電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的模糊控制研究

1、科技論壇中國高新技術(shù)企業(yè)電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的模糊控制研究文趙光偉【摘要】本文設(shè)計了一種基于模糊控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)，其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)。不但克服了傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)中不能建立復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的困難，而且又能得到良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，是一種比較優(yōu)越的控制策略，具有很好的應(yīng)用前景?！娟P(guān)鍵詞】電鍋爐溫度控制單片機(jī)控制算法引言電鍋爐是一種機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，可以將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能，具有效率高、體積小、無污染、運(yùn)行安全可靠、供熱穩(wěn)定、自動化程程度高、安裝檢修方便等特點(diǎn)，是理想節(jié)能環(huán)保型的供暖設(shè)備。我國電鍋爐的應(yīng)用起步較晚，且存在控制水平不高、算法粗糙簡單、控制效果不佳、輸出易產(chǎn)生

2、振蕩且超調(diào)量大等缺點(diǎn)。本文設(shè)計的智能溫度控制器用于電鍋爐的控制，可根據(jù)用戶的要求，將室溫自動控制在某一范圍；可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載自動調(diào)節(jié)，保持供熱穩(wěn)定；采用全自動化的程序控制又使得安全檢修方便。由于電鍋爐的溫度控制系統(tǒng)存在較大的慣性、滯后，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以應(yīng)用傳統(tǒng)的常規(guī)控制很難實現(xiàn)預(yù)期的控制效果，本設(shè)計采用模糊控制策略很好的解決了這一缺點(diǎn)。模糊控制是近年來發(fā)展的一項新技術(shù)，它以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，適用于數(shù)學(xué)模型難以建立的系統(tǒng)。本文設(shè)計一種與模糊控制（）相結(jié)合的控制系統(tǒng)，即混合模糊控制，改善了模糊控制系統(tǒng)靜態(tài)性能欠佳的不足。采用軟件對電鍋

3、爐溫溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真可知：該控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快和較高的穩(wěn)態(tài)精度及很好的控制效果?？刂扑惴ǖ脑O(shè)計與仿真溫度控制算法的設(shè)計本設(shè)計采用與模糊控制相結(jié)合的方式，即混合模糊控制。由于模糊控制器為型控制器，它只具有模糊化比例和微分作用而沒有模糊積分作用，這就造成系統(tǒng)動態(tài)性能好，靜態(tài)性能欠佳。因此，為了改善靜態(tài)性能、提高控制精度，把控制引入模糊控制器中構(gòu)成混合型模糊控制器，利用比例積分作用來獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度和較快的動態(tài)響應(yīng)速度。不僅具有控制精度高的特點(diǎn)，同時還有模糊控制靈活適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，如圖所示圖混合模糊控制原理圖模糊控制器和控制器采用并聯(lián)形式組合，控制器的輸出是模糊控制和控制之和，如式（）

4、所示：智能鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案電鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)是一個多參數(shù)多回路的復(fù)雜系統(tǒng)，要使其達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)和安全生產(chǎn)，應(yīng)該具備以下功能：溫度控制、爐膛負(fù)壓（）自動檢測和控制功能，包括水位控制、力控制。（）其中（）是連續(xù)變量，所以（）也是連續(xù)變量。因此混合型模糊控制器不僅可以消除極限環(huán)的振動，還可以完全消除跟蹤誤差。由圖可知在混合型模糊控制器的設(shè)計中，二維模糊控制器的設(shè)計是比較復(fù)雜的，是控制系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)難點(diǎn)。（）自動保護(hù)和報警功能，并且能夠記錄顯示故障事件發(fā)生的次數(shù)和時間。吹掃時間、啟停時（）能根據(jù)實際情況靈活設(shè)置報警溫度上限、間等參數(shù)。無擾動切換等其他功能。（）無平衡、本文所設(shè)計的

5、溫度控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)（）、繼電器以及控制面板等。單片機(jī)用來實現(xiàn)對溫度、水位及壓力信號的采集、濾波處理，并通過控制算法實現(xiàn)對輸出的控制；繼電器主要是將單片機(jī)的輸出量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用來驅(qū)動控制循環(huán)泵的啟停和緊急狀況下控制電源的切斷等；控制面板主要實現(xiàn)按鍵操作、功能顯示及狀態(tài)指示等功能。此外，該控制系統(tǒng)還通過口實現(xiàn)與上位機(jī)通信的功能，工作過程如下：溫度傳感器采樣溫度信號，傳到單片機(jī)與其設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，得到溫度偏差和偏差變化率作為模糊控制器的輸入，模糊控制器輸出控制信號，經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)化為模糊控制器的設(shè)計及仿真模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語句（）來描述的，因此模糊控制器是一種語言控制器，故也稱

6、為模糊語言控制器。事實上，模糊控制不需要人們理解控制器本身的作用原理和方式，模糊控制完全是模仿人腦的思維方式，一個模糊控制器就是通過形式的規(guī)則進(jìn)行控制的。模糊控制過程是對系統(tǒng)輸入信號進(jìn)行分析、判斷、輸出控制量的過程。由于它是一種實用的模擬人模糊推理和決策過程的控制方法，因此非常適合非線性的多輸入多輸出系統(tǒng)。模糊控制器有一維模糊控制器、二維模糊控制器、多變量模糊控制器、自調(diào)整因子模糊控制器等多種結(jié)構(gòu)。本設(shè)計采用二維結(jié)構(gòu)，以被控量的誤差和誤差變化率作為輸入，輸出一個控制變量，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，不會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。的標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸入到交流固態(tài)繼電器中控制加熱器組和循環(huán)泵的工作。輸入量的模糊化將

7、輸入誤差和誤差的變化率及輸出控制變量進(jìn)行量化處理，分成個量化等級，模糊語言變量分成七個檔位：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，簡記為：、。的基本論域采用（，），量化因子；的基本論域采用（，），量化因子；的基本論域采用（，），比例因子。隸屬度函數(shù)的幅寬對控制效果影響較大。一般窄型隸屬函數(shù)具有高分辨率特性，相應(yīng)此控制量的靈敏度高。寬型隸屬函數(shù)具有低分辨率特性，所引起的輸出變化就比較平緩，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，從反模糊化計算的角度考慮，隸屬函數(shù)曲線最好應(yīng)該是對稱的。某一控制圖智能鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)的原理框圖規(guī)則經(jīng)過模糊推理后，必然得到一個隸屬度映射到控制規(guī)則結(jié)果部科技論壇中國高新技術(shù)企業(yè)分的模糊子集

8、上。如果隸屬函數(shù)不對稱，按不同的反模糊化計算方法所求出的反模糊化的輸出就各自相異，只有當(dāng)隸屬函數(shù)對稱的情況下，才能保證采用不同反模糊化方法所得到的輸出均互相吻合，所以隸屬函數(shù)最好采用對稱結(jié)構(gòu)。如果相鄰隸屬函數(shù)曲線的左、右寬度值等于隸屬函數(shù)峰值坐標(biāo)間的距離。當(dāng)輸入變量平滑地變化時，采用這種隸屬函數(shù)曲線能夠通過模糊推理和反模糊化運(yùn)算使控制輸出平滑地過渡，否則輸出的變化過程會出現(xiàn)折線現(xiàn)象。根據(jù)以上確定隸屬度函數(shù)的基本原則及實際經(jīng)驗，設(shè)計出輸入語言變量控制量偏差及其變化率的隸屬度函數(shù)，以及輸出語言變量控制量模糊判決模糊控制器的輸出是一個模糊集合，它反映了控制語言的不同取值的一種組合，因為被控對象只能接

9、受一個控制量，因此需要從輸出的模糊子集中判決出一個精確的控制量，也就是設(shè)計一個由模糊集合到普通集合的映射判決（清晰化）。判決的方法常用的有最大隸屬度法、取中位數(shù)法、加權(quán)平均法（重心法），其中重心法應(yīng)用較普遍。本設(shè)計采用加權(quán)平均法，加權(quán)平均法描述如下：針對論域中的每一個元素（，），以它作為待判決輸出模糊集合隸屬度（）的加權(quán)系數(shù)，即取乘積，再計算該乘積和的平均值（），如表達(dá)式（）所示。的隸屬度函數(shù)，如圖所示。#（）（）#（）式中，為模糊變量個數(shù)，為模糊變量，（）為對應(yīng)模糊變量的隸屬度函數(shù)。圖偏差、偏差變化率和控制量的隸屬度函數(shù)本設(shè)計中取，由公式（）求出平均值，作為模糊控制器的精確輸出。對電鍋爐溫度

10、控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真曲線如圖所示。模糊控制規(guī)則形成和推理模糊規(guī)則的形成是把有經(jīng)驗的操作者或者專家的控制知識和經(jīng)驗制定出若干模糊控制規(guī)則，為了能存入計算機(jī)，還必須對他們進(jìn)行形式化數(shù)學(xué)處理，這些規(guī)則可以用自然語言來表達(dá)。這一模塊就是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀況確定一條事實，在規(guī)則庫中從上到下搜索可用的規(guī)則，若這條事實和規(guī)則庫中的某條規(guī)則左部匹配成功，則執(zhí)行這條規(guī)則的右部，即“行動”，對系統(tǒng)加以控制，控制策略就被唯一確定。本設(shè)計采用通過對量化模糊論域中的偏差信號及偏差的變化率按照專家經(jīng)驗及現(xiàn)場實踐經(jīng)驗設(shè)計出控制規(guī)則，并設(shè)計出表格，放入內(nèi)存，以備調(diào)用，如表所示表模糊控制規(guī)則表圖混合模糊控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線由仿

11、真結(jié)果可以算出此模糊控制策略有較小的超調(diào)量（）和較短的調(diào)節(jié)時間（）有較好的控制效果。結(jié)論本文設(shè)計了基于模糊控制的電鍋爐溫度溫控制系統(tǒng)，經(jīng)仿真分析可知：改系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)，具有很好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，是一種比較優(yōu)越的控制策略。參考文獻(xiàn)李友善，李軍模糊控制理論及其在過程控制中的應(yīng)用國防工業(yè)出版社，（作者單位系哈爾濱商業(yè)大學(xué)）$（上接頁）材料名稱表觀密度（）最高使用溫度（）抗壓強(qiáng)度（）導(dǎo)熱系數(shù)（）吸水率（）巖棉保溫板，玻璃棉氈，聚苯乙烯泡沫塑料板，干燥后便形成保溫性能優(yōu)良的隔熱層。此種材料施工方便，保溫性能良好。其中聚苯顆?？梢圆捎霉I(yè)品，也可以采用廢舊聚苯保溫板經(jīng)機(jī)械破碎后的顆粒，這對于防制白色污染、保護(hù)環(huán)境十分有益的，但此種保溫材料吸水率較其他材料為高，使用時必須加做抗裂防水層