基于模糊PID控制的锅炉炉温系统的设计

1、北华大学毕业设计（论文）摘要随着科学技术的日新月异，锅炉在生产中的应用越来越广泛，是工业生产中经常采用的一种设备。在生产过程中，我们主要对温度、压力、流量进行控制。而锅炉的温度控制在锅炉控制系统中的地位越来越突出。由于锅炉温度系统惯性较大、滞后现象比较严重，干扰量较多，几乎无法建立其数学模型。因此，对锅炉炉温的控制一直都是研究难点。本文主要是对锅炉炉温系统进行控制。如果选择传统PID控制方式，精度较低，控制效果不理想，所以考虑选择模糊控制。研究模糊控制的基本原理，设计控制锅炉炉温的模糊控制器。对锅炉的温度飞升曲线特点进行剖析，创建模糊控制规则表，并利用Matlab软件中的Simulink中模糊

2、逻辑工具箱，仿真出锅炉的传统PID曲线、模糊系统曲线。根据仿真曲线结果计算系统的%和t，在传统PID控制中，计算结果不能同时ss满足控制的基本要求；当选择模糊控制的时候，%和t都能满足控制的基本要求，但ss是系统极易出现稳态误差。所以本论文是把传统PID控制以及模糊控制组合到一起，设计一个参数自整定的模糊PID控制器，将PID的几个主要参数K、K以及K进行自pid整定，利用Simulink仿真出曲线，结果表明所设计的基于模糊PID的锅炉炉温控制器能够满足锅炉炉温控制的基本要求。在分析锅炉温度控制系统的基础上，选择PIC16F877A单片机作为关键器件，完成温度的采集控制以及超限报警等基本功能，

3、并把本文计算出的模糊PID算法与硬件相结合，设计主程序的流程图和基本电路。关键词：温度控制；模糊PID控制；参数整定；锅炉-1-北华大学毕业设计（论文）AbstractBoilerintheproductionandlifehasbeenappliedmoreandmoreextensivelywiththedevelopmentofthetimes,itisadeviceoftenusedinindustrialproduction,andboilertemperaturecontrolintheboilercontrolsystemisbecomingmoreandmoreprominen

4、t.Temperaturecontrolsystemwithlargeinertia,theseriousdelayanddifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel.Thenonlinearrelationshipexists.Thispaperismainlyontheboilerfurnacetemperaturecontrol.IftheselectionofthetraditionalPIDcontrolmode,theaccuracyislower,thecontroleffectisnotideal.Weshouldconsidert

5、heoptionoffuzzycontrol,thebasicprincipleofthefuzzycontrol,designcontrolofboilerfurnacetemperaturefuzzycontroller.Thefuzzycontrolruletableisestablishedthroughanalysingthecharacteristicoftheelectricboilertemperatureinthethesis.Inthisthesis,simulationofPIDcontrolsystemandfuzzycontrolsystemusingSimulink

6、andMATLABfuzzylogictools.TheresultsshowthattheregulationtimeandovershootofthePIDsystemcannotbeachievedbythecontrolsystem.Whenthefuzzycontrol,theadjustmenttimeandtheovershootcanachievethenorm,butthesysteminducedsteady-stateerror.Sothereisanewwaytocombinetogether.ThepatametersofKp,KiandKdareadjustbyfu

7、zzyinference.TheexperimentalresultsshowthatthefuzzyPIDparameterself-tuningcontrolleristheperformanceindexofthesystem.Analysisofboilertemperaturecontrolsystem,thePIC16F877Amicrocontrollerischosenasthemaincomponenttodesignthetemperature,andthebasicfunctionofthecollectionandcontrolofthetemperatureiscom

8、pleted.AndthepapercalculatesthefuzzyPIDalgorithmaddedtothehardwaredesign,thedesignofthemainprogramflowchartandbasiccircuit.KeyWords：temperaturecontrol;fuzzyPIDcontrol;parameterstuning;simulation-2-北华大学毕业设计（论文）目录摘要.1Abstract.2引言.11绪论.21.1课题的提出和意义.21.2国内外锅炉控制的发展现状.21.3温度控制系统的发展概况.22被控对象以及控制方法的研究.42.1被

9、控对象和原有控制方案.42.1.1被控对象的分析.42.1.2常用控制方案.52.2传统PID控制.62.2.1传统PID控制基本原理.62.2.2数字PID控制器.72.3模糊控制的基本理论.82.3.1模糊控制的基本概念.82.3.2模糊控制系统的组成.92.3.4模糊控制器的结构.122.3.5模糊PID控制器的设计步骤.133基于模糊控制的电锅炉温度控制系统设计.153.1电锅炉温度控制的工艺要求.153.2常规PID控制的仿真.163.2.1PID控制器设计.163.2.2PID参数的整定.163.3温度控制系统中的模糊控制器.17-1-北华大学毕业设计（论文）3.4模糊控制与传统P

10、ID的比较.204模糊PID控制器设计.224.1参数自整糊定模PID控制系统结构.224.2构建模糊自整定PID控制系统仿真结构图.254.3总结.275锅炉温度智能控制系统的硬件设计.285.1系统总体方案设计.285.2硬件电路设计.285.2.1单片机的选择与电路设计.285.2.2单片机PIC16F877A简介.295.2.3温度检测电路设计.305.2.4温度输出电路.315.2.5人机对话系统.335.2.6保护电路的设计.33参考文献.38致谢.40-2-北华大学毕业设计（论文）引言锅炉主要是利用燃烧炉内的燃料，用其释放出的热能来加热水的过程，其应用领域极其广泛，主要应用于家庭

11、供热，工业生产中。锅炉是生产中的一种必备的能源装置。锅炉常常使用煤炭和重油来进行工作，这些能源都是不可再生能源。随着工业生产领域的不断扩大，生产配置在不断的更新，向着高效率的趋势发展。为了保障生产的安全性，得到稳定的锅炉炉温控制系统就变得越来越重要。锅炉温度系统惯性较大、滞后现象比较严重，干扰量较多，几乎无法建立其数学模型，对锅炉炉温的控制一直都是研究难点。因此我们需要研究一种可靠的方法实现对其的控制。本文主要论述了传统PID、模糊系统、模糊自整定PID控制的原理意义，对锅炉的温度飞升曲线特点进行剖析，创建模糊控制规则表，并利用Matlab软件中的Simulink中模糊逻辑工具箱，仿真出锅炉的

12、传统PID曲线、模糊系统曲线，对比3种控制的仿真图，得出结论，选择最佳的方法进行控制。选用PIC16F877A单片机作为关键性硬件，设计温度检测与控制电路、显示电路、键盘电路以及保护电路。-1-北华大学毕业设计（论文）1绪论1.1课题的提出和意义随着科学技术的日新月异，人们对于能源的使用量逐渐增多，能源趋于匮乏，如何有效利用和开发清洁能源，以此来实现节能减排的目的，越来越被各国人民所关注。我国经过二十多年的改革开放，经济的发展更是迅猛，但是同样带来了很多问题，例如煤炭，石油紧缺的问题，这是一个国家发展的经济命脉，世界强国都在试图寻找上述资源的替代品。锅炉是生产中的一种必备的能源装置。锅炉常常使

13、用煤炭和重油来进行工作，这些能源都是不可再生能源。随着工业生产领域的不断扩大，生产配置在不断的更新，向着高效率的趋势发展。为了保障生产的安全性，得到稳定的锅炉炉温控制系统就变得越来越重要。2锅炉的炉温控制的惯性较大、延迟较长、时变性不好、带有纯滞后环节。锅炉炉温控制系统经常选择PID控制器进行水温控制1。如今人们对锅炉炉温的控制主要选择的是开关式控制以及人工控制，用对器件使用较为熟练的操作工人，凭借长期的经验累积，来手动操作一个比较复杂的机器，选用这种控制方式的系统的稳定性欠佳，超调量较大，对外界变化的响应速度较慢，及时性差，此外，不断的开关电门会产生较大的冲击，降低了锅炉的使用期限。因此，我

14、们需要研究一种可靠性高、安全性高的方法。1.2国内外锅炉控制的发展现状当前国内外大部分的锅炉以燃油和燃煤为主，数目已经达到了总台数的65%左右，且燃烧的过程会生成大量废气残渣，不仅对人类生活产生了不良影响，造成污染。随着当代社会的不断进步，电能会逐步替换燃料能源。电热锅炉与燃料锅炉在控制方法上有很大不同。很多锅炉都选用人工控制方式，这种控制方法不能确保系统的可靠性以及安全性，更加耗费了人力物力。设备密集型、信息密集型、劳动密集型的产业过程逐渐被知识密集型的产业所取代2。新一代的电锅炉基本上主要选用智能控制方法，如此可以与现代工业的基本发展要求相符，并使控制方法在工业范畴中逐步成熟化。电热锅炉能

15、够把电能直接转换成热能，是一种电一体化产物。另外，电锅炉还具有一定的稳定性、运行安全可靠、自动化水平高的特点，是一种较为理想的节能环保型供暖装置。1.3温度控制系统的发展概况生活中的温度表现为冷和热的程度。在众多的生产环节中，温度控制系统都与生产安全、经济效益、生产效率有关。从第一次工业革命开始，任何生产过程均温度控制相-2-北华大学毕业设计（论文）联系。对于温度的控制来讲，保障快速且即时的对温度实施采样，并保证温度数据不会被干扰，以达到较为精准的控制系统。温度是锅炉控制系统的一个主要性能指标，也是保证锅炉装置安全的首要指标。基于这些因素的特点，运用学过的知识来对温度控制系统进行探究，并且满足

16、生产和生活的基本需要。温度控制技术分为温度测量技术和温度控制技术两种。3在温度控制领域里，接触式控制起源时间较早，这种控制方式的特点主要是：控制系统较为简单，可靠性较高，价格比较便宜，控制精度很高，很容易测到真实温度。但是检测器件的热惯性往往会影响到系统的响应时间，较难准确的检测到容量很小的物体，不适用于易腐蚀、高温、运动的物体。另一种方法就是非接触式测温法，主要是使用辐射能力测量温度，其特点是：能够不破坏被检测温度场，可以检测到容量较小的物体，可以检测到运动的物体的温度，它可以检测区域的温度分布和反应速度快。但是测量出的温度误差比较大，测温装置比较复杂，价格昂贵。“41971年，科学家付京孙

17、教授较早公开提出了一个较为新颖的研究领域智能控制系统”。现在，智能控制已经成为了单独的学科。在过去的一段时间里，智能控制理论的迅速发展，有很多新的控制理论。智能控制是目前较为新颖的学科，应用领域十分广泛。智能的定义是：能快速的获取信息与利用信息，对于任何环境都可以使用。人工智能是主要是将人类的思维进行模型化的过程，并使用微机进行仿真的一个学科。它的应用范围比较广泛，脑力和体力相结合的智能控制，可以将它和控制方法相结合，实现对锅炉炉温的智能控制。智能控制温度的方法主要使用的是神经元网络和模糊数学两门学科，并适当添加部分专家系统以此实现智能控制。模糊控制被广泛的应用于实际工程技术里。-3-北华大学

18、毕业设计（论文）2被控对象以及控制方法的研究2.1被控对象和原有控制方案2.1.1被控对象的分析“电锅炉是把电能转换成热能的一个转换装置。电锅炉和传统锅炉十分类似，从原理上看，主要分为锅”和“炉”。“锅”是指一个放热介质的容器，而炉”是指电热转换的元件5。国内的锅炉的生产，多种多样，从结构上可以分为立式锅炉、卧式锅炉以及多单元型锅炉；从供热方法上，分为直热式锅炉以及蓄热式锅炉等。本文考虑的对象为电锅炉，选用的加热方式为电阻式加热，工作压力最高为0.4Mpa，锅炉炉温最高为95。图2.1电锅炉安装图6当电锅炉达到蓄热时间时，补水电动阀将被打开，蓄热水箱最先进行补水操作，当水位达到预先设定好的高水

19、位时，补水电动阀就自行关上。当蓄热水箱温度达到设定的温度或热储存期结束，电锅炉不再运转，一分钟以后，循环加压泵启停操作，根据设定的频率运行循环加压泵，30s以后电锅炉再次工作，重新蓄热。7当启动供水电动阀时，则会关上正在蓄热的电动阀，从而打开循环加压泵，来实现变频调速恒压方法进行供水。等在30s以后再次开启锅炉，使用直接供给的方式向人们完成供水。当供水停止的时候，关闭高压泵的第一个循环，60s以后再关闭电锅炉8。本次研究的主要方向是根据锅炉水温上升曲线的特点，实现对锅炉温度的控制，以满足小超调量、短调节时间、小稳态误差的要求。-4-北华大学毕业设计（论文）9在生产和生活的过程之中，被控对象是多

20、种多样的，经过对理论的分析和对实验结果分析，表明：锅炉是有自平衡对象，传递函数可以用二阶纯滞后环节来表示，二阶系统可以简化为一阶系统。因此，温度控制对象的数学模型可以用一个一阶惯性环节表示。根据飞升曲线，可以得到锅炉炉温的传递函数为：G(s)sKeTS1(2.1)K对象的静态增益；T对象的时间常数；对象的纯滞后时间；比例调节器的控制作用的优劣由比例系数K决定。增大比例系数K，能够减小静差，假如K增长太大的时候，系统的动态性能会变差，极易产生输出量振荡，闭环系统的性能可能会不稳定10。性当积分时间常数T增加时，则积分作用会变弱，反之会增强，当增强积分时间常数T时，会减慢消除静差的速度，不过可以减

21、小超调量，得到较高的系统稳定11。为时间延迟，越大，滞后作用越明显。2.1.2常用控制方案现今国内锅炉控制方式主要分为人工控制方法、开关式控制方法。1.人工控制方法：人工控制方法是基于操作人员对锅炉控制的操作经验的长期积累。这样很难升高系统的控制精度，达到降低成本的目的。2.开关式控制方法：以预控制的温度作为温度标准值，根据标准设定一个控制值的上限，以及一个控制值的下限。当温度不在这个区间，锅炉启动加热功能，否则停止加热。这种方法主要存在如下几个问题：在实际工程中往往达不到理想的控制效果，使得系统的稳定性差。因为系统采用只是简单的开关启停，会使系统会出现频繁振荡，产生较大的误差，并对电网产生较

22、大冲击，运行成本较高。因此我们需要寻找一种更适合的控制方法，首先选用的控制方式是PID控制，PID控制的原理不复杂，操作便利，鲁棒性较强，其被控对象的控制品质不产生急剧变化，十分适合用在环境恶劣的生产过程中，很容易被工作人员掌握，在很多工业过程中，对控制快速性以及精度的要求并不高，适用PID控制可以得到很高的性价比。-5-北华大学毕业设计（论文）第二个选用方案是模糊控制，其智能性主要取决于计算机模拟人脑和控制的模糊逻制辑思维过程中产生的，被控对象的精确数学模型不依赖于非线性控12。2.2传统PID控制2.2.1传统PID控制基本原理在传统的控制理论中，PID控制器是一个集比例、积分及微分为一体

23、的控制器。PID控制器，主要包括PID控制器与被控对象。PID控制器是一个线性的控制器，先计算输出值和给定值之间的偏差，再按照比例、积分和微分偏差线性组合成控制量，控制被控对象13。PID控制原理图如图2.2所示。图2.2基本PID控制系统原理图根据给定值r(t)和输出值c(t)构成了偏差信号e(t)：e(t)r(t)c(t)(2.2)传递函数为：1KTTs2Ts1Ks1s1GsK1TTspiDi12TssT动态响应为：iiicpDp(2.3)-6-北华大学毕业设计（论文）Tu(t)Ke(t)1pie(t)dtTdde(t)dt(2.4)t其中u控制器的输出；e(t)控制器的输入，给定值和输出

24、值的差值；Ke(t)比例控制项，K为比例系数；pp1Tie(t)dt积分控制项，T为积分时间常数；iTdde(t)dt微分控制项，T为微分时间常数。d简单介绍一下P、I、D对控制过程的主要影响：K(1)比例调节器：比例调节器对偏差的反应较为即时，每当偏差出现时，比例调节器会发出控制命令，迫使输出量不断减小偏差，而控制作用的好坏由比例系数决定p。K1415比例调节器的作用虽好，但很容易出现静差，而增加比例系数p，可以减小静差。如果K增加过大的时候，可能会导致系统的动态性能变差，甚至会出现输出量振荡，以及会致使闭环系统性能不稳定。U(2)积分调节器：由于比例环节存在静差，可以适当加入积分环节减小静

25、差，积分环节有累积作用，当偏差E不为0时，根据积分环节的累积作用，可以影响输出量，进而减小偏差E，由于积分时间常数T较大，整体作用变弱，反之亦然。增加时间的i积分常数T，可以减慢静差的速度，而且可以减小超调量，并提高系统的稳定性能。但i是加上积分调节将会破坏系统的快速性。(3)微分调节器：为了较快系统的进程，出现瞬间变化的偏差，通过控制偏差改变趋势，从而起到减小偏差的作用，加入微分环节，会减小超调量，减小振荡，促使系统稳定性增强。2.2.2数字PID控制器rPID控制器主要是一种线性调节器，就是把给定值以及输出值y组合成的系统控制偏差e=r-y的比例环节、积分环节、微分环节，并将控制量进行线性

26、组合，即为PID控制器。传递函数：-7-北华大学毕业设计（论文）1etTGcsKpit0tedtTDtde(2.5)dtT主要是根据采样时间的偏差值计算系统的控制量，运用外接矩形法来进行简单的积分数值，并计算一阶后项差分的微分数值，当采样周期设置为的时候，位置式为：uKeTiee(2.6)TipTiieTDjii1j1当执行机构选择为控制量的增量时，可知：uuuiii1i1eDe2eKeeTiTipii1iTTei2(2.7)由上式能够看出在控制器里比例、积分、微分这三个关键环节都有明确物理释义。根据所给工程指标，可以很容易地掌握PID参数的整定方法，尽可能的获得最好的控制结果。然而，传统的P

27、ID控制被控对象的数学模型，并对模型参数的三个部分进行变化。在实际生产过程中的参数，不能实时变化。对于锅炉炉温控制系统来讲，一旦控制量变化了，其数学模型将发生改变，则需要重新计算这三个参数的值。显然在电锅炉的温度控制中，只是依靠传统PID控制器是没有办法满足其要求的。2.3模糊控制的基本理论2.3.1模糊控制的基本概念模模糊控制是智能控制的一个重要形式。它的智能是靠计算机模拟人的左脑模糊逻辑思维过程产生的，属于模拟智能的符号主义，不依赖被控对象的精确数学模型的非线性的智能控制17。模糊控制方法和普通定量法是具有不同特点的，其特点主要为：(1)用所谓语言变量代替或符合于数学变量。(2)用模糊条件

28、语句建立变量之间的简单关系。(3)用模糊逻辑算法描绘其复杂关系。-8-北华大学毕业设计（论文）2.3.2模糊控制系统的组成18模糊控制系统是一个基于反馈的闭环模糊控制系统。模糊控制系统由智能模糊控制器组成，模糊控制系统好坏主要取决于以下几个因素：模糊控制器结构、模糊控制规则、合成推理算法以及模糊决策。模糊控制系统的组成结构图如图2.3所示。图2.3模糊控制系统组成原理框图模糊控制系统是由被控对象、过程输入输出通道、执行机构、模糊控制器、检测装置等几部分构成的19。1.模糊控制器模糊控制器是各类模糊控制系统的主要组成部分，其实它就是一个微机，根据控制对象的不同特征，设计不同种类的模糊控制器，而在

29、模糊控制理论中，选用模糊控制器法语言类型的推理规则以及模糊控制的基础知识，这就是不同的模糊控制系统的主要特点。2.输入-输出接口通过I/O，模糊控制器的被控对象获得了新数字信号，把输出的数字信号通过数模转换，转变成模拟信号，最后把其传送给被控对象20。在I/O接口装置之中，除了A/D、D/A转换以外，还主要包括电平转换。3.执行结构主要包括各种直流电动机、交流电动机、步进电动机、伺服电动机等。4.被控对象被控对象主要是一种装置、设备，甚至是一种对象的过程。这些被控对象可以是任何情况和任何类型的。5.检测装置检测装置就是传感器，该传感器是把被控对象或过程转换成电子信号量控制装置。控制量主要是非电

30、量，例如加速度a、速度v、温度T、压力P等。而在模糊控制系统里，传感器则扮演着重要的角色，它的精度对系统的精度很重要。-9-北华大学毕业设计（论文）图2.4模糊控制器结构框图u是被控对象的输入，y(t)是被控对象的输出，s(t)是参考输入，e为误差。模糊控制器，它主要是按照误差信号产生符合要求的控制，并将输出发送给控制对象。模糊控制器可以分为模糊化接口、知识库、解模糊解口、模糊推理机四部分构成，而各部分功能如下：1.模糊化模糊语言变量是由模糊化确定的，然后把它转换成模糊语言变量，对应的隶属度定义了对应的语言变量值。模糊化接口主要完成了如下功能：(1)论域变换Xee和e是非模糊的变量，其论域是在

31、实际域上的真实论域，可以用和Y来表示21。模糊控制器要把真实的论域转变成内部论域X以及Y，不管是离散论域还是连续论域的控制器，都需要通过论域变换以后，把和e转化成E和EC。(2)模糊化E经过论域转换以后，、EC为非模糊的变量，将它分成几个单独的模糊集合。2知识库知识库是由两部分组成，即规则库和数据库，它主要包含了控制需要实现的目标和实际应用的知识。(1)把所有必要的定义都存放于数据库之中。所有的输入和输出变量的设置都在其相对应的论域以及论域的规则里，并使用模糊子集来进行定义，将其存放与数据库里面。当模糊控制器处于推理状态时，需要的数据主要由数据库提供给推理机。当模糊化接口进行模糊化时，以及解模

32、糊接口进行解模糊时，数据库则要同时为其提供相应的数据和论域。-10-北华大学毕业设计（论文）te(2)模糊控制的规则存放在规则库中。模糊控制规则是一个控制被控对象的知识模型。在现实生活中，对输入和输出论域对应的模糊子集往往用简单的符号来表示，PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、PO(正零)、ZO(零)、NO(负零)、NS(负小)、NM(负中)、NB(负大)。UNB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，还设定了每个模糊集合的隶属度函数。当时刻到来时，输入信号的以及e，通过论域转换成E以及EC，然后，可以通过隶属函数的定义得到了隶属度E和EC，例如NL(E)、NM(EC)、，这样就把普通变量

33、的值转化为模糊变量的值，实现了模糊化的基本工0作。E、EC是普通变量和模糊变量，当作为普通变量的时候，其值应在论域X与Y里，为普通数值；当作为模糊变量时，其值应在论域，1里，表示为隶属度。制定了输出量U的模糊控制规则表，如表2.1所示。表2.1U的模糊控制规则表EECNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNMNSZOZONSNBNBNMNSZOPSPMZONBNMNSZOPSPMPBPSNMNSZOPSPMPBPBPMZOZOPSPMPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB3模糊推理机模糊推理是由三部分组成：大前提、小前提以及结论。根据已知的规则库与输

34、入变量，经过模糊化引入新的模糊命题，将其作为结论的过程，即模糊推理。4解模糊u解模糊为模糊化的逆过程，把模糊推理结果生成的值，将其当做模糊控制器的输出量。解模糊接口主要完成如下两项工作：(1)解模糊：对于u同样要由真实论域Z转换成内部论域Z，则UZ的定义为几个模糊集合，设定其隶属度函数。模糊推理则是在其内部论域上来进行实现的，所得到的推理结果C就是Z域上的模糊矢量，其中的元素就是对于U在某个模糊集合上的-11-北华大学毕业设计（论文）C隶属度函数。而对于某个组输入量E和EC，则需要满足很多条不同的模糊规则，这样需要有很多个不同的推理结果，i是不同的模糊集合，用公式(2.8)求得C。iCCi(2

35、.8)i解模糊算法求法由：最大隶属度法、重心法、中位法等，则可以求得其内部控制量u的值。t，(2)论域反变换：将上面得到的UZ来实现论域反变换，就可以获得输出uZ，即为非模糊变量。2.3.4模糊控制器的结构1.单变量模糊控制器E一维模糊控制器如图2.5a)所示。在不同的模糊控制系统当中，均含有一个输入、输出变量的系统称为单变量的模糊控制系统，而输入变量是偏差量，输出变量是控制量的变化值U。二维模糊控制器如图2.5b)所示。其输入量是偏差变化E以及偏差量E，变化值U作为输出量，比一维控制器具有很好的控制结果，而且更容易微机的实现，是使用最多的一种控制器22。三维模糊控制器如图2.5c)所示。其输

36、入变量是偏差量E，偏差的变化量E以及偏差的变化量E，输出量是变化值U。而这种模糊控制器的结构比较繁琐，模糊推理运算的时间很长，不经常使用。-12-北华大学毕业设计（论文）图2.6单变量模糊控制器2.多变量模糊控制器在整个模糊控制系统里，比一个输入和输出变量多的系统就被称作多变量的模糊控制系统。在多个变量输入的模糊控制系统中，使用都是多变量模糊控制器。多变量模糊控制器如图2.6所示。图2.7多变量模糊控制器2.3.5模糊PID控制器的设计步骤PID根据上面叙述的理论，可以按照题目的具体要求设计出模糊控制器，其设计步骤如下：E确定控制器的输入、输出变量，同时确定了控制器的构造。主要是将偏差、偏差变

37、化率EC当做输入变量，PID的参数K、K、K及其增量K、K、pidpiK，当做其输出变量。d确定每一个输入、输出变量的论域，并再确定其量化的等级和量化比例因子。-13-北华大学毕业设计（论文）数设计每一个输入、输出变量的定义和其模糊的子集。最初应确定模糊子集的个数，再确定模糊子集上的语言变量，最终给每个语言变量选取对应隶属度函23。构造模糊规则。把操作人员的长期经验总结并汇集成一条条精炼的语句。创建模糊控制规则，并保障控制器的系统性能指标。建立模糊控制表。根据、和确定控制器的输出，作为PID参数的修正量，并把它和输入量根据一定的关系在表中写出，这样就构成了模糊控制表。计算出控制量。将采样的偏差

38、E和偏差变化率EC通过式，式后，代入式，求出PID的修正量，最后计算出最终的输出量，就是系统的控制量。用simulink进行仿真。对模糊PID控制器性能指标进行剖析，同时调整量化因24子和比例因子，使系统的控制满足预期的设定的效果。-14-北华大学毕业设计（论文）3基于模糊控制的电锅炉温度控制系统设计3.1电锅炉温度控制的工艺要求经过多年的研究，根据电锅炉的工艺要求，把锅炉炉温控制过程主要分为以下两个阶段：自由升温阶段：将锅炉的水温迅速升到设定好的值。保温阶段：当水温上升到设定值时，保持设定值不变。电锅炉可承受的最高温度为95，水温的检测元件选择数字式传感器。图3.1温度飞升曲线在绘制飞升曲线

39、时，阶跃信号是不从零点开始，不然会使系统造成很大的非线性，从而影响锅炉的正常工作。一般作法是把调节对象输入到使被控对象开环稳定运行时，并以此输出值作为纵坐标的原点，再在加入一个阶跃输入信号，使被控对象输出量也发生明显变化，最后稳定在一个值。根据上述方法可知锅炉炉温系统的传递函数为：G(s)=1.25(3.1)120s1-15-北华大学毕业设计（论文）3.2常规PID控制的仿真3.2.1PID控制器设计在Matlab软件的Simulink工具中创建一个传统PID算法，其结构图如图3.2所示。图3.2电锅炉传统PID控制系统仿真结构图3.2.2PID参数的整定经验法整定对于上一种仿真结果分析可知，

40、用经典法计算出的PID参数不一定能满足控制的要求。在实际控制的过程中，一般通过手动调节这些参数，来获得较好的控制性能。对电锅炉炉温控制系统来讲，经过对三个参数多次尝试后，可以得到较好的控制效果，如Kp=30，Ki=5，Kd=30。仿真结果如图3.3所示。图3.3经验法整定仿真图-16-北华大学毕业设计（论文）由图3.3可知，当给定值设为60度时，用经验法整定后的传统PID控制系统性能t指标为：调节时间=60秒，超调量%=20%，稳态误差e=0。ssss由PID参数整定方法的仿真结果图可知，传统PID控制的超调量较大，存在振荡现象。3.3温度控制系统中的模糊控制器先在MATLAB软件中的模糊逻辑

41、工具箱里，创建如图3.4的Mamdani型模糊控制器，利用模糊逻辑工具箱新建一个FIS型文件，并定义模糊控制器的输入变量为e和ec，输出变量为u。电锅炉模糊控制器图如图3.4所示。模糊控制器的输入、输出各个变量的隶属函数图如图3.5、3.6所示。由下图可知，输入变量e、ec和u的模糊子集设置为NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB，e和ec的论域设置为-6,6的区间，u的论域设置为-3,3的区间。e、ec以及u的模糊隶属度函数都选择为三角形隶属度函数。图3.4电锅炉模糊控制器-17-北华大学毕业设计（论文）图3.5输入变量E、EC的隶属函数曲线图3.6输出变量U的隶属度函数曲线控制规则的输入

42、是在RuleEditor窗口下进行的，用if-then的形式来表现的。总结后的温度控制规则一共有49条，如表3.7所示。-18-北华大学毕业设计（论文）表3.7锅炉温度控制规则表ecPBPMPSZONSNMNBePBPMPSZONSNMNBPBPBPMPMPSZOZOPBPBPMPMPSZOZOPBPBPMPSZONSNMPBPMPSZONSNMNBPMPSZONSNMNBNBZOZONSNMNMNBNBZOZONSNMNMNBNB经过表3.7锅炉温度控制规则表写入的规则，RuleEditor窗口规则键入如图3.8所示。图3.8RuleEditor窗口规则键入-19-北华大学毕业设计（论文）模

43、糊规则键入后，再在Matlab的Simulink中构建锅炉模糊控制器的整个控制系统，仿真结构图如图3.9所示。图3.9电锅炉模糊控制系统仿真结构图图3.10为当给定值为60度时，模糊控制器控制锅炉温度控制系统的仿真响应曲线图。图3.10模糊控制器系统仿真响应曲线图由图3.10可以看出，当采用模糊控制器控制电锅炉温度控制系统时的系统性能指0标为：调节时间t=60秒，超调量%=，稳态误差e=2。ssss3.4模糊控制与传统PID的比较模糊控制与传统PID的结构图如图3.11所示-20-北华大学毕业设计（论文）图3.11传统PID控制与模糊控制仿真结构图仿真结果比较如图3.12所示。图3.12传统P

44、ID控制与模糊控制对比的响应曲线图由图3.12，传统PID控制与模糊控制对比的响应曲线图可知，使用模糊来控制锅炉系统时，系统稳定性加强了，%减少了，调节时间也减少了，但是却出现了稳态误差。-21-北华大学毕业设计（论文）4模糊PID控制器设计4.1参数自整糊定模PID控制系统结构E根据传统PID控制以及模糊控制算法的仿真结果图可以看出，传统PID很容易产生超调量以及过渡时间。模糊控制的输入量为偏差和偏差变化率EC，其作用等同于PD控制器，这种控制方式，虽然具有较好的动态性能，但静态性能很不好，存在一定的静差。参数自整定模糊PID控制器结构图如图4.1所示。图4.1参数自整定模糊PID控制器结构

45、图糊传统PID控制算法的原理简单、操作便利、鲁棒性好，模糊控制算法的智能性高、灵活性好、系统控制较为精确等优点，因此，本文选择了一种参数自整定模PID控制器对锅炉炉温系统进行控制25。起到了优势互补的作用，以此来减小控制系统的振荡、超调和调节时间，做到大大提高系统的性能指标。模糊自整定PID的设计思路主要是建立在PID的三个参数K、K、K、偏差EpidE和偏差变化率EC这几个参数之间的模糊关系上，在不断的运行里，可以不停检测以及EC的值，并对PID三个参数K、K、K进行在线修正，来满足不同E和EC对pidPID控制器的三个参数K、K、K的不同要求。电锅炉系统输出响应曲线如图4.2所pid示。-

46、22-北华大学毕业设计（论文）图4.2电锅炉系统输出响应曲线设计模糊控制的关键在于总结操作人员的实践经验，并建立合理的模糊规则表。下面主要介绍了PID控制器的三个参数K、K、K对于系统输出的影响，并结合电锅pide炉系统输出响应曲线图，不同和ec时，K、K、K的整定要求为：pide(1)当e的值较大的时候，该系统的响应应该在图4.2为电锅炉系统输出响应曲线的第段，系统的响应速度较慢，需要加快系统的响应，从而防止偏差突然变大，同时可能会出现了微分过饱和现象，而引起超调量较大，这时应该除去积分环节，K=i0。K(2)当e和ec取中间值的时候，该系统的响应应该在图4.2为电锅炉系统输出响应曲线的第I

47、I段，系统的超调量较小，、K、K的取值不应过大，K的取值较小，pidpK和K的取值应该适中，从而确保能有较快的系统响应速度。id(3)当e的值较小的时候，该系统的响应应该在图4.2电锅炉系统输出响应曲线的第III段上，应将K和K值增大，加强系统的稳定性，避免出现振荡，同时还应注意pi抗干扰能力，取适合的K值，当ec的值较小时，K应该取大值，通常应该取比较合pd适大小；当ec的值较大时，K应该取较小值。d通过专家控制经验表明，当进入不确定性系统时，使用传统的控制方法，由于误差e以及其误差变化率ec较大，所以系统的不确定量较多，对其中不确定的量进行估计，可以对PID控制的三个参数K、K、K。pid

48、-23-KiKiE,ECKiKiKi(4.1)d该模糊控制器输入量为e和ec，输出量为PID参数调节参数K、K、K，北华大学毕业设计（论文）定义K、K、K调整算式如下：pidKKE,ECKKKpppppKKE,ECKKKdddd其中K、K、K是PID控制器的三个主要参数，K，K，K是K、K、pidpidpiK的初始参数，它们是由常规方法得到的。在线运行系统的过程当中，通过微机测控d系统不停的检测系统的输出响应值，即时的计算出偏差以及偏差变化率，将其模糊化得到E以及EC，经过查询模糊调整矩阵，能够得到K、K、K三个参数的调整，pid并调整控制器参数。pid二输入三输出模糊控制器，由对K、K、K的

49、调节规律，构成了控制规则，归纳成pid以下的参数调节规则，其模糊控制表分别如表4.1、4.2、4.3所示。表4.1K的控制规则调整表pKpECPBPMPSZONSNMNBEPBPMPSZONSNMNBNBNBNMNMNSNSZONBNMNMNMNSZOZONMNMNSNSZOPSPSNMNMNSZOPSPSPMNMPSZOPSPMPMPMZOZOPSPMPMPBPBZOZOPSPMPMPBPB-24-北华大学毕业设计（论文）表4.2K的控制规则调整表iKiECPBPMPSZONSNMNBEPBPMPSZONSNMNBPBPBPBPMPSZOZOPBPBPMPMPSZOZOPMPMPSPSZON

50、SNSPMPSPSZONSNSNMPSPSZONSNSNMNMZOZONSNMNMNBNBZOZONMNMNBNBNB表4.3Kd的控制规则调整表KdECPBEPMPSZONSNMNBPBPBPBZOZOZOZOPSPMPSPSZONSNSNSNMPSPSPSZONSNSNMNBZOPMPSZONSNMNMNBNSPMPSZONSNMNBNBNMPMZOZONSNSNSNSNBPBPBZOZOZOPSPS模糊控制器采用二维的Mamdani模糊控制器，模糊控制决策选用Max-Min，去模糊选用重心法(Centriod)，其模糊控制规则共49条。4.2构建模糊自整定PID控制系统仿真结构图在Sim

51、ulink中构建一个锅炉炉温的模糊自整定PID控制器的控制系统，其仿真结构图如图4.4所示。-25-北华大学毕业设计（论文）图4.4电锅炉模糊PID控制系统仿真结构图模糊PID控制的响应曲线如下图4.5所示：图4.5模糊PID控制响应曲线图如图4.5所示，从图中可以得出基于模糊PID控制器的系统的性能指标为：调节时间t=51秒，超调量%=16%，稳态误差e=0。sss由以上仿真曲线图可知，当选用模糊自整定PID控制方法控制锅炉温度时，系统的稳定性加强了，超调量减少了，而且调节时间变短，基本满足了技术要求。-26-北华大学毕业设计（论文）4.3总结%PID经过以上对传统PID控制方法、纯模糊控制

52、方法、模糊自整定PID控制等三种方法的响应曲线的研究和分析，可以得出结论。选用传统PID控制方法，较容易产生超调量和振荡，稳态误差较大；选用模糊控制方法，系统虽然稳定性加强了，超调量减少了，调节时间t也减少了，但是却出现了稳态误差；所以最后选择了模糊控制方s。法，同时克服了传统PID控制、模糊控制方法等弊端，而且实现了超调量小、调节时间短、稳态误差小等较好的性能指标2627因此本文选择模糊自整定PID控制器来完成对锅炉炉温的控制。-27-北华大学毕业设计（论文）5锅炉温度智能控制系统的硬件设计5.1系统总体方案设计控制系统的设计方案是设计该课题的一个重要环节，能否制定一个较好的方案对于这个课题

53、有着很重要的意义，同时能提高工作效率，保证工作顺利完成。需要简单的对锅炉炉温控制系统进行分析，以满足控制器的要求，并设计的总体方案如5.1图所示。图5.1系统总体方案设计图本课题主要选择Microchip公司生产的8位嵌入式微型控制器PIC16F877A作为主要的控制器。选择PIC16F877A单片机主要是因为其采用精简指令集、哈弗架构、指令流水线等机制，具有工作稳定，抗干扰能力强等特点，整个系统由CPU和控制面板构成。CPU主要实现室内温度、锅炉水温、水位信号的采集、滤波、算法控制和驱动继电器对交流继电器的通断的控制等工作。控制面板完成操作按键、显示功能和指示灯等功能的设计。该控制器具有结构

54、简单、控制精度高、通用性强的特点。5.2硬件电路设计5.2.1单片机的选择与电路设计本控制系统主要选择PIC16F877A单片机作为关键器件。PIC16F877A单片机是由Microchip公司出产的一种8位单片机，其内部选择RSIC指令系统以及哈佛总线结构，其最高运行的时钟频率可以达到20MHz，集成了4K14位Flash程序存储器以及192字节数据存储器，还具有13个中断源，PIC16F877A单片机的内部集成了128字-28-北华大学毕业设计（论文）节EEPROM，完全可以满足本课题的需要，而且EEPROM具有可靠的保存性，对于预设温度和各种参数值可以较好的保存其中，不会受到系统复位的影

55、响，为接下来所做的设计提供较的方便28。在接口与外设方面，PIC16F877A单片机的性能好，PortA、PortB以及PortC三组I/O接口为硬件设计提供了较大便利；片上集成的PWM模块和10位的A/D模块在硬件设计时可以充分加以利用，它可以缩小电路板的长度。1.复位电路PIC16F877单片机拥有较多的复位功能，例如：上电复位、电源掉电复位、一般操作下的强制复位MCLR、看门狗定时器复位、休眠状态模式下的MCLR和看门狗定时器复位29。在锅炉炉温控制系统中，PIC16F877单片机的引脚1与强制复位MCLR连接。2.时钟电路振荡时钟频率决定了单片机的运行速度。由于的单片机对于晶体的要求比

56、89C51单片机的要求较高，并且PIC16F877A单片机可以使用20MHz的时钟频率，当设计振荡电路时，可以选择时钟源为8MHz石英晶体振荡器，指令周期为4个时钟周期，因此，设计控制器工作指令周期时，应为500ns30。5.2.2单片机PIC16F877A简介PIC16F877A单片机的管脚图如图5.2所示。PIC16F877A的主要参数如下：1.具有高性能RISCCPU2.仅有35条单字指令3.10000次擦写周期4.除程序分支指令为2个周期以外，其余均为单周期指令5.运行速度：DC-20MHZ始终输入DC-200ns指令周期6.8K*14个FLASH程序储存器368*8个数据存储器字节2

57、56*8EEPRM数据存储器字节7.拥有14个中断源，功耗较低，可以在线实现串行编程，运行电压范围广8.拥有2个捕捉器，比较器和PWM模块PIC16F877A单片机的管脚图如图5.2所示。-29-北华大学毕业设计（论文）图5.2PIC16F877A的管脚图5.2.3温度检测电路设计1.测温元件的选取及性能特点本文的测量温度元件选择是数字温度传感器DS18B20，其工作方式主要是将温度信号转换成数字信号。由于每片DS18B20都只含有一串的硅串行数，因此可以在一条总线上任意接多个DS18B20芯片，DS18B20的特点主要是：测温范围大概为从-55到125，精度大约为0.5，A/D变换时间为20

58、0ms，具有非易失性的特点，这样为DS18B20减少许多外部的硬件电路。数字温度传感器DS18B20的温度值如表5.2所示。表5.2温度数据格式LSB2322212021222324MSBSSSSS262524-30-北华大学毕业设计（论文）00DS18B20主要实现对温度的测量工作，以12位转换为例：16位符号扩展以二进制补码的形式读数，以0.0625/LSB形式表达，其中S表示符号位。这是12位转换后得到的12位数据，把它保存在DS18B20的两个8bit的RAM中，而二进制里的最前面的5位为符号位，如果测得的温度比大时，最前面的5位为0，只须把检测到的数值乘以0.0625便可以得到真实的

59、温度值；如果温度比小时，最前面5位则为1，检测到的数值取反后加1，再乘以0.0625就是真实的温度值。2.DS18B20测温原理12计数门的通断主要取决于系数振荡器。计数器在低温时所产生的脉冲信号进行减计数，当计数器1的值变成0时，温度寄存器的值是+1，预置值被重新输入，并再次对低温系数进行减计数，等到循环到计数器计数0时，停止对温度寄存器的继续累加。3.DS18B20与单片机的接口电路当DS18B20在执行写操作以及温度进行A/D转换时，总线需要执行上拉操作，上拉电阻的启动时间最大为10s，I/O接口接4.7k的上拉电阻，DS18B20与单片机的连接方式如图5.3所示。图5.3DS18B20

60、与单片机接口电路5.2.4温度输出电路温度的控制主要是由加热功率所控制的，本文需要通过控制加热管的输入功率来完成对锅炉水温的控制。该次设计的主要执行器为固态继电器，单片机的输出信号和三极管和SSR的连接。当温度信号经过数字式传感器采样后，经过控制算法计算出控制量、输出量来控制SSR的开关。固态继电器SSR的原理图如图5.4所示。-31-北华大学毕业设计（论文）图5.4SSR的原理图单片机PIC16F877A的引脚RC1、RC2来连接2个SSR，如图5.4所示。当RC1、RC2输出1时，三极管导通，SSR输入电压，各自导通。SSR与单片的接口电路如图5.5所示。图5.5SSR与单片机的接口电路5