egr式柴油熱風(fēng)爐控制器研制【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(論文)</p><p>　　論文題目 EGR式柴油熱風(fēng)爐控制器研制</p><p>　　(英文) Study on the Controller of the EGR Diesel-Hot-Air Stove</p><p>　　所在學(xué)院 電子信息學(xué)院 </p><p>

2、　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 日</p><p><b>　　摘 要<

3、;/b></p><p>　　目前，利用柴油熱風(fēng)爐來控制溫室溫度的，基本采用將燃燒后的廢氣通過管道與空間直接或是強制換熱的方式進行熱交換，然后直接排出溫室外。由于靠泄露補進冷空氣至溫室內(nèi)，導(dǎo)致溫室內(nèi)溫度降低，造成熱量的大量損失。所以，這樣的換熱方法及其相應(yīng)的柴油熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)，熱量利用率很低，而且NO x排放指標偏高。針對目前使用的溫室柴油熱風(fēng)爐存在的熱利用率低和排放污染問題，介紹了利用廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)

4、來提高柴油熱風(fēng)爐熱效率的方法。通過分析EGR式柴油熱風(fēng)爐的工作原理，研制出一種用模糊PID控制器來控制廢氣再循環(huán)，并闡明了其結(jié)構(gòu)及工作原理。重點說明了該控制器的設(shè)計過程，經(jīng)試驗測定，柴油熱風(fēng)爐存在的熱利用率明顯提高，達到17.6%,而排放污染相應(yīng)減少很多。該控制器簡單、精確，實用簡單，為同類的研究提供了設(shè)計方法，具有廣闊的市場前景。</p><p>　　關(guān)鍵詞：廢氣再循環(huán)；模糊控制；PID控制；溫度控制</

5、p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　At present, the use of diesel hot stove heated greenhouse, generally use the combustion exhaust gas through the pipeline and the space directly or manda

6、tory for heat exchange heat transfer, and then directly discharged into the greenhouse. Of course, rely on leaked up into the cold air to the greenhouse, which lowered the air temperature inside the greenhouse, but also

7、cause heat loss. Therefore, such a heat exchanger method and their corresponding diesel hot stove structure, the heat low utiliz</p><p>　　Keywords: EGR; fuzzy control; PID control; temperature control </p

8、><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1　引言1</b></p><p>　　2　 EGR式柴油熱風(fēng)爐系統(tǒng)2</p><p><b>　　2.1 概述2</b></p><p>　　2.2 EGR率的定義2</p&

9、gt;<p>　　2.3 CO2濃度型EGR率2</p><p>　　2.4 EGR式柴油熱風(fēng)爐系統(tǒng)3</p><p>　　2.5 EGR式柴油柴油熱風(fēng)爐熱交換系統(tǒng)3</p><p>　　2.5.1 EGR式柴油熱風(fēng)爐交換系統(tǒng)組成3</p><p>　　2.5.2 硬件系統(tǒng)組成3</p><p>

10、;　　2.5.3 軟件系統(tǒng)組成　5</p><p>　　2.5.4 EGR式柴油熱風(fēng)爐交換系統(tǒng)工作原理　6</p><p>　　3 EGR技術(shù)在柴油熱風(fēng)爐中的應(yīng)用……………………………………………8</p><p>　　3.1柴油熱風(fēng)爐EGR子系統(tǒng)…………………………………………………8</p><p>　　3.2 EGR控制器和傳

11、感器………………………………………………………8</p><p>　　3.3 控制器控制EGR率的控制策略…………………………………………8</p><p>　　3.4 溫濕度和EGR控制策略……………………………………………………9</p><p>　　4 模糊PID控制器設(shè)計…………………………………………………………11</p><p&

12、gt;　　4.1 模糊PID控制器介紹……………………………………………………11</p><p>　　4.2 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………12</p><p>　　4.3模糊系統(tǒng)設(shè)計………………………………………………………………13</p><p>　　5 模糊PID控制在EGR式柴油熱風(fēng)爐系統(tǒng)中的應(yīng)用…………………………16

13、</p><p>　　5.1EGR式柴油熱風(fēng)爐模糊PID控制器………………………………………16</p><p>　　5.2模糊PID控制器硬件設(shè)計………………………………………………16</p><p>　　5.2.1 硬件電路框圖………………………………………………………16</p><p>　　5.2.2 1/0通道的硬件電路設(shè)計………

14、……………………………………17</p><p>　　5.2.3 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計…………………………………………………17</p><p>　　5.2.4 電控制執(zhí)行電路設(shè)計…………………………………………………18</p><p>　　5.2.5 鍵盤及顯示的設(shè)計……………………………………………………18</p><p>　　5.2.

15、6 掉電保護電路的設(shè)計…………………………………………………19</p><p>　　5.3軟件設(shè)計……………………………………………………………………20</p><p>　　5.3.1 控制器控制EGR率的控制策略………………………………………20</p><p>　　5.3.2 主程序模塊……………………………………………………………21</p>

16、<p>　　5.3.3 功能顯示模塊…………………………………………………………22</p><p>　　6 結(jié) 論…………………………………………………………………………22</p><p>　　致 謝………………………………………………………………………………23</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………

17、……………24</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著經(jīng)濟的發(fā)展,資源和能源的消耗也迅速增長,與此同時工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程造成的環(huán)境污染也日趨嚴重。目前，人們常用柴油熱風(fēng)爐對封閉空間進行加熱，但其一般采用將燃燒后廢氣通過管子與空間直接換熱的方式進行熱交換，爾后直接排出至密閉空間外。所以現(xiàn)在的柴油熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)為柴油熱風(fēng)爐帶有熱交換器、進氣管和排

18、氣管，這樣的將柴油熱風(fēng)爐燃燒廢氣全部排出封閉空間的換熱方法及其相應(yīng)的柴油熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)，熱量利用率低，NO x排放高[1]。柴油機具有熱效率高、適應(yīng)性好、功率范圍寬等優(yōu)點，目前已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通運輸業(yè)和國防建設(shè)事業(yè)。然而，它的大量使用給人類社會帶來了一些不可回避的問題，為了解決能源危機和環(huán)境污染的問題，近年來，世界各國都在加緊開展柴油機廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)的試驗研究。該技術(shù)已成為降低柴油機NO x排放最有效的措施之一。此外，

19、二甲醚（DME）具有優(yōu)越的低排放和高效率的性能，可以替代柴油用作壓燃式發(fā)動機燃料。</p><p>　　這些年來，國外許多國家針對熱風(fēng)爐控制程序進行了大量的研究工作。經(jīng)過多年的研究，許多國家在這項技術(shù)上已經(jīng)有一定的成就。在這些國家中，由于技術(shù)先進，檢測器裝備科技水平水平高。</p><p>　　所以要解決的技術(shù)問題是提供一種提高柴油熱風(fēng)爐熱效率的方法及其柴油熱風(fēng)爐，克服目前方法和設(shè)備中熱量

20、利用率低、NO x排放高的缺點，以提高柴油熱風(fēng)爐在加溫系統(tǒng)中的加熱效率，降低排放污染。</p><p>　　運用模糊控制理論及模糊控制系統(tǒng)，結(jié)合兩種控制算法的優(yōu)點提出一種調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器，在大偏差范圍內(nèi)利用模糊推理的方法調(diào)整系統(tǒng)控制量U，而在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化為PID控制，并以給定的偏差范圍自動完成二者的轉(zhuǎn)化。設(shè)計出EGR式柴油熱風(fēng)爐的控制器，對節(jié)約能源，降低排放污染，有其重要意義。</p&g

21、t;<p>　　2 EGR式柴油熱風(fēng)爐系統(tǒng)</p><p><b>　　2.1 概述</b></p><p>　　EGR--Exhaust Gas Recirculation，其實就是排氣的再循環(huán)裝置。就是將已經(jīng)排出的氣體再次與吸入空氣混合，通過使燃燒溫度降低，在減少氮氧化物排放方面上發(fā)揮威力的裝置。在EGR氣體回路上裝備的冷卻裝置便是EGR冷卻系統(tǒng)。

22、高溫的EGR氣體在冷卻器中被冷卻，再與吸入空氣混合，使其燃燒溫度比通常的EGR氣體低，為氮氧化物的減少做出貢獻。并且，因為被冷卻的緣故，空氣的密度也變得比較大，空氣量也隨之增加。這樣，由于更加接近完全燃燒，所以能夠減少顆粒物的排放。</p><p>　　EGR應(yīng)用于柴油熱風(fēng)爐在各種工況下都可由單片機控制實現(xiàn)EGR燃燒。既能滿足加溫的要求,又能提高了柴油熱風(fēng)爐的熱利用率,符合高效低耗、節(jié)能降污的現(xiàn)代控制要求,有其重

23、要意義。</p><p>　　2.2 EGR率的定義</p><p>　　目前EGR 率的定義式多達10 余種，但基本上可以分為質(zhì)量流量型（EGR m）、體積流量型（EGR v）和二氧化碳濃度型EGR 率（EGRco2）這三大類。就冷EGR 而言EGR m＝EGR v＝EGRco2）；對于熱EGR 來說，三者之間的數(shù)量關(guān)系則與EGR 系統(tǒng)參數(shù)和發(fā)動機的運轉(zhuǎn)工況等因素有關(guān)。下面將闡述一下這三

24、類EGR 率定義的物理意義。</p><p>　　2.3 CO2 濃度型EGR 率（EGRco2）</p><p>　　當(dāng)廢氣順利引進氣管后，進氣管中的CO2 濃度(體積分數(shù)）將大大增加，然而EGR的利用率取決于進氣管中CO2的濃度，濃度越大，利用率越高。二氧化碳濃度型EGR 率定義為： </p><p>　　——進氣管中的CO2濃度；[CO2] ex h ——排氣

25、管中CO2的濃度；[CO2] bkg——在背景氣體中CO2的濃度。通常情況下，[CO2] bkg =0；無EGR時，[CO2] man =[CO2] bkg。使用CO2傳感器測出CO2濃度，可方便求得EGRco2。這種情況下的二氧化碳濃度型EGR率評價方法還要考慮到很多其他因數(shù)。比如進氣中O2的比例、比如排氣中O2比例的、排氣中CO2的比例體、基于過量空氣系數(shù)Φa的變化，EGR率評價指標可以從上述的變化中相應(yīng)得出；通過使用傳感器可以測量

26、O2和CO2度的濃度，可以計算得到各種EGR率，通過以上方法所得到的EGR率最大誤差為8%。</p><p>　　2.4 EGR式柴油熱風(fēng)爐系統(tǒng)</p><p>　　隨著經(jīng)濟的發(fā)張，溫室種植技術(shù)得到廣泛的引用，為了使消費者每個季節(jié)都能吃到相同的蔬菜，并且能是植物生長環(huán)境更加優(yōu)越，增加種植戶的經(jīng)濟收入，這就需要對大棚內(nèi)的溫、濕度進行調(diào)節(jié)。最新數(shù)據(jù)顯示，目前在塑料大棚中使用的柴油熱風(fēng)爐都是普

27、通版本熱風(fēng)爐，利用率低，循環(huán)熱風(fēng)爐基本沒有得到，而將棚內(nèi)的空氣給柴油熱應(yīng)用，從而導(dǎo)致利用率降低，污染相當(dāng)嚴重，而且又造成熱量損失。</p><p>　　2.5 EGR式柴油熱風(fēng)爐熱交換系統(tǒng)</p><p>　　2.5.1 EGR式柴油熱風(fēng)爐熱交換系統(tǒng)的組成</p><p>　　EGR式柴油熱風(fēng)爐，包括柴油熱風(fēng)爐、熱交換器、進氣管和排氣管，其于普通熱風(fēng)爐最大的區(qū)別在于

28、:柴油熱風(fēng)爐的進氣管上安裝氣體混合器，氣體混合器和排氣管之間安裝廢氣再循環(huán)管，將柴油熱風(fēng)爐的尾氣引人進氣中，并在排氣管上裝廢氣再循環(huán)閥，通過微電腦來控制廢氣再循環(huán)閥。通過微電腦控制廢氣再循環(huán)閥的開度或開閉間歇時間，從而控制再循環(huán)廢氣量，使排氣管的廢氣流入氣體混合器與進氣管流人的充量空氣混合后進人柴油熱風(fēng)爐的燃燒室燃燒，實現(xiàn)廢氣再循環(huán)燃燒。</p><p>　　2.5.2 硬件系統(tǒng)組成 </p>&

29、lt;p>　　EGR柴油熱風(fēng)爐熱交換系統(tǒng)[6,8]包含了柴油熱風(fēng)爐EGR的子系統(tǒng)、加濕子系統(tǒng)、EGR控制器和傳感器等，其基本結(jié)構(gòu)和原理如圖2-1、2-2所示。</p><p>　　1、爐風(fēng)機 2、換熱器3、EGR管 4、EGR閥　5、EGR控制器 6、廢氣排出管　7、柴油熱風(fēng)爐　8、進氣管 9、混合器 10、燃燒室 11、溫室</p><p>　　圖2-1 溫室微機控制柴油

30、熱風(fēng)爐EGR熱交換系統(tǒng)的布局</p><p>　　圖2-2 EGR控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.5.3軟件系統(tǒng)組成</p><p>　　柴油熱風(fēng)爐EGR熱交換系統(tǒng)由AT89C51單片機芯片圖2-3所示，氣閥驅(qū)動電路圖2-4所示，AT89C51單片機芯片的簡單電路圖2-5所示等組成。</p><p>　　圖2-3 AT89C5

31、1單片機芯片</p><p>　　圖2-4 氣閥驅(qū)動電路</p><p>　　圖2-5 AT89C51單片機芯片的簡單電路</p><p>　　2.5.4 EGR式柴油熱風(fēng)爐熱交換系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　內(nèi)燃機的EGR技術(shù)已是一種成熟的用來降低NO排放的工業(yè)技術(shù)，僅對降低NO有效。廢氣混入的含量用EGR率表示，其公式如下：&l

32、t;/p><p>　　我們研究EGR柴油熱風(fēng)爐的主要目的是提高利用率，降低污染，并提高使用范圍；提供一種簡單穩(wěn)定的廢氣再利用的技術(shù)措施。通過研究發(fā)現(xiàn)，利用EGR技術(shù)在降低NO x排放污染的同時還大大提高了柴油熱風(fēng)爐的熱利用率，這也是為了節(jié)約能源，同時是研究它的另一個重要目的[1]。</p><p>　　經(jīng)過長時間的理論和實踐的探究，終于發(fā)現(xiàn)了一種提高柴油熱風(fēng)爐利用率的系統(tǒng)，就是由微電腦控制柴油

33、熱風(fēng)爐廢氣再循環(huán)熱交換系統(tǒng)如圖3-1所示。在柴油熱風(fēng)爐（7）的進氣管（8）上安裝氣體混合器（9），氣體混合器和排氣管（6）之間安裝EGR管（3），并在排氣管上裝由EGR控制器（5）控制EGR閥（4），在閥門上設(shè)有專門小孔與EGR閥的開度或開閉間歇時間從而控制進入混合器（9）和燃燒室（10）的再循環(huán)廢氣量(保證熱風(fēng)爐正常燃燒，而使加熱效率最高為前提)，即控制EGR率。為了降低NO x排放，提高熱利用率，采用中間冷卻廢氣技術(shù)，延長熱交換管（

34、φ310mm，長115000mm），將廢氣在管道中冷卻后再還流回氣體混合器與新鮮充量混合進入燃燒室，降低燃燒溫度，從而更進一步提高熱利用率。</p><p>　　為了精確地控制EGR率，采用微機控制EGR閥?？刂品椒ㄓ卸N[1]，其一為EGR閥的開度保持一定不變；其二為EGR閥循環(huán)開閉，每一開閉循環(huán)周期恒定。這二種方法都能使EGR率保持不變。本系統(tǒng)采用第二種方法控制EGR率。</p><p&g

35、t;　　根據(jù)理論計算[5]得：1Kg柴油完全燃燒時理論上所需要的空氣量11.2m3；或14.45Kg。該柴油熱風(fēng)爐需要的空氣量為31.36m3/h；當(dāng)EGR率為60%，即每5分鐘一個循環(huán)內(nèi)，微機控制EGR閥開45秒; 關(guān)255秒時，供給燃燒室的每小時新鮮空氣量為：210m3/h×0.15h=31.5m3，該熱交換器的內(nèi)部容積為8.67m3，而每次進入的新鮮空氣量為：2.625m3，所以，打開EGR閥45s驅(qū)趕廢氣時，不會將新鮮

36、空氣趕出。考慮EGR閥4上的小孔時，實際進入燃燒室的新鮮空氣大于此值，所以，吸進的新鮮空氣能使柴油完全充分燃燒[1]。</p><p>　　柴油熱風(fēng)爐使空氣、柴油和EGR返回的廢氣在混合器綜合燃燒，通過換熱器放出熱量，來提高溫室的溫度，循環(huán)控制器就是為了控制廢氣再一次燃燒，燃燒后的廢氣再受EGR閥控制廢氣還流量返回混合器，通過再一次的循環(huán)，最后剩余的很少量的廢氣排出室外。獨特的廢氣再循環(huán)組裝器[1]作用在于控制熱

37、風(fēng)爐的廢氣再利用率率，即控制廢氣還含量。增加了廢氣在混合器內(nèi)停留的時間，提高柴油熱風(fēng)爐對廢氣的利用率，從而大大降低排放污染量。</p><p>　　因此，結(jié)合上面所說的，EGR式柴油熱風(fēng)爐的控制器具的研究意義非凡。</p><p>　　3 EGR技術(shù)在柴油熱風(fēng)爐中的應(yīng)用</p><p>　　3.1 柴油熱風(fēng)爐EGR子系統(tǒng)</p><p>　

38、　柴油熱風(fēng)爐EGR子系統(tǒng)，參見圖2-1、2-2所示，由柴油熱風(fēng)爐、混合器、燃燒室、爐風(fēng)機、溫室通風(fēng)機、天窗、換熱器、進氣管、排氣管、EGR管、EGR閥和EGR控制器等組成。柴油熱風(fēng)爐對溫室內(nèi)加熱；獨創(chuàng)的廢氣再循環(huán)裝置[3,4]用于控制爐的廢氣再循環(huán)率，即控制廢氣還流量，提高柴油熱風(fēng)爐熱利用率，降低排放污染；在溫室頂部的天窗和側(cè)面的通風(fēng)機用于自然或強制調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度，實現(xiàn)加溫和降溫，補進新鮮空氣。通過不斷調(diào)節(jié)天窗通風(fēng)口，不僅能調(diào)節(jié)溫度，

39、還能調(diào)節(jié)空氣中的含水量[5]。在溫室內(nèi)上部的遮陽簾是用來遮蔭的，有助于控制夏季溫度和降低光照強度。</p><p>　　3.2 EGR控制器和傳感器</p><p>　　作物的“最適”溫濕度實質(zhì)上是對所需要的要求產(chǎn)生最佳的控制的結(jié)果，不同的植物所要的環(huán)境要求也是不同的，所以控制器的可變度范圍要很大，而且需要的精確度也是非常高的[4]。</p><p>　　微機控制

40、器[6,8]包括EGR控制器,主要完成不同植物所需要不同的環(huán)境溫度和最好的EGR率控制各執(zhí)行部件。為了使植物的環(huán)境達到最適合其生長的溫度，所以采用了新型的數(shù)字式溫濕度一體化傳感器（LTM8901)和一線總線結(jié)構(gòu)，通過這些設(shè)備來完成溫室內(nèi)的溫度智能控制，達到最適合植物生長的溫度。</p><p>　　3.3 控制器控制EGR率的控制策略</p><p>　　由于EGR率控制關(guān)系到溫濕度綜合

41、控制。例如，溫度隨濕度變化而變化，在溫室需要加溫或是降溫的是后柴油熱風(fēng)爐才參與工作，并且EGR閥才啟動運行，故EGR的控制需要綜合以上所有內(nèi)容一起考慮，以便達到最佳效果[8]。</p><p>　　3.4 溫濕度和EGR控制策略</p><p>　　本系統(tǒng)控制規(guī)則的原則是必須使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)特性達到最佳。</p><p>　　由于EGR率控制牽涉到溫濕度綜合控

42、制。例如，溫度隨濕度變化而變化，只有溫室內(nèi)需要加溫而柴油熱風(fēng)爐工作時，EGR閥才參與工作，故EGR的控制需要與溫濕度控制綜合考慮。</p><p>　　控制模塊把整個溫度控制范圍分成3個狀態(tài)：GT（T）、EQ（T）和LT（T），分別表示溫度偏高、合適和偏低；整個濕度控制范圍也分成3個狀態(tài)：GT（H）、EQ（H）和LT（H），分別表示濕度偏高、合適和偏低。整個EGR率控制范圍也分成3個狀態(tài)：GT（E）、EQ（E）和

43、LT（E），分別表示EGR率偏高、合適和偏低。根據(jù)要求，溫濕度和EGR率測量值與狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系如下表達式：</p><p>　　IFTm ea﹤T set－△TTHENT status= LT（T）</p><p>　　IFTm ea﹥T set－△TAND Tm ea﹤T set﹢△T THENT status = EQ（T）</p><p>　　IF

44、Tm ea﹥T set﹢△TTHENT status = GT（T）</p><p>　　IFH m ea﹤H set－△HTHENH status = LT（H）</p><p>　　IFH m ea﹥H set－△HAND H m ea﹤H set﹢△H THENH status = EQ（H）</p><p>　　IFH m ea﹥H se

45、t﹢△HTHENH status = GT（H）IFE m ea﹤E set－△ETHEN E status = LT（E）</p><p>　　IFE m ea﹥E set－△E AND E m ea﹤E set﹢△E THENE status = EQ（E）</p><p>　　IFE m ea﹥E set﹢△ETHENE status = GT（E）</

46、p><p>　　式中 T m ea-----溫度測量值</p><p>　　T set------設(shè)定溫度（專家數(shù)據(jù)）</p><p>　　△T------當(dāng)前容許溫度偏差</p><p>　　T status-----溫室當(dāng)前溫度狀態(tài)</p><p>　　H status-----溫室當(dāng)前濕度狀態(tài)</p>

47、<p>　　H m ea -----濕度測量值</p><p>　　H set ------設(shè)定濕度（專家數(shù)據(jù)）</p><p>　　△H------當(dāng)前容許濕度偏差</p><p>　　E m ea ----EGR率測量值</p><p>　　E set -----設(shè)定EGR率值</p><p>　　△E

48、-----當(dāng)前容許EGR率偏差</p><p>　　E status----溫室當(dāng)前EGR率狀態(tài)</p><p>　　控制模塊根據(jù)變量的輸入狀態(tài)選擇輸出狀態(tài)，在合適溫度EQ（H）的情況時不同溫度下的控制策略如表1所示。</p><p>　　表1 合適溫度EQ（H）的情況時不同溫度下的控制策略</p><p>　　注：EGR閥控制以5分鐘為周

49、期，OFF表示全關(guān)閉，30、45和60表示打開時間為30、45和60秒</p><p>　　4 模糊PID控制器設(shè)計[5]</p><p>　　4.1模糊PID控制器的介紹</p><p>　　工業(yè)控制過程中，PID控制是很常用的方法。這與其控制器結(jié)構(gòu)方便、易操作，絕大多數(shù)的工業(yè)要就都能得到滿足。PID控制簡單，由比例、積分、微分構(gòu)成。其傳遞函數(shù)為：</p&g

50、t;<p>　　G (S)= K p +Ki/S+ K d S</p><p>　　或 G (S)= K p (1+1/ T i S+T d S)</p><p>　　式中，K p、Ki和K d分別是比例、積分和微分增益。T i、T d為積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)，微積分增益和時間常數(shù)之間的關(guān)系可表示成：</p><p>　　T i= K p/ K

51、d，T d= K d/ K p</p><p>　　參數(shù)的整定就是根據(jù)被控對象特性和所希望的控制性能要求決定的三個參數(shù)K p、K i和K d或K p、T i和T d然而，現(xiàn)代工業(yè)控制工程中，許多被控過程機理較復(fù)雜，在噪聲、負載擾動和其他的一些環(huán)境條件變化的影響下，過程、參數(shù)模型結(jié)構(gòu)均將發(fā)生變化[4]。</p><p>　　PID控制是一種非常有效的誤差控制方法，因其參數(shù)設(shè)定后不能隨系統(tǒng)的運

52、行、控制環(huán)境的變化而進行改變，故其應(yīng)用受到一定強制。尤其在難以建立控制對象的數(shù)學(xué)模型時它的應(yīng)用比較有效，不過當(dāng)控制論域比較大時會造成控制困難。</p><p>　　4.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　為了解決一般PID調(diào)節(jié)器的不足之處，許多PID的調(diào)整方案被一一設(shè)計出來。其中最長見的就是使用模糊技術(shù)和PID結(jié)合構(gòu)成模糊PID。其基本原理是在普通PID控制器的基礎(chǔ)上，加上一個模糊控

53、制環(huán)節(jié)，模糊控制環(huán)節(jié)根據(jù)系統(tǒng)的實時狀態(tài)，在線分別調(diào)節(jié)PID的三個參數(shù)，如圖4-1：</p><p>　　圖4-1 控制方案示意圖</p><p><b>　　K' p</b></p><p><b>　　K p</b></p><p>　　K 'd

54、 K d</p><p>　　a Ki</p><p>　　圖4-2 模糊系統(tǒng)</p><p>　　4.3 模糊系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　為了實現(xiàn)模糊控制器的標準化設(shè)計，目前在實際最常用的處理方法是瑪達尼提出的方法。就是將二輸入偏差和偏差變化率的論域定為[-6 +6]區(qū)間連續(xù)變化量，使之離散，構(gòu)

55、成含13個整數(shù)元素的離散集合：十三個整數(shù)分別為：</p><p>　　-6 -5 -4 -3 -2 -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6</p><p>　　再把在[-6, +6]之間變化的連續(xù)量根據(jù)需要分為若干等級，每個等級作為一個模糊變量。并對應(yīng)一個模糊子集或隸屬函數(shù)，可分為如下七個等級：</p><p>　　“正大”(PB)—取+6左右；</p

56、><p>　　“正中”(PM)—取在+4左右；</p><p>　　“正小”(PS)—取在+2左右；</p><p>　　“零”(ZO)—取在零左右；</p><p>　　“負小”(NS)—取在2左右；</p><p>　　“負中”(NM)—取在4左右；</p><p>　　“負大”(NB)—取在6

57、左右；</p><p>　　三個模糊系統(tǒng)的輸出分別為K' p，K' d和a。按歸一化處理K' p，K' d論域為[0,1]，K' p，K' d的語言變量取為二級。</p><p>　　“大”(BB)—取在1左右；</p><p>　　“小”(SS)—取在0左右；</p><p>　　a 的論域為

58、(2, 5)，語言變量取為4級；</p><p>　　“大”(BB)—取在5左右；</p><p>　　“中”(MM)—取在4左右；</p><p>　　“中小”(MS)—取在3左右；</p><p>　　“小”(SS)—取在2左右；</p><p>　　對于模糊PID控制規(guī)則，我們可以由典型階躍響應(yīng)過程推得。，所以可

59、得到規(guī)則為：</p><p>　　If e is PB and de/dt is ZO, Then K' p is BB, K' d is BB, a is BB.</p><p>　　以此類推根據(jù)，工程經(jīng)驗，可得到模糊推理的輸出K' p，K' d和a的控制規(guī)則表分別如下表4-1、表4-2、表4-3所示：</p><p>　　表4-1

60、 K' p控制規(guī)則表</p><p>　　de/d t NB NM NS ZO PS PM PB</p><p><b>　　e</b></p><p>　　NB BB BB BB BB BB BB BB</p><p>　

61、　NM SS BB BB BB BB BB SS</p><p>　　NS SS SS BB BB BB SS SS</p><p>　　ZO SS SS SS BB SS SS SS</p><p>　　PS SS

62、 SS BB BB BB SS SS</p><p>　　PM SS BB BB BB BB BB SS</p><p>　　PB BB BB BB BB BB BB BB</p><p>　　表4-2 K' d控制規(guī)則表</

63、p><p>　　de/dt NB NM NS ZO PS PM PB</p><p><b>　　e</b></p><p>　　NB SS SS SS SS SS SS SS</p><p>　　NM BB SS

64、 SS SS SS SS BB</p><p>　　NS BB BB SS SS SS BB BB</p><p>　　ZO BB BB BB SS BB BB BB</p><p>　　PS BB BB SS S

65、S SS BB BB</p><p>　　PM BB SS SS SS SS SS BB</p><p>　　PB SS SS SS SS SS SS SS</p><p>　　表4-3 a控制規(guī)則表</p><p>　　de

66、/d t NB NM NS ZO PS PM PB</p><p><b>　　e</b></p><p>　　NB SS SS SS SS SS SS SS</p><p>　　NM MS MS SS SS SS

67、 MS MS</p><p>　　NS MS MS MS SS MS MS MS</p><p><b>　　M</b></p><p>　　ZO BB M MS MS MS MS BB</p><p>　　M

68、 M</p><p>　　PS M MS MS SS MS MS M</p><p>　　PM MS MS SS SS SS MS MS</p><p>　　PB SS SS

69、 SS SS SS SS SS</p><p>　　一旦得到K' p，K' d和a后，就可根據(jù)前面的公式算出PID的各個參數(shù)。</p><p>　　5 模糊PID控制在EGR式柴油熱風(fēng)爐系統(tǒng)中應(yīng)用</p><p>　　5.1 模糊PID控制器硬件設(shè)計</p><p>　　5.1.1 硬件電路框圖&

70、lt;/p><p>　　EGR式柴油熱風(fēng)爐控制器主要控制柴油熱風(fēng)爐輸出的溫度，其控制對象是柴油熱風(fēng)爐、爐風(fēng)機和EGR閥。其硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分：從功能模塊上來分有：主機電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路以及掉電保護電路[8]。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　主機選用

71、INTEL公司的MCS-51系列單片機89C51來實現(xiàn)，利用單片機軟件編程靈活、自由度大的特點，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的89C51芯片時鐘可達12MHz，運算速度快，控制功能完善。其內(nèi)部具有128字節(jié)RAM，而且內(nèi)部含有4KB的EPROM不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單、實用[10，11]。</p><p>　　5.1.2 I／0通道的硬件電路的設(shè)計</p>

72、<p>　　采集個層次的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，再通過單片機的功能，然后一小部分部分送到屏幕中去顯示；剩下的部分與剛開始預(yù)先設(shè)定的值進行比較，通過PID算法得到控制范圍再經(jīng)過單片機輸出從而去控制風(fēng)扇降溫，或是</p><p><b>　　電爐加熱。</b></p><p>　　5.1.3 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計</p><p&

73、gt;　　AD590，MC1403，0P07，74LS373組成數(shù)據(jù)采集電路主要電路。因為溫度信號為低電平緩變信號，大家都知道低電平緩變信號對A／D轉(zhuǎn)換速度要求不高，所以，選用價廉物美的ADC0809，而且，還可以根據(jù)不同的需求來擴展測量8路度信號。為了達到測量高精度的要求，選用溫度傳感器AD590，AD590具有較高精度和重復(fù)性(重復(fù)性優(yōu)于0.1℃，其良好的非線形特征可以保證優(yōu)于0.1℃ 的測量精度，利用其重復(fù)性較好的特點，通過非線形

74、補償，可以達到0.1℃測量精度。)超低溫漂移高精度運算放大器0P07將溫度-電壓信號進行放大，便于A／D進行轉(zhuǎn)換，從而可以提高采集溫度電路的可靠性[9]。模擬電路硬件部分見圖5-3。</p><p>　　圖5-3 模擬電路硬件部分示意圖</p><p>　　5.1.4 電控制執(zhí)行電路的設(shè)計</p><p>　　由輸出來控制電爐或風(fēng)扇，電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)

75、的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：</p><p>　　G(s)=K/(Ts+1)e-ts</p><p>　　爐風(fēng)機可以認為是線形環(huán)節(jié)實現(xiàn)對溫度的控制。為了實現(xiàn)強電和弱電的隔離，要選擇光電耦合器，但考慮到輸出信號要對可控硅進行觸發(fā)，以便使柴油熱風(fēng)爐或爐風(fēng)機電路導(dǎo)通，所以選用既有隔離又有觸發(fā)功能的MOC3041。其中P1.0口控制柴油熱風(fēng)爐電路；P1.1口控制爐風(fēng)機電路(見圖5-4

76、)。此外，還有越限報警。</p><p>　　5.1.5 鍵盤及顯示的設(shè)計</p><p>　　鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計，低電平有效。圖5-4中按鍵AN1，AN2，AN3，AN4的功能定義如表5-1所示。</p><p>　　按鍵AN2與P3.2(INTO)相連，采用外部中斷方式，并且優(yōu)先級定為最高；按鍵AN3和AN4分別與P1.7和P1.6相連

77、，采用軟件查詢的方式：AN1則為硬件復(fù)位鍵，與R、C構(gòu)成復(fù)位電路。</p><p>　　表5-1 按鍵功能</p><p>　　按鍵 鍵名 功能</p><p>　　AN1 復(fù)位鍵 使系統(tǒng)復(fù)位</p&

78、gt;<p>　　AN2 功能轉(zhuǎn)換鍵 按鍵按下(D1亮)時，顯示溫度設(shè)鼎峙：按鍵升起(D1不亮)時，顯示當(dāng)前溫度值</p><p>　　AN3 加1鍵 設(shè)定溫度漸次加1</p><p>　　AN4 減1鍵

79、 設(shè)定溫度漸次減1</p><p>　　顯示采用3位共陽LED靜態(tài)顯示方式，顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點后一位，這樣可以只用P3.0(RXD)口來輸出顯示數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了單片機端口資源，在P1.4口和P3.1(TXD)的控制下通過74LS164來實現(xiàn)3位靜態(tài)顯示[11]。數(shù)字電路硬件部分見圖5-4。</p><p>　　圖5-4 數(shù)字電路硬件部分示意圖</p>

80、;<p>　　5.2.6 掉電保護電路的設(shè)計</p><p>　　掉電保護電路是為防止系統(tǒng)因為意外掉電導(dǎo)致丟失數(shù)據(jù)而設(shè)計的。集成電路7805為一個單一的+5V穩(wěn)壓塊，和備用電源分別通過二極管接到單片機的電源端；當(dāng)穩(wěn)壓電源略高于+5V時，備用電源不工作，同時555定時器接成單穩(wěn)形式；為防止干擾產(chǎn)生誤動作，應(yīng)用了光電耦合器TILl13。</p><p><b>　　5.

81、3 軟件設(shè)計</b></p><p>　　表5-2 控制策略</p><p>　　GT(T) EQ(T) LT(T)</p><p><b>　　執(zhí)行機構(gòu) </b></p><p>　　GT(E) EQ(E) LT(E) GT(E

82、) EQ(E) LT(E) GT(E) EQ(E) LT(E)</p><p>　　柴油熱風(fēng)爐 Off Off Off Off Off Off On On On</p><p>　　爐風(fēng)機 Off Off Off Off Off Off On On

83、 On</p><p>　　EGR閥 Off Off Off Off Off Off 60 45 30</p><p>　　注:EGR閥控制周期為5min。OFF表示全關(guān)閉;如果EGR率合適時,45表示EGR閥打開時間為45s,關(guān)閉255s。</p><p>　　5.3.2 主程序模塊&

84、lt;/p><p>　　在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值，然后通過循環(huán)顯示當(dāng)前溫度，并且設(shè)定鍵盤外部中斷為最高優(yōu)先級，以便能實時響應(yīng)鍵盤處理；軟件設(shè)定定時器T0為5秒定時，在無鍵盤響應(yīng)時每隔5秒響應(yīng)一次，以用來采集經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的溫度信號；設(shè)定定時器T1為嵌套在T0之中的定時中斷，初值由PID算法子程序提供，主程序流程圖見圖5-5所示。</p><p>　　5.3.3 實現(xiàn)功能模塊<

85、/p><p>　　實現(xiàn)功能模塊主要由中斷處理子程序，A／D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序，鍵盤處理子程序等部分組成。這里單單介紹中斷處理子程序。</p><p>　　1. TO中斷子程序</p><p>　　TO中斷子程序是單片機內(nèi)部5s定時中斷，其是最重要的子程序，然后優(yōu)先級設(shè)卻為最低。在TO中斷子程序中斷響應(yīng)中，為了通過調(diào)節(jié)PID算法子程序并輸出控制信號等等功能，就要要一下

86、工作：標度轉(zhuǎn)換處理，單片機要完成A／D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、繼續(xù)顯示當(dāng)前溫度、數(shù)字濾波、與設(shè)定值進行比較，判斷是否越限。</p><p>　　2. 鍵盤中斷子程序</p><p>　　作為優(yōu)先級最高的功能控制鍵，系統(tǒng)要實時響應(yīng)該中斷。在該中斷的響應(yīng)過程中，系統(tǒng)要顯示上一次的溫度設(shè)定值，并且可以通過AN3、AN4來實現(xiàn)加1、減1的輸入修改。</p><p>　　3. T1中斷

87、子程序</p><p>　　T1定時中斷嵌套在TФ中斷之中，優(yōu)先級高于TФ中斷，其定時初值由PID算法子程序提供，T1中斷響應(yīng)的時間用于輸出電爐或風(fēng)扇的控制信號。</p><p><b>　　等待外部中斷</b></p><p>　　圖5-5 主程序流程圖</p><p><b>　　6 結(jié)論</b&g

88、t;</p><p>　　針對EGR式柴油熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)，提出了一種利用模糊PID控制器來控制的方案。本設(shè)計的控制器工作穩(wěn)定，控制精度高，改進的PID算法超調(diào)量大大降低；軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高了通用性。適用于任何使用柴油熱風(fēng)爐上，具有較廣闊的前景。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本人從論文選題到如今論文的結(jié)

89、束，得到了汪老師的精心指導(dǎo)。在論文處于模糊期的時候，他的幫助使我茅塞頓開，能夠重拾信心。導(dǎo)師學(xué)識淵博，更是精通我的論文方面的知識，從他那里我學(xué)到了許多知識。不僅如此，導(dǎo)師的友善給我留下了深刻的印象，使我能更好的對待問題，從容的解決問題。</p><p>　　在這里，我深深的感謝幫助過我的老師和朋友們，我將更加努力！</p><p><b>　　參考文獻</b><

90、/p><p>　　[1]汪永斌等.廢氣再循環(huán)技術(shù)在溫室柴油熱風(fēng)爐中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報. 2002年7月.</p><p>　　[2] 汪光陽等.用于熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)的模糊控制器[J]. 鋼鐵研究學(xué)報.2004年10月.</p><p>　　[3] 施已平、汪永斌.廢氣再循環(huán)式柴油熱風(fēng)爐熱交換系統(tǒng)的研制[J].寧波職業(yè)技 術(shù)學(xué)院學(xué)報.2005年4月.</p&

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93、gt;　　[6] J. J. H anan, W. D. Holley, K. L. Golds berry. Greenhouse Management. [M] Springer-V er lag Berlin Heidelberg. New York,1978: 53～247. </p><p>　　[7] 汪永斌，呂昂，孫榮高等. 溫室群全數(shù)字溫度和濕度綜合控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報.2002第六期.

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