（控制理论与控制工程专业论文）智能型温差式火焰检测器的设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 智能型温差式火焰检测器的设计 摘要 火焰检测器是一种与工业生产过程中各种烧嘴或炉窑相配套的，用于 检测火焰，实现自动点火和熄火的保护装置。它是针对石油、化工、冶 金等行业以及大中型火力发电站的燃气、燃油锅炉的燃烧特点设计的， 主要用于高炉点火系统、转炉点火系统、荒煤气点火系统、沼气和天然 气点火系统及加热炉点火系统，还可用于火灾的检测。目前火焰检测已 成为燃气轮机和各类工业锅炉、蒸汽炉控制系统中的重要部分。在生产 过程中一旦燃烧停止就必须立即切断燃料的供应，错误的火焰检测信号 往往会导致设备跳闸或者火灾、爆炸等非常严重的后果。由此可见研制 火焰检测器是非常必要的。 火焰检测器利用传感器把检测到的火焰信号先转换为电信号，然后 对该电信号进行处理和显示。目前工业现场普遍应用的有紫外线、红外 线火焰检测器和离子式火焰检测器，但它们在恶劣环境下都不能真正地 完成火焰的检测。 本论文是在深入分析有关国内外各种火焰检测器的资料，并对国内 外现有的紫外线火焰检测器进行深入研究的基础上，密切结合工业生产 现场反馈回来的信息，然后将模糊控制理论应用于火焰检测过程中，从 而研制出了智能型温差式火焰检测器。该火焰检测器是根据火焰的温度 特性进行火焰状态的判断并把火焰信号转换为标准的4 2 0 m a 的模拟量 信号，依此来表征火焰的燃烧状况。在考虑环境温度的基础上，依据模 糊控制规则确定燃点处斜率的大小，随后测得现场温度并通过单片机计 。、 太原理工大学硕士研究生学位论文 算出上升和下降的斜率，从而判断出火焰燃烧的状态。在整个设计过程 中，首先考察了市场的应用及需求情况，确定了开发火焰检测器的可行 性，然后以单片机为主控制器设计了紫外线火焰检测器。又考虑到恶劣 的环境下检测探头容易沾上油污和粉尘而变得模糊，不能正确的检测火 焰的原因，设计了探头自清洁装置。经过系统调试并取得相关的实验数 据表明，该火焰检测器的最大检测距离可以达到4 5 米( 在火焰直径为 2 2 m m 的烛焰为光源的情况下) ，并且灵敏度非常高，基本上满足了现场 的要求。但是它的自清洁装置还存在密封不严等问题。鉴于此并经多方 面考察后确定了可以工作于恶劣环境下的智能型温差式火焰检测系统的 方案。这个方案不但弥补自清洁装置的缺憾而且可以应用于各种火焰检 测的场合。该方案得到认可后，绘制了原理图、购买了元器件、在实验 板上搭建了硬件电路并进行了软件的调试，然后制作了p c b 板并选择了 壳体，设计了贴膜，用c 语言和汇编语言完成了软件编程。 该火焰检测器利用温度差值变化的斜率来判断火焰的状态，满足了 快速性；利用传感器测温，实现了火焰检测系统使用的广泛性；考虑到 外界环境的影响采用了模糊控制算法，使其具有了很强的鲁棒性。总之， 该火焰检测器特别适合于恶劣环境下检测。它具有鲁棒性强、灵敏度高、 安全性好、实时性强、通用性强，有较高的经济价值和推广应用前景。 本论文的创新处一是应用模糊控制理论到温度式火焰检测器中，二是利 用现场温度上升和下降斜率满足了快速地判断着火点和熄火点的要求。 关键词：智能控制，火焰检测器，单片机，模糊控制，温差 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s i g n0 fi n t e l l i g e n tf l a a 伍d e t e c t o r w i t hd i f f e r e n c ei nt e e r a t u r e a b s t r a c t t h ef l a m ed e t e c t o rm a t c h e sv a r i o u sn o z z l e sa n df u r n a c e st od e t e c t f l a m e i ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s sa n dr e a l i z e sa u t o m a t i ci g n i t i o r ra n dd i s c h a r g e 船ap r o t e c t i o nd e v i c e i ti s d e s i g n e da i m i n ga tp e t r o l e u m ，c h e m i c a l ， m e t a l l u r g i c a le n t e r p r i s e sa n d 。m e d i u m - s i z e dp o w e rs t a t i o ng a s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，o ff u e lc o m b u s t i o nb o i l e r s i ti sm a i n l yu s e df o r - f u r n a c ei g n i t i o ns y s t e m s , r o t a r yf u r n a c ei g n i t i o ns y s t e m s ，r a wg a si g n i t i o ns y s t e m s ，g a sa n dn a t u r a lg a s i g n i t i o ns y s t e m sa n dh e a t i n gf 啪a c ei g n i t i o r rs y s t e m s ，b u ta l s of o rf i r e 。d e t e c t i o n i na d d i t i o n ，t h ef l a m e d e t e c t o rh a sb e o o m ea n i m p o r t a n tp a r to fg a s t u r b i n e s ，i n d u s t r i a lb o i l e r sa n ds t e a mf u l m a c e s i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ， w h e nb u r n i n gs t o p s ，m u s ti m m e d i a t e l yc u to f ff u e ls u p p l y t h ew r o n gt e s t s i g n a lo f t e nl e a d st oe q u i p m e n t st r i po rf i r e s ，e x p l o s i o n so ro t h e rv e r ys e r i o u s c o n s e q u e n c e s s o i ti sv e r yn e c e s s a r yt od e v e l o pt h ef l a m ed e t e c t o r t h ef l a m ed e t e c t o rf i r s t l yc o n v e r t sf l a m e ss i g n a li n t oe l e c t r i c a ls i g n a l w i t i ls e n s o r s ，a n dt h e nt op r o c e s se l e c t r i c a ls i g n a la n dd i s p l a yi t a tp r e s e n t ， u l t r a v i o l e t , i n f r a r e df l a m ed e t e c t o r sa n di o n - t y p ef l a m ed e t e c t o r sa r ew i d e l y a p p l i e d ，b u ta tt i m e sm e yc a nn o tt r u l yc o m p l e t ef l a m et e s t , e s p e c i a l l yi n a t r o c i o u ss u r r o u n d i n g s b a s e do nm a t e r i a la n a l y s i so nv a r i o u sf l a m ed e t e c t o r sa n dd e e p l ys t u d y o fu l t r a v i o l e tf i r ed e t e c t o r sa th o m ea n da b r o a d ，c l o s e l y c o m b i n i n g m 太原理t 大学硕士研究生学位论文 i n f o r m a t i o nf e e d b a c kf r o mt h ec i t e s ，d e s i g n i n t e l l i g e n tf l a m ed e t e c t o rw i t h d i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ea n da p p l yf u z z yc o n t r o lt h e o r yt of l a m ed e t e c t o r t h es y s t e mj u d g e ss t a t eo ff l a m eb yc h a r a c t e r i s t i co ff l a m ea n dt u r n sf l a m e s i g n a li n t os t a n d a r d4 2 0 m aa n a l o gs i g n a l st oe x p r e s st h ef l a m es t a t u s c o n s i d e r i n gt h ee n v k o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ，a c c o r d i n gt of u z z yc o n t r o lr u l e s o b t a i nt h es i z eo fb u r n i n gp o i n tg r a d i e n ta n dt h e nc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r e r i s ea n dd e c l i n es l o p et od e t e r m i n et h es t a t eo ff l a m eb u r n i n gb ys i n g l e c h i p d u r i n gt h ew h o l ed e s i g np r o c e s s ，f i r s t l yi n s p e c tt h ea p p l i c a t i o n sa n dm a r k e t d e m a n dt om a k ec e r t a i nt h ef e a s i b i l i t yo f d e v e l o p i n gf l a m ed e t e c t o r s ，a n dt h e n b a s e do ns i n g l e - c h i pc o n t r o l l e rd e s i g n i n gu l t r a v i o l e tf l a m ed e t e c t o r sa n d p r o b e w i t h c l e a n i n gd e v i c e s ，a n dc o m p l e t e t h e s y s t e md e b u g g i n g e x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a tt h ef l a m ed e t e c t o rc a l lr e a c ht h eg r e a t e s t d e t e c t i o nd i s t a n c e4 5m e t e r s ( 2 2 r a mi nd i a m e t e ro ff l a m ef o rt h ec a n d l el i g h t ) ， a n dw i t hv e r yh i g hs e n s i t i v i t y , b a s i c a l l ys a t i s f yt h el o c a lr e q u i r e m e n t s b u ti t s c l e a n i n gd e v i c e se x i s ts e a l e di s s u e s ，s of a rh a v en o tf o u n da s u i t a b l es o l u t i o n i nv i e wo ft h i sa n da f t e rm a n ya s p e c t si n s p e c t i n g ，i n t e l l i g e n tf l a m ed e t e c t o r w i t hd i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ei sd e s i g n e d i tm a k e su pt h ed e f e c to ft h e s e l f - c l e a nd e v i c eb u tw i d e l ya p p l i e st om a n yo c c a s i o n st h a tn e e dd e t e c tf l a m e a f t e rt h ep r o j e c th a sb e e na p p r o v e d ，c h o o s ec o m p o n e n t s ，e r e c tah a r d w a r e c i r c u i ta n dp r o d u c ep c bb o a r d ，c h o o s es h e l l ，d e s i g ns k i n ，c o m p l e t i n g s o f t w a r ep r o g r a m m i n gu s i n gcl a n g u a g ea n da s m t h ef l a m ed e t e c t o ru s e s s i n g l e - c h i pc a l c u l a t e dt e m p e r a t u r er a t eo fc h a n g et oo b t a i nr a p i d i t y ；u s e s s e n s o r st e s tt e m p e r a t u r et or e a l i z ea p p l i c a t i o nu n i v e r s a l i t y ；u s e sf u z z yc o n t r o l a l g o r i t h m st oh a v eas t r o n gr o b u s t n e s s i ns h o r t , t h ef l a m ed e t e c t o ri s p a r t i c u l a r l yw e l ls u i t e dt ot h eh a r s he n v i r o n m e n to ft h ei g n i t i o ns y s t e m 、撕t l l s t r o n gr o b u s t n e s s ，b 3 i g h s e n s i t i v i t y , g o o ds e c u r i t y , s t r o n gr e a l - t i m e , s t r o n g u n i v e r s a l i t y , h i g h e c o n o m i cv a l u ea n dt h eu s eo fe x t e n s i v e p r o s p e c t s i v 奎堕堡三盔堂堡主翌塞生堂垡堡奎 a p p l y i n gf u z z yc o n t r o lt h e o r yt of l a m ed e t e c t o r sa n dd e p e n d i n go nt h es p o t t e m p e r a t u r er i s i n ga n df a l l i n gs l o p et oj u d g ef i r eb u r n i n gp o i n t sa n de x t i n c t p o i n t sa r eb o t hi n n o v a t i o np o i n t s k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，f l a m ed e t e c t o r , s i n g l e c h i p ，昀c o n t r o l ， d i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的t 旨- , - g t ， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：蕉基亘堑日期：兰堕：垒：呈兰 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：石丽望日期：2 石生2 弓签名：歪璺璺三芏日期：兰竺查：生：兰墨 导师签名：缒! i ! 丝日期：型竺il ! ：兰翌 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 火焰检测器的发展过程 第一章绪论 最早的锅炉没有专门的火焰检测系统，一般是通过观火孔观察炉内的燃烧状况。 随着锅炉结构日趋复杂，传统的观火孔已不能满足锅炉安全运行的需要。 上世纪五十年代初出现了第一个火焰检测器，它是将硫化铅光学元件与低频 ( 5 0 7 0 h z ) 敏感电子网络结合起来进行火焰检测。硫化铅元件对任何燃料的燃烧都极 为敏感，可以很好的检测炉膛是否有火焰，但它对任何燃料的火焰都很敏感的特性又 使得在多燃烧器锅炉中不能很好的区别点火器火焰【1 和主燃料火焰 后来人们发现在火焰燃烧带的不同区域紫外光的含量变化剧烈，由此研制了紫外 线火焰检测器。紫外线火焰检测器是用紫外光敏管作为火焰检测元件，频谱响应范围 是紫外光波段，对相邻火嘴的火焰有较高的鉴别力，可用作单火嘴的火焰检测。但是 紫外光容易被介质吸收，并且在烟灰、油雾等污染环境下，紫外光敏管的灵敏度下降 严重，因此限制了它在燃烧重油和煤粉的锅炉中的应用。 随后出现了红外火焰检测器和可见光火焰检测器。红外线火焰检测器是利用煤粉 着火区( 初始燃烧区) 火焰红外线亮度和闪烁频率来检测火焰，由于红外线是不可见 光，所以检测器不受火光闪烁的影响，但受炉墙和灰渣红外热辐射的影响较大。 可见光火焰检测器是利用煤粉着火区火焰的可见光亮度和脉动频率来检测火焰， 它的问题是“偷看，严重，不能很好的区分相邻燃烧器的火焰。 以上的方法都属于辐射光能检测法，其检测系统是基于燃料在剧烈燃烧的过程 中，所释放出的电磁波能量。利用辐射光能检测方法检测火焰，就要充分考虑燃料的 成分和火焰辐射的光谱。一般辐射光谱的范围：紫外线波长为l o 3 8 0 n m ；可见光波 长为3 8 0 7 0 0 n m ：红外线波长为7 0 0 1 0 0 0 n m 。以油、气为燃料在燃烧时，其火焰 能辐射出大量的紫外线，其中油也能辐射出大量的可见光，而以煤为燃料时能辐射出 大量的红外线和可见光，这些能量就可作为检测火焰存在与否的基础。此外还有各种 各样的火焰检测方法，如烟色检测法、声波法、热能温度法、检出电极法、差压法、 太原理工大学硕士研究生学位论文 相关火焰检测法等。 1 2 火焰检测系统的分类 从是否直接接触火焰的角度来分，目前工业生产中应用的火焰检测器有接触式火 焰检测和非接触式火焰检测两种类型。 1 2 1 接触式火焰检测器 这类火焰检测器是将探测器直接与火焰接触来检测火焰的状态。最典型的是离子 式火焰检测器【2 】【3 】1 4 1 ，它是利用火焰中导电离子具有导电性的原理来检测火焰的状态。 缺点：不便安装、损坏率高、检测不准，目前用得很少。 1 2 2 非接触式火焰检测器( 辐射式火焰检测器) 这类火焰检测器是根据火焰燃烧所辐射光能的不同来检测火焰。又可分为紫外线 火焰检测器、红夕卜线火焰检测器和可见光火焰检测器嘲。 1 、紫外线火焰检测器 它是利用火焰本身发出的光线中含有紫外线的原理来检测火焰的状态，其常用的 传感器是紫外光电倍增管。由于煤和重油燃烧发出的紫外光非常弱，而且易于被介质 吸收，因而一般对煤、重油燃烧不使用紫外光检测器，而在燃气、燃烧轻油的锅炉中 用得较多。 缺点：紫外探头容易模糊，信号反馈不回来。所以火焰检测器的寿命较短，不能 完全满足现场的实际要求。 。 2 、红外线火焰检测器【6 1 它是通过检测火焰所发出的红外线来检测火焰的。在煤粉和油雾燃烧时，光强产 生的闪动性提供了红外线检测的依据。应用较多的有f o i u 屺y 公司的i d d 1 1 型、三 星仿照f o r n e y 的i d d i l l 型和i f m i i 型等同嘲。 3 、可见光火焰检测器 它是基于检测火焰的闪烁频率和强度这两个物理量来确认火焰的状态，由于它采 用了双信号检测方法，从而增加了火焰检测的可靠性。另外，可见光火焰检测器对红 外光有过滤作用，可滤除烟尘、炉壁的红外辐射，从而进一步了提高火焰检测器的可 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 靠性。应用较多的是c e 公司的f l a m e o n 和三星公司的i f m i h 型火焰检测器【9 1 。 4 、基于图像处理的火焰检测器【1 0 1 1 1 l 随着电子技术、计算机技术的发展，基于图像处理的火焰检测器正在逐步走向市 场，侧如：日本三菱公司就将图像处理技术应用在火焰检测器中，但是价格非常昂贵， 对于一些只关心火焰存在状况的厂家很难接受，故难以得到广泛应用。 5 、光电池火焰检测器 通过光电池将燃烧火焰辐射的能量转变成电压信号，然后测量电压信号的平均 值、波动值和波动频率，以此作为判断燃烧状况的依据1 1 2 1 。 1 3 国内外火焰检测技术的发展动态 1 3 1 国外对火焰检测器的研究 目前，国外对火焰检测器的研究大致分为如下两个方向f 1 3 】f 1 4 l 习： 。”。方向一：可见光式火焰检测器、紫外线式火焰检测器和基于检测火焰的亮度和闪 烁频率的红外线式火焰检测器。现在大部分锅炉火焰检测系统都是采用这三种火焰检 测设备【1 6 l 。但是此类检测器在实际运行中对油、燃气以及不同的煤种等负荷引起的火 区粒置的变化难以做到自适应，尤其是在动态工况下时有误报、漏报情况发生。况且， 探头很容易被油污、灰尘所覆盖，因此导致火焰检测的失败旧嗍。 方n - - ：8 0 年代，随着计算机软、硬件技术的迅速发展，特别是近年来多媒体 技术日益推广应用，众多研究者纷纷把目光投向了可视化的监视和控制系统，在这样 的前提下，数字图像处理技术开始应用于火焰处理中。把火焰电视与多媒体计算机系 统相结合，以人工智能、模式识别、神经网络口1 1 等新的理论为基础，结合数字图像处 理技术，开发基于火焰图像信号的火焰检测器侧，是国外众多研究者目光的集中点。 由这一技术设计研制的检测装置大都价格昂贵，虽然准确度较高但一般厂家难以接受 f l 9 】1 2 田。 1 3 2 国内对火焰检测器的研究 国内火焰检测器的开发和研制也已有几十年的历史。其发展经历了由早期的金属 探极型火焰检测器到基于火焰闪烁频率的火焰检测器的过程。像对国外的研制水平， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 我国在这方面的研究是比较落后的，从各类期刊、文献上收集的资料可以看到，有相 当一部分工厂使用的火焰检测器都是国外的。国内检测器存在的主要问题是：稳定性 不强、功能少、器件易老化等。从国内火焰检测器专利查询结果来看，火焰检测器专 利也为数不多。一部分检测器仍采用金属探极型，另部分只采用单传感器、双传感 器嘲鲫阅口川( 红外或紫外传感器) 和三个传感器 2 7 1 1 2 8 1 。由此可见，在我国设计通用 型的火焰检测器有很大的实际意义。 1 4 紫外线式火焰检测器 本人最初设计了一种紫外线火焰检测器，它是在对德国k r o m s c h r o d e r 公司和美 国h o n e y w e l l 公司生产的紫外线火焰检测器、四川成都旭光电子设备厂生产的火焰检 测器进行研究的基础上研制出来的。根据现场的要求还设计了探头自清洁装置。 该紫外火焰检测器主要由紫外线传感器、放大处理电路和探头自清洁装置组成。 紫外线火焰传感器是利用光电子发射效应而工作的二极管，管内是特殊气体作为放电 管工作。在只对紫外线敏感的光电面( 阴极) 和阳极之间外加电压时，阴极就会发射 光电子，由于电场的作用，光电子被吸向阳极，其输出微弱的电流，经放大处理后给 出火焰指示信号。它也可通过输出继电器触点的转换对外部设备进行控制。由于它不 受红外线辐射、炉膛温度的影响，从而具有抗干扰能力强、灵敏度高的优点，但是一 方面由于太阳光中含有紫外线会对其产生干扰，另一方面探头会沾上油污而变得模 糊，不能由始至终的进行火焰的检测。这些都会影响工作现场对火焰的检测，经过多 方调研、现场考察、方案论证，决定设计智能型温差式火焰检测器。 1 5 智能型温差式火焰检测器 完整意义上的火焰检测应该包括两个含义，即火焰是否存在和燃烧是否合理，前 者提供安全性信息，后者提供经济性信息，因此智能型温差式的火焰检测器的主要任 务包括：对火焰进行分析处理后准确判断火焰的存在与否；采集火焰燃烧强度的模拟 量信号，评定燃烧状况。 所谓的温差式智能型火焰检测器就是通过检测温度来完成火焰状态的判断，根据 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 温度的变化来判断火焰的有无及大小。这样既反映了火焰的状态又能知道火焰温度的 大小，极大限度地满足了现场的实时要求。 由于测温元件都具有热容性，不可避免的会出现温度的滞后现象，用检测装置检 测时就会受到很大的影响，不能实时地采集现场的温度值。本文采用热电偶测量现场 温度值的变化，根据单位时间内温度值的变化就得到了温度变化的斜率。由斜率的大 小来判断火焰的状态，可以在很短的时间内就完成火焰的检测。这样就避免了由于熟 电偶响应滞后造成的缺陷。 由于在一年中的不同季节、一天中不同的时问温度都是不同的，这样环境温度的 影响也导致火焰燃烧判断标准的不同。例如，在冬天温度低，对着火点处的温度要求 就高，而夏天对着火点处的温度要求就较低。这样就很难建立着火点的数学模型，。故 温差式火焰检测器采用了模糊控制理论，根据专家的经验积累来完成火焰状态的判 断。从而根据不同的环境温度，就得到了相应的着火点和熄火点，使得火焰状态判断 更加准确。 一 ； 电 1 j 6 选题的背景、目的和意义 毫 。 慧太原亚乐士新技术有限公司在自动点火和放散韵项目中，多次使用火焰检测器， 发现了火焰检测器所存在的根本问题( 不能在恶劣的环境中长期使用) 。在此基础上j 提出了要开发适合现场所需的火焰检测器。据此，考察了开发火焰检测器的可行性和 市场前景，并提出了本课题的设计思想和实施方案。 在工业燃烧炉的燃烧过程中，一旦意外熄火，而燃料继续投入，当再次点燃时， 就会发生爆炸等严重事故。因此，需要随时随地的对锅炉燃烧状况进行监测。燃料在 炉内燃烧时，发生化学反应会释放出大量的能量，这些能量以光能( 紫外光、可见光、 红外线) 和热能的形式释放，不同的能量形式构成了检测炉内火焰燃烧的依据，应用 不同的火焰特征可以设计出多种火焰检测器【2 9 】。但是不管是可见型、紫外线型和红外 线型，其检钡4 原理、信号处理方式基本上是一样的，所不同的是检测火焰的闪烁频率、 所采用的波段和安装方式。共同的特性都是先通过探头摄取火焰信号，进行光电转换， 把火焰信号转变成相应的电流信号传送给信号处理模块，进行数字化信号的处理，然 后把火焰的特征参数( 频率、强度、品质) 和背景火焰设定参数综合比较、判断，从 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 而得出火焰的综合特性。 采用光能来检测火焰时，都必须有感光元件探头。在火焰检测器开始工作的前 一段时间，确实起到了检测火焰的作用。但在恶劣的环境中，感光元件不久就会粘上 油污和灰尘，即使用空气吹扫也不能再正确的检测火焰。由于火焰检测器存在着这样 的技术缺陷，再加上火检自身的耐高温问题也不能很好的加以解决，经常发生镜片烧 损、光导烧损、信号电缆烧损等现象，既增加了运行费用，又加大了现场维护量，致 使灭火保护装置在不同程度上存在着重大的隐患。如果火检由于干扰的原因而误动停 炉，以2 2 0 t h 的锅炉计算，每次灭火再次启动所需的燃料费用约3 4 万元，也就是 说有那么多的燃料在尚未做功的情况下，被白白的浪费掉l j u j 。因此，有必要寻求一 个既实用、抗干扰性强又经济的方法。 根据上述的原因，本文提出了用热电偶检测火焰，判断火焰状态的方法。根据火 焰在燃烧时产生的热量来检测火焰，由于热电偶检测温度具有较大的滞后性，它不能 达到快速判断火焰的要求。基于此采用温度上升的趋势进行火焰判断，有效地解决了 热电偶测温的滞后性，达到快速判断火焰的目的，并且不受外界环境的影响，抗干扰 能力明显增加，使用的寿命也会有所延长。 本文的创新点一个是利用现场温度变化的斜率进行火焰状态的快速判断，另一 个，就是把模糊控制理论与环境温度结合起来，以排除环境温度的变化对判断造成的 影响。 1 7 本论文的主要内容 本论文共分为七章。 ， 第一章概述了火焰检测器的发展过程、研究方向及分类；简要的阐述了紫外线火 焰检测器和本论文的智能型温差式火焰检测器；叙述了选题的背景、目的、意义及创 新点；在此基础叙述了本文各章节的工作安排。 第二章重点介绍了模糊控制理论及其在火焰检测系统中的应用，包括模糊控制算 法的原理、模型的建立，重点介绍了模糊控制理论在智能型温差式火焰检测器中的应 用。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章着重介绍了智能型温差式火焰检测器的硬件设计，包括核心部件单片机、 电源部分、温度采集模块、继电器控制、显示部分和按钮部分。 第四章简要的阐述了单片机的通信部分。 第五章是软件的设计，包括主程序的设计、中惭程序的设计、环境温度采集程序 的设计和现场温度采集程序的设计等。 第六章简要的介绍了印制电路的抗干扰措施。 第七章对本论文所做工作进行了总结和展望 辑 譬 墨 量 露 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章模糊控制理论及其在火焰检测系统中的应用 2 1 模糊控制理论 随着单片机性能的不断提高，它在家用电器、工业控制等领域中的应用也越来越 广泛单片机组成的系统，其控制方式通常有顺序控制、数字程序控制及直接数字控 制。这些控制方式在实际中已得到了成功的应用，但它们存在一个很大的缺陷，就是 必须预先知道被控对象的数学模型，尽管模型只是实际系统的近似描述，但却要求其 表现形式是精确的，这样才能根据被控对象的数学模型设计相应的控制算法，并用单 片机通过软件编程来实现控制【3 1 1 。但在实际系统中，对那些非线性、时变的复杂系统 以及难以建立数学模型的系统，用以上这些控制方式就无法实现有效的控制。 智能控制是一类无需操作人员的干预就能独立的驱动智能机器实现其目标的自 动控制【3 2 1 。模糊控制是智能控制中的一个十分活跃的研究和应用领域。随着模糊数学 的发展，以模糊控制理论为基础的单片机模糊控制技术日益得到了人们的关注。它以 单片机为核心，用模糊控制方式取代原来的常规调节器，根据模糊控制算法编制软件 程序，对那些难以建立数学模型的系统进行有效控制。而控制算法又是程序的灵魂， 选择算法是编制好程序的一个非常重要的保障。在本课题中，一方面存在着环境温度 大小是随机的，难以建立精确的数学模型；另一方面环境温度对于完成火焰状态的判 断不是十分复杂，故本论文选用了两维的模糊控制算法。 2 1 1 控制理论的发展 在自动控制产生之前，人们在生产过程中只能采用手动控制方式。手动控制过程 通过观测被控对象的输出，根据观测结果做出决策，然后手动调整输入实现控制。由 于科技的进步，人们逐渐地采用各种测量装置( 如传感器，检测装置) 代替人的眼睛， 完成对被控量的观测任务；利用各种控制器部分地取代人脑的作用，实现比较、综合 被控制量与给定量之间的偏差，控制器给出的输出信号相当于手动控制过程中人脑的 决策；使用各种执行机构( 电动的、气动的、伺服电机、气动调节阀等) 对被控对象 ( 或生产过程) 旖加某种控制作用，这就起到了手动控制中手的调整作用【3 3 】 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 上面所描述的自动控制系统，就是人们所熟知的常规负反馈控制系统。其结构如 图2 1 所示。 给 图2 - 1 常规负反馈控制系统方框图 f i g 2 1r o u t i n ef e e d b a c kc o n t r o ls y s m mb l o c kd i a g r a m 经过人们长期的研究和实践，形成了经典控制理论，? 用以解决线性定常系统的控 制问题是行之有效的。但经典控制理论对于非线性时变系统束手无策。随着计算机的 发展，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展。基于状态变量描述的现代控制理论对 予解决线性或非线性、定常或时变的多输入多输出系统问题，获得了广泛的应用。 无论是经典控制理论还是现代控制理论都需要事先知道被控对象或者生产过程 的精确数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进 i 控制系统的设计。然而，在多数的情况下，被控对象或生产过程的精确数学模型是 很雒建立的如外界的实时温度等。对于难以实现自动控制的一些生产过程，有经验的 操作人员利用手动控制却可以收到令人满意的效果。因而人们又开始考虑人的控制行 为有什么特点，对于无法构造数学模型的对象，能否让计算机模拟人的思维方式，做 出控制决策，实现自动控制呢? 嗍【3 5 1 总结人的控制行为，正是遵循反馈及反馈控制的思想。人的手动控制决策可以用 语言加以描述，总结成一系列条件语句，即控制规则。运用微机的程序来实现这些控 制规则，从而起到了控制器的作用于是，在被控对象的数学模型无法建立的过程中， 利用微机取代人可以进行自动控制。 在描述控制规则的条件语句中，有一些词，如“较大”、“稍小”、“偏高 等都具有 一定的模糊性，可以用模糊集合来描述这些模糊条件语句，即组成了所谓的模糊控制 器。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 模糊集合理论 1 、模糊集合和隶属函数1 3 6 1 1 3 7 人的大脑即使在仅有不精确、不完整的信息的情况下，也能够进行判断。但计算 机只有当给定准确的信息后，才能够做出正确的思维、推理和判断。模糊集合理论正 是为了模仿人脑的这种功能而产生的，它提供了系统的、以语言表示这类信息的计算 工具，通过引入隶属度概念来表示语言变量的多义性和不确定性，进行数值计算。 模糊逻辑在控制领域中的应用称为模糊控制。模糊控制的最大特征是，它能将操 作者或专家的控制经验和知识表示成用语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去 控制系统，“如果则”是规则的基本形式。语句的前半部分是条件或前提，后半部 分是结果，因此这种规则蕴含着一种逻辑推理【3 s 】网。模糊控制器是一类非线性控制 器。模糊控制器特别适合于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。 所谓在域x 上的一个模糊集合a 是指对任何x x 都有一个数队( ) 【) o ，1 1 与之 对应，并且称为x 属于模糊集合a 的隶属程度：即指的是映射 卧：x 一 o ，1 】x 一卧( x ) 映射t t a 2 t 被称为模糊集合a 的隶属函数( m e m b e r s h i pf u n c t i o n ，简称m f ) 。从 定义可以看出，隶属函数卧( x ) 就是模糊集合a 的特征函数，它给出了x 属于a 的 模糊程度的定量表示。 ， 2 、模糊集合的运算和性质 并、交、补是经典集合中最基本的运算，模糊集合也有类似运算。分别介绍如下： ( 1 ) 模糊集合的并又称析取。两个模糊集合a 和b 的并是模糊集合c ，写 作 c = a u b 或c = a o r b ，c 的隶属函数与a 和b 的隶属函数的关系为 ( x ) = m a x ( h a ( x ) ，t t b ( x ) ) = t t ( x ) vp b ( x ) ( 2 1 ) 显然，并的一个更直观的定义是包含a 和b 的“最小模糊集合。 ( 2 ) 模糊集合的交，也称合取两个模糊集合a 和b 的交是模糊集合c ， 写作c = a n b 或c = a a n d b ，c 的隶属函数与a 和b 的隶属函数的关系为 ( 】( ) = m i n o t a ( x ) ，( x ) ) = 队( x ) pb(x)(2-2) 。即a 和b 的交是它们所包含的“最大”模糊集合。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 模糊集合的补，或称否。记为a 或n o t a ，其与a 的隶属关系为 i l 孑( x ) 2 1 一队( x )( 2 3 ) 模糊集合还具有许多与经典集合相同的性质： a 、等价关系 a = b p a ( x ) = 阳( x ) ，v x x ( 2 - 4 ) b 、包含关系 a c b p a ( x ) cp b ( x ) ，v x x( 2 - 5 ) c 、复原律( - - 重否定律) 爿= a ( 2 - 6 ) d ：对偶律 ， a u b = anb ，a n b = a u ( 2 - 7 ) 但对于经典集合成立的排中律和矛盾律，对模糊集合却不成立，即 葶 一一 。a u a x ，ana甲(2-8) 鼍 2 1 3 模糊推理和模糊决策 事z a d e h 3 捕 4 0 j h 、j a g o g n e n1 4 2 和j p a v e l k a1 4 3 【4 椰咒提出语言变量是一个模 糊字集，它是一些用语言方式写出来的命题，这些命题的演算和推理是通过模糊集合 完成的，是一种非布尔逻辑。 i f aa n dbt h e nc ”是用语言方式表达的一条逻辑规 则。a 、b 和c 都是模糊变量，它们是由隶属函数决定的。霄和“r h 瞰，是条件和 结论。模糊逻辑推理就是用语言形式表示的一种逻辑推理关系，与一般的逻辑一样， 它也可以用逻辑关系式来表达。其运算关系逻辑与、逻辑或和逻辑非与前面所述的模 糊集合运算实质上是一样的。 、 模糊决策是指在模糊环境下，按照一定的模糊规则通过模糊推理对一个目标进行 决策。因为模糊集合处理非定量信息的能力较强，所以人们经常采用模糊决策的方法 来进行有不确定因素存在情况下的目标决策和优选州m 。 2 1 。4 语言变量 模糊集合理论【柏1 提供了一种描述模糊或不精确概念的系统分析与运算方法。更进 一步，可以利用模糊集合来表示语言变量。一个语言变量是一个在词集t ( ) ( ) 上取值的 太原理工大学硕士研究生学位论文 变量，词集t ( x ) 上的元素对应于自然语言中的词语，它可以表述为论域u 上模糊集 合的名称，即词集t ( x ) 上的每一个词对应于一个数值论域u 上的一个模糊集合，并 通过模糊集合的名称和该模糊集合相对应。扎德将语言变量定义为一个五元组，即定 义：一个语言变量可以用一个五元组t 0 p ，u ，c o , m ) 来表示，其中x 为语言变量的名 称；t ( ) ( ) 为x 的语言集，即语言x 取值名称的集合；u 是论域，以u 为值域的基本 变量记作u ；g 是语言取值的语法规则，用于生成语言变量x 的词集t ( 均；m 是语 义规则，对于每个语言值x 、m 、是u 上的模糊集合，表示语言值的语义。一般情况 下，语言变量可以由语言变量的名称x 表示。 在自然语言中，常常遇到比如“很年青”、“不老”、“不高不低”等词语，这些词可 以看作是对词语年青”、“老”、“高”或“低”的逻辑运算或加以修饰的结果。又诸如词 语“年青”、“老”、“高”和“低，等生成词语“很年青”、“不老”、“不高不低”的法则可以 看作是自然语言变量的经验生成规则。自然语言变量的生成规则有相应的语义规则与 其对应。 设x 是一语言变量，x t ( 萄，和x 相对应的模糊集合为m x ，以下是一些自然 语言变量生成规则的语义规则表示 “很”：m 根) f 弧( u ) 尸 ( 2 - 9 ) “不”：m x = l - m x ( u )( 2 - 1 0 ) 或多或少”：m 彩鼢) 商叙( 1 1 ) o 5( 2 1 1 ) 语言变量的逻辑连接词，比如“与”和“或”定义为相应的集合运算。比如 r a i n 视 为逻辑连接词“与”， m a x 视为逻辑连接词“或”。 2 1 5 模糊控制的基本原理 l 、模糊控制算法 模糊控制的基本原理如图2 - 2 所示。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 2 模糊控制原理框图 f i g 2 2f u z z yc o n t r o lp r i n c i p l eb l o c kd i a g r a m 它的核心部分为模糊控制器。它通常情况下有两种组成方式，一种是由模糊逻辑 芯片组成的硬件专用模糊控制器，即用硬件芯片来直接实现模糊控制算法；另一种是 用微处理器组成硬