【文章內(nèi)容簡介】 汽機的控制，特別是近幾年得到了飛速的發(fā)展。模糊控制是模糊數(shù)學和控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，它采用了人的思維具有模糊性的特點，通過使用模糊數(shù)學中的隸屬度函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理等工具，得到的控制表格進行控制。模糊控制在實踐應用中，具有許多傳統(tǒng)控制無法比擬的優(yōu)點 ： （ 1） 使用語言規(guī)則，不需要掌握過程的精確數(shù)學模型。因為對于復雜的生產(chǎn)過程很難得到過程的精確數(shù)學模型，而語言方法卻是一種很方便的近似。 （ 2） 對于具有一定操作經(jīng)驗，但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。 （ 3） 操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯(lián)系，這些模糊條件語言很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)。 智能控制是一類無需人的干預就能夠針對控制對象的狀態(tài)自動地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實現(xiàn)控制目標的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學模型和用常規(guī)控制理論進行定量計算與分析的困難性。它實質(zhì)上是一種無模型控制方案，即在不需要知道被控對象精確數(shù)學模型的情況下，通過自身的調(diào)節(jié)作用，使實際響應曲線逼近理想響應曲線。 一般來講，智能控制具有以下一 些特點 ： （ 1） 學習能力 智能控制可以對一個過程或其環(huán)境的未知特性所固有的信息進行學習，并將得到的經(jīng)驗用于進一步估計、分類、決策或控制，這有利于對未知對象進行認知和辨識并進一步改善控制系統(tǒng)的控制性能。 （ 2） 組織綜合能力 對復雜的任務和分散的傳感器信息，具有處理、組織、協(xié)調(diào)和綜合決策能力，并在進行過程中表現(xiàn)出類似于人的主動性和靈活性。 （ 3） 適應能力 由于智能控制不依賴于對象模型，智能行為表現(xiàn)為從系統(tǒng)輸入到輸 4 出的映射關(guān)系，即使輸入時系統(tǒng)從未有過的例子，系統(tǒng)通過插補、歸類等方法，也能給出適當?shù)妮敵?。如果系統(tǒng)中 某部分出現(xiàn)故障，仍能正常工作，并給出警告信號，甚至自行修復。 （ 4） 優(yōu)化能力 智能控制具有在線特征辨識、特征記憶和擬人等特點，故在整個控制過程中，計算機能夠在線獲得信息、實時處理并給出控制決策，通過不斷優(yōu)化參數(shù)和尋找控制器最佳結(jié)構(gòu)形式，來獲得整體的最優(yōu)控制性能。因此就目前而言，智能控制是解決傳統(tǒng)過程控制局限性問題和提高控制質(zhì)量的一個重要途徑。在各種儀表高速發(fā)展的今天，控制裝置己經(jīng)不是主要問題，影響被控對象性能指標的主要因素取決于控制器本身，控制器本身的智能化設計將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。 本 文的主要研究內(nèi)容 本 文 的具體研究內(nèi)容如下 ： （ 1） 結(jié)合電鍋爐水溫上升過程的特點，對被控對象進行理論分析，建立被控系統(tǒng)的數(shù)學模型，提出適合于鍋爐水溫過程控制的純 PID 控制、加入 Smith 預估器的 PID 控制、模糊控制、參數(shù)自整定模糊 PID 控制方法。并對控制算法的實現(xiàn)、控制器的設計和參數(shù)調(diào)整進行深入研究。 （ 2） 運用 MATLAB 軟件的 simulink 開發(fā)環(huán)境和模糊邏輯工具箱對上述幾種方法進行建模仿真，并對控制性能指標進行分析，確定出符合控制系統(tǒng)輸出響應速度快、超調(diào)量小和穩(wěn)定誤差小的控制算法。 （ 3） 結(jié)合電鍋爐供暖 系統(tǒng)對控制器的要求，設計一個智能溫度控制器，包括 ： 總體方案設計、硬件電路設計和部分軟件設計。實現(xiàn)溫度的采集與控制、超限報警等功能。 5 2 系統(tǒng)總體 設計 方案 系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)主要有水位檢測、溫度檢測、按鍵控制、水溫控制、水位控制、循環(huán)控制、顯示部分、故障報警等幾部分組成來實現(xiàn)供暖控制，系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 系統(tǒng)具體實現(xiàn)方案 本系統(tǒng)采用單片機模塊化來完成程序設計使程序易于編寫、調(diào)試和修改；便于分工，從而可同時調(diào)試多個程序；程序可讀性好；程序可進行局部修改，其他部分保持不變。這里采用 51 系列單片機 AT89C51 控制鍋爐供暖，系統(tǒng)采用手動和自動兩種。主要是單片機自動控制，設置有手動 /自動切換。包括溫度控制、補水泵控制、循環(huán)泵控制、故障報警。 在溫度控制部分，用數(shù)字溫度傳感器的值送入單片機與單片機內(nèi)部設定值進行比較。在當溫度低于給定溫度 1 時，蒸汽閥打開給水加熱；當溫度低于給定溫度 2 時，系統(tǒng)報警。 在補水部分，用水位傳感器來檢測水位，當鍋爐汽包水位低于規(guī)定的最低水位時系統(tǒng)發(fā)出報警，指示燈亮，繼電器線圈得電，電磁閥打開，水泵開始注水；爐內(nèi)的水位到達或超過規(guī)定的最高水位時系統(tǒng)發(fā)出報警，指示燈亮，線圈失電，電磁閥閉合，停止注水。故障報警部分，當發(fā)生故障時指示燈亮，報警零響。在循環(huán)控制部分當水溫值在設定值內(nèi)，則開啟循環(huán)泵。當循環(huán)泵 1 出現(xiàn)故障時，報警系統(tǒng)報警，單片機接收到信號，備用的循環(huán)泵 2 開始代替循環(huán)泵 1 工作。 在故障報警部分，當溫度控制部分、補水泵 部分、循環(huán)泵部分出現(xiàn)故障時，報警系統(tǒng)報警。而且報警系統(tǒng)設置的是聲光報警，使維修人員容易區(qū)分哪部分出現(xiàn)了問題，以便及時維修。 單片機控制系統(tǒng)的流程圖 單片機控制系統(tǒng)模擬量處理子程序，溫度控制部分子程序，循環(huán)系統(tǒng)控制子程序， 單 片 機 控 制 中 心 按鍵調(diào)節(jié)部分 溫度檢測部分 水位檢測部分 故障報警部分 溫度控制部分 補水控制部分 循環(huán)控制部分 顯示部分 圖 21 系統(tǒng)框圖 6 補水泵選擇子程序，故障診斷與報警處理。它的流程圖如圖 22 所示。 圖 22 控制 流程圖 狀態(tài)及 PID 初始化 模擬量處理子程序 溫度控制部分子程序 循環(huán)系統(tǒng)控制子程序 補水泵選擇子程序 故障診斷與報警處理 開始 7 3 系統(tǒng)硬件設計 本系統(tǒng)從經(jīng)濟性，電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性能等多方面考慮。選用如下元器件，數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，單片機 AT89C51，數(shù)碼管顯示，變頻器，光敏三極管 3DU。 單片機的配置 本系統(tǒng)選用 ATMEL89C51 系列單片機， 由于它的模塊化設計為適應具體的應用提供了極大的靈活性，便于擴展功能，有效的提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。 AT89C51 是一種低工耗、高性能的片內(nèi)含有 4KB 快閃可編程 /擦除只讀存儲器的八位 CMOS 微控制器，使用高密度、非易失存儲編程器對程序存儲器重復編程。 AT89C51 具有以下特點： *與 MCS51 微控制器產(chǎn)品系列兼容。 *片內(nèi)有 4KB 可在線重復編程的快閃擦寫存儲器。 *32 條可編程 I/O 線。 *程序存儲器具有三級加密保護。 *可編程全雙工串行通道。 *空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容。 *而且與 87C51 系列的引腳也完全兼容。 溫度傳感器 本系統(tǒng)采用的是美國 DALLAS 半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器DS18B20，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測度數(shù)，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 912 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。讀出溫度流程圖如圖 31 所示。 發(fā) DS18B20 復位命令 發(fā)跳過 ROM 命令 發(fā)讀取溫度命令 讀取操作， CRC 校驗 9 字節(jié)完？ CRC 校驗正確？ 移入溫度暫存器 結(jié)束 N N Y Y 圖 31 讀溫度子程序 8 DS18B20 的性能特點： *獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通信； *多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； *無須外部器件； *可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 ； *零待機功耗； *溫度以 9 或 12 位數(shù)字量讀出； *用戶還可定義的非易失性溫度報警設置； *報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件。 DSl8B20 的引腳如圖 32 所示。此外 DSl8B20 數(shù)字溫度計提供 9 位 （ 二進制 ） 溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入 DSl8B20 或從 DSl8B20 送出，因此從主機 CPU 到 DSl8B20 僅需一條線 （ 和地線 ） 。 DSl8B20 的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。因為每一個 DSl8B20 在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號，因此任意多個DSl8B20 可以存放在同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DSl8B20 的測量范圍從 55 攝氏度到 +125 攝氏度，增量值為 攝氏度，可在 ls（ 典型值 ） 內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。每一個 DSl8B20 包括一個唯一的 64 位長的序號，該序號值存放在 DSl8B20 內(nèi)部的 ROM（ 只讀存 貯器 ） 中。開始 8 位是產(chǎn)品類型編 （ DSl8B20 編碼均為 10H） 。接著的 48 位是每個器件唯一的序號。最后 8 位是前面 56 位的 CRC（ 循環(huán)冗余校驗 ） 碼。 DSl8B20 中還有用于存儲測得的溫度值的兩個 8 位存貯器 RAM，編號為 0 號和 1 號。 1 號存貯器存放溫度值的符號，如果溫度為負 （ 攝氏度 ） ，則 1 號存貯器 8 位全為 1，否則全為 0。 0 號存貯器用于存放溫度值的補碼， LSB（ 最低位 ） 的 1 表示 攝氏度。將存貯器中的二進制數(shù)求補再轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)并除以 2 就得到被測溫度值 （ 55 攝氏度 125 攝氏度 ） 。每只 D518B20 都可以設置成兩種供電方式，即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部供電方式。采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導線，但完成溫度測量的時間較長，采取外部供電方式則多用一根導線，但測量速度較快。 DS18B20 的使用方法 ： 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 AT89S51 單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對 DS18B20 芯片的訪圖 32 DS18B20 引角圖 9 問。由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。 DS18B20 有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 （ 1） DS18B20 的復位時序。 圖 33 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器復位時序圖 （ 2） DS18B20 的讀時序。對于 DS18B20 的讀時序分為讀 0 時序和讀 1 時序兩個過程。對于 DS18B20 的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在 15 秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓 DS18B20 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。 DS18B20 在完成一個讀時序過程，至少需要 60us才能完成。 圖 34 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器讀時序圖 （ 3） DS18B20 的寫時序。對于 DS18B20 的寫時序仍然分為寫 0 時序和寫 1 時序兩個過程。對于 DS18B20 寫 0 時序和寫 1 時序的要求不同，當要寫 0 時序時，單總線要被拉低至少 60us，保證 DS18B20 能夠在 15us 到 45us 之間能夠正確地采樣 IO 總線上的“0”電平，當要寫 1 時序時，單總線被拉低之后，在 15us 之內(nèi)就得釋放單總線。 圖 35 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器 寫 時序圖 10 顯示部分 在單片機系統(tǒng)中，通常用 LED 數(shù)碼顯示模塊來顯示各種數(shù)字或符號。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長的特點，因此使用非常廣泛。使用 LCD1602 液晶顯示屏顯示水溫。液晶顯示屏（ LED）具有輕薄短小，低耗電量，無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點，且顯示更為人性化，電路焊接更為簡單。 表 31 LCD1602 液晶顯示屏主要技術(shù)參數(shù) 顯示容量 162個字符 芯片工作電壓 4.5～5.5V 工作電流 2.0mA（5.0V） 模塊最佳工作電壓 5.0V 字符2. 11 尺寸 954.35（WXH）mm 表 32 LCD1602 液晶顯示屏引腳說明 編號 符號 引腳說明 編號 符號 Data I/O 1 Vss 電源地 9 D2 Data I/O 2 Vdd 電源正極 10 D3 Data I/O 3 VL