如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3 DS18B20 與單片機接口電路</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，本文需要通過控制加熱管的輸入功率來完成對鍋爐水溫的控制。該次設計的主要執(zhí)行器為固態(tài)繼電器，單片機的輸出信號和三極管和SSR的連接。當溫度信號經(jīng)過數(shù)字式傳感器采樣后，經(jīng)過控制算法計算出控制量、輸出量來控制SSR的開關。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PIC16F877A的引腳RC1、RC2來連接2個SSR，如圖5.4所示。當RC1、RC2輸出1時，三極管導通，SSR輸入電壓，各自導通。SSR與單片的接口電路如圖5.5所示。</p><p>　　圖 5.5 SSR 與單片機的接口電路</p><p>　　控制器的另一個控制對象是泵的開關，當P

110、IC的管腳RB6輸出高電平時，光耦元件導通，三極管導通，繼電器閉合，泵開啟。泵與單片機的接口圖如圖5.6所示。</p><p>　　圖5.6 泵與單片機的接口電路</p><p><b>　　人機對話系統(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)動電路HD44780、少量組和電容構(gòu)成的。選擇的

111、是KS0066U的驅(qū)動芯片。當DB3 接高電平時，液晶顯示器實現(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，主要和單片機的 RB1接口相連接，當RS輸出高電平時，對LCD的數(shù)據(jù)存儲器進行操作，當 RS為低電平時，對LCD的指令寄存器進行操作。E接口是讀寫使能控制線，和單片機的RA5接口相連接，當E輸出一次脈沖時，需進行一次數(shù)據(jù)互換，當RC2接口接低電平時，則三極管導通，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與單片機的連接圖如圖5.7所示。</p><p><b>　　保護電路的設計</b></p><p><b>　　1. 鍵盤電路</b></p><p>　　本控制器采用的是單輸入式按鍵，每根I/O接口上的按鍵是獨立的，不會受別的I/O接口影響，+5V電源連接一個1的