电锅炉温度控制系统的模糊控制研究41

与 其 设 定 温 度 值 进 行 比 较 ， 得 到 温 度 偏 差 ｅ 和 偏 差 变 化 率 ｅｃ 作 为 模 可 靠 性 ， 不 会 产 生 振 荡 现 象 。
糊控制器的输入， 模糊控制器输出控制信号 ｕ， 经单片机转化为 ４￣
１．输 入 量 的 模 糊 化
２０ｍＡ 的 标 准 电 流 信 号 输 入 到 交 流 固 态 继 电 器 中 控 制 加 热 器 组 和 循
及 状 态 指 示 等 功 能 。 此 外 ， 该 控 制 系 统 还 通 过 ＣＡＮ 口 实 现 与 上 位 机 控 制 器 等 多 种 结 构 。 本 设 计 采 用 二 维 结 构 ， 以 被 控 量 的 误 差 ｅ 和 误 通 信 的 功 能 ， 工 作 过 程 如 下 ： 温 度 传 感 器 采 样 温 度 信 号 ， 传 到 单 片 机 差 变 化 率 ｅｃ 作 为 输 入 ， 输 出 一 个 控 制 变 量 ｕ ， 保 证 系 统 的 稳 模 糊 ＰＩＤ 控 制 ， 改 善 了 模 糊 控 制 系 统 静 态 性 能 欠
佳 的 不 足 。 采 用 ＭＡＬＡＢ／ ＳＩＭＵＬＩＮＫ 软 件 对 电 锅 炉 温 温 度 控 制 系 统 进 行建模仿真可知： 该控制系统动态响应速度快和较高的稳态精度及 很好的控制效果。
将 输 入 误 差 ｅ 和 误 差 的 变 化 率 ｅｃ 及 输 出 控 制 变 量 ｕｆ 进 行 量 化
环泵的工作。
处 理 ， 分 成 １３ 个 量 化 等 级 ， 模 糊 语 言 变 量 分 成 七 个 档 位 ： ｛负 大 、负
中 、负 小 、零 、正 小 、正 中 、正 大 ｝， 简 记 为 ： ｛ＮＢ、ＮＭ、ＮＳ、Ｚ、ＰＳ、ＰＭ、
图 ３ 偏 差 、偏 差 变 化 率 和 控 制 量 的 隶 属 度 函 数 ２．模 糊 控 制 规 则 形 成 和 推 理 模糊规则的形成是把有经验的操作者或者专家的控制知识和 经验制定出若干模糊控制规则， 为了能存入计算机， 还必须对他们 进行形式化数学处理， 这些规则可以用自然语言来表达。这一模块 就是根据系统当前的运行状况确定一条事实， 在规则库中从上到下 搜索可用的规则， 若这条事实和规则库中的某条规则左部匹配成 功 ， 则 执 行 这 条 规 则 的 右 部 ， 即 “行 动 ”， 对 系 统 加 以 控 制 ， 控 制 策 略 就被唯一确定。本设计采用通过对量化模糊论域中的偏差信号及偏 差的变化率按照专家经验及现场实践经验设计出控制规则， 并设计 出表格， 放入内存， 以备调用， 如表 ３－ １ 所示
制效果， 本设计采用模糊控制策略很好的解决了这一缺点。模糊控
制 是 近 年 来 发 展 的 一 项 新 技 术 ， 它 以 模 糊 集 合 论 、模 糊 语 言 变 量 及
模糊逻辑推理为基础， 具有很强的鲁棒性和稳定性， 适用于数学模
型 难 以 建 立 的 系 统 。 本 文 设 计 一 种 ＰＩＤ 与 模 糊 控 制 （ ＦＬＣ） 相 结 合 的
继 电 器 以 及 控 制 面 板 等 。 单 片 机 用 来 实 现 对 温 度 、水 位 及 压 力 信 号
模 糊 控 制 过 程 是 对 系 统 输 入 信 号 进 行 分 析 、判 断 、输 出 控 制 量 的
的 采 集 、滤 波 处 理 ， 并 通 过 控 制 算 法 实 现 对 输 出 的 控 制 ； 继 电 器 主 要 过 程 。 由 于 它 是 一 种 实 用 的 模 拟 人 模 糊 推 理 和 决 策 过 程 的 控 制 方
有高分辨率特性， 相应此控制量的灵敏度高。宽型隶属函数具有低
分辨率特性， 所引起的输出变化就比较平缓， 系统比较稳定， 从反模
糊化计算的角度考虑， 隶属函数曲线最好应该是对称的。某一控制
图 １ 智能锅炉温度自动控制系统的原理框图
规则经过模糊推理后， 必然得到一个隶属度映射到控制规则结果部
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ＰＢ｝。ｅ 的 基 本 论 域 采 用 （－ １２ ，１２ ）， 量 化 因 子 ｋｅ＝０ ．５ ； ｅｃ 的 基 本 论 域 采
用 （－ ６ ℃， ６ ℃）， 量 化 因 子 ｋｅｃ ＝１ ； ｕｆ 的 基 本 论 域 采 用 （５ ℃， ７５ ℃）， 比 例
因 子 ｋｅ＝６ ．５ 。
隶 属 度 函 数 的 幅 宽 对 控 制 效 果 影 响 较 大 。一 般 窄 型 隶 属 函 数 具
本 设 计 采 用 ＰＩＤ 与 模 糊 控 制 相 结 合 的 方 式 ， 即 混 合 模 糊 ＰＩＤ 控
自 动 化 程 程 度 高 、安 装 检 修 方 便 等 特 点 ［１］， 是 理 想 节 能 环 保 型 的 供 暖 制 。 由 于 模 糊 控 制 器 为 ＰＤ 型 控 制 器 ， 它 只 具 有 模 糊 化 比 例 和 微 分
全自动化的程序控制又使得安全检修方便。
特点， 同时还有模糊控制灵活适应性强的特点， 如图 ２ 所示
由 于 电 锅 炉 的 温 度 控 制 系 统 存 在 较 大 的 惯 性 、滞 后 ， 难 以 建 立
精 确 的 数 学 模 型 ， 所 以 应 用 传 统 的 常 规 ＰＩＤ 控 制 很 难 实 现 预 期 的 控
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分的模糊子集上。如果隶属函数不对称， 按不同的反模糊化计算方 法所求出的反模糊化的输出就各自相异， 只有当隶属函数对称的情 况下， 才能保证采用不同反模糊化方法所得到的输出均互相吻合， 所 以 隶 属 函 数 最 好 采 用 对 称 结 构 。 如 果 相 邻 隶 属 函 数 曲 线 的 左 、右 宽度值等于隶属函数峰值坐标间的距离。当输入变量平滑地变化 时， 采用这种隶属函数曲线能够通过模糊推理和反模糊化运算使控 制输出平滑地过渡， 否则输出的变化过程会出现折线现象。根据以 上确定隶属度函数的基本原则及实际经验， 设计出输入语言变量控 制 量 偏 差 ｅ 及 其 变 化 率 ｅｃ 的 隶 属 度 函 数 ， 以 及 输 出 语 言 变 量 控 制 量 ｕｆ 的 隶 属 度 函 数 ， 如 图 ３ 所 示 。
作 为 待 判 决 输 出 模 糊 集 合 Ａ 隶 属 度 μＡ（Ｘｉ） 的 加 权 系 数 ， 即 取 乘 积 ，
再 计 算 该 乘 积 和 的 平 均 值 Ｘｉ·μＡ（Ｘｉ）， 如 表 达 式 （ ２ ） 所 示 。
ｎ
# Ｘｉ·μＡ（Ｘｉ）
Ｘ０＝
ｉ
＝
０ ｎ
（ ２）
# μＡ（Ｘｉ）
ｉ＝０
式 中 ， Ｎ 为 模 糊 变 量 个 数 ， Ｘｉ 为 模 糊 变 量 ， μＡ（Ｘｉ） 为 对 应 模 糊 变 量的隶属度函数。
图 ２ 混 合 模 糊 ＰＩＤ 控 制 原 理 图 模 糊 控 制 器 和 ＰＩ 控 制 器 采 用 并 联 形 式 组 合 ， 控 制 器 的 输 出 是 模 糊 控 制 和 ＰＩ 控 制 之 和 ， 如 式 （ １ ） 所 示 ：
２ 智能锅炉温度自动控制系统整体设计方案 电锅炉温度自动控制系统是一个多参数多回路的复杂系统， 要
（２）自 动 保 护 和 报 警 功 能 ， 并 且 能 够 记 录／显 示 故 障 事 件 发 生 的 次数和时间。
３．２ 模糊控制器的设计及仿真 模 糊 控 制 规 则 是 由 模 糊 理 论 中 模 糊 条 件 语 句 （ｉｆ－ ｔｈｅｎ ） 来 描 述 的 ，
（３ ）能 根 据 实 际 情 况 灵 活 设 置 报 警 温 度 上 限 、吹 扫 时 间 、启 停 时 因 此 模 糊 控 制 器 是 一 种 语 言 控 制 器 ， 故 也 称 为 模 糊 语 言 控 制 器 。 事
设 备 。我 国 电 锅 炉 的 应 用 起 步 较 晚 ， 且 存 在 控 制 水 平 不 高 、算 法 粗 糙 作 用 而 没 有 模 糊 积 分 作 用 ， 这 就 造 成 系 统 动 态 性 能 好 ， 静 态 性 能 欠
简 单 、控 制 效 果 不 佳 、输 出 易 产 生 振 荡 且 超 调 量 大 等 缺 点 。本 文 设 计 佳 。因 此 ， 为 了 改 善 静 态 性 能 、提 高 控 制 精 度 ， 把 ＰＩ 控 制 引 入 模 糊 控
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电锅炉温度控制系统的模糊控制研究
文 ／ 赵光伟
【摘 要 】 本 文 设 计 了 一 种 基 于 模 糊 ＰＩＤ 控 制 的 电 锅 炉 温 度 控 制 系 统 ， 其 性 能 明 显 优 于 传 统 的 ＰＩＤ 温 度 控
制 系 统 。不 但 克 服 了 传 统 温 控 系 统 中 不 能 建 立 复 杂 系 统 数 学 模 型 的 困 难 ， 而 且 又 能 得 到 良 好 的 动 态 性 能 和 稳
态精度， 是一种比较优越的控制策略， 具有很好的应用前景。
【关 键 词 】 电 锅 炉 温 度 控 制 单 片 机 控 制 算 法
１ 引言
３ 控制算法的设计与仿真
电锅炉是一种机电一体化的高新技术产品， 可以将电能直接转
３．１ 温度控制算法的设计
化 成 热 能 ， 具 有 效 率 高 、体 积 小 、无 污 染 、运 行 安 全 可 靠 、供 热 稳 定 、
判决的方法常用的有最大隶属度法、取中位数法、加权平均法
（ 重 心 法 ） ， 其 中 重 心 法 应 用 较 普 遍 。本 设 计 采 用 加 权 平 均 法 ， 加 权 平
均 法 描 述 如 下 ： 针 对 论 域 中 的 每 一 个 元 素 Ｘｉ （ｉ ＝ ０ ， １ ， … ， ｎ ）， 以 它
间等参数。
实上， 模糊控制不需要人们理解控制器本身的作用原理和方式， 模
（４ ）无 平 衡 、无 扰 动 切 换 等 其 他 功 能 。
糊 控 制 完 全 是 模 仿 人 脑 的 思 维 方 式 ， 一 个 模 糊 控 制 器 就 是 通 过 ｉｆ－
本 文 所 设 计 的 温 度 控 制 系 统 主 要 包 括 单 片 机 （ ＭＳＰ４３０Ｆ４４９ ） 、 ｔｈｅｎ 形 式 的 规 则 进 行 控 制 的 。