电锅炉温度控制系统的模糊控制研究

1、科技论坛中国高新技术企业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控制的电锅炉温度控制系统，其性能明显优于传统的温度控制系统。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引言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、自动化程程度高、安装检修方便等特点，是理想节能环保型的供暖设备。我国电锅炉的应用起步较晚，且存在控制水平不高、算法粗糙简单、控制效果不佳、输出易产生

2、振荡且超调量大等缺点。本文设计的智能温度控制器用于电锅炉的控制，可根据用户的要求，将室温自动控制在某一范围；可根据系统负载自动调节，保持供热稳定；采用全自动化的程序控制又使得安全检修方便。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控制很难实现预期的控制效果，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。本文设计一种与模糊控制（）相结合的控制系统，即混合模糊控制，改善了模糊控制系统静态性能欠佳的不足。采用软件对电锅

3、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。控制算法的设计与仿真温度控制算法的设计本设计采用与模糊控制相结合的方式，即混合模糊控制。由于模糊控制器为型控制器，它只具有模糊化比例和微分作用而没有模糊积分作用，这就造成系统动态性能好，静态性能欠佳。因此，为了改善静态性能、提高控制精度，把控制引入模糊控制器中构成混合型模糊控制器，利用比例积分作用来获得较高的稳态精度和较快的动态响应速度。不仅具有控制精度高的特点，同时还有模糊控制灵活适应性强的特点，如图所示图混合模糊控制原理图模糊控制器和控制器采用并联形式组合，控制器的输出是模糊控制和控制之和，如式（）

4、所示：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，要使其达到最佳运行状态和安全生产，应该具备以下功能：温度控制、炉膛负压（）自动检测和控制功能，包括水位控制、力控制。（）其中（）是连续变量，所以（）也是连续变量。因此混合型模糊控制器不仅可以消除极限环的振动，还可以完全消除跟踪误差。由图可知在混合型模糊控制器的设计中，二维模糊控制器的设计是比较复杂的，是控制系统设计的重点难点。（）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。吹扫时间、启停时（）能根据实际情况灵活设置报警温度上限、间等参数。无扰动切换等其他功能。（）无平衡、本文所设计的

5、温度控制系统主要包括单片机（）、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；继电器主要是将单片机的输出量进行转换，用来驱动控制循环泵的启停和紧急状况下控制电源的切断等；控制面板主要实现按键操作、功能显示及状态指示等功能。此外，该控制系统还通过口实现与上位机通信的功能，工作过程如下：温度传感器采样温度信号，传到单片机与其设定温度值进行比较，得到温度偏差和偏差变化率作为模糊控制器的输入，模糊控制器输出控制信号，经单片机转化为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（）来描述的，因此模糊控制器是一种语言控制器，故也称

6、为模糊语言控制器。事实上，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形式的规则进行控制的。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法，因此非常适合非线性的多输入多输出系统。模糊控制器有一维模糊控制器、二维模糊控制器、多变量模糊控制器、自调整因子模糊控制器等多种结构。本设计采用二维结构，以被控量的误差和误差变化率作为输入，输出一个控制变量，保证系统的稳定性和可靠性，不会产生振荡现象。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环泵的工作。输入量的模糊化将

7、输入误差和误差的变化率及输出控制变量进行量化处理，分成个量化等级，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：、。的基本论域采用（，），量化因子；的基本论域采用（，），量化因子；的基本论域采用（，），比例因子。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科技论坛中国高新技术企业分的模糊子集

8、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及其变化率的隶属度函数，以及输出语言变量控制量模糊判决模糊控制器的输出是一个模糊集合，它反映了控制语言的不同取值的一种组合，因为被控对象只能接

9、受一个控制量，因此需要从输出的模糊子集中判决出一个精确的控制量，也就是设计一个由模糊集合到普通集合的映射判决（清晰化）。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（，），以它作为待判决输出模糊集合隶属度（）的加权系数，即取乘积，再计算该乘积和的平均值（），如表达式（）所示。的隶属度函数，如图所示。#（）（）#（）式中，为模糊变量个数，为模糊变量，（）为对应模糊变量的隶属度函数。图偏差、偏差变化率和控制量的隶属度函数本设计中取，由公式（）求出平均值，作为模糊控制器的精确输出。对电锅炉温度

10、控制系统进行仿真，仿真曲线如图所示。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，如表所示表模糊控制规则表图混合模糊控制系统响应曲线由仿

11、真结果可以算出此模糊控制策略有较小的超调量（）和较短的调节时间（）有较好的控制效果。结论本文设计了基于模糊控制的电锅炉温度温控制系统，经仿真分析可知：改系统明显优于传统的温度控制系统，具有很好的动态性能和稳态精度，是一种比较优越的控制策略。参考文献李友善，李军模糊控制理论及其在过程控制中的应用国防工业出版社，（作者单位系哈尔滨商业大学）$（上接页）材料名称表观密度（）最高使用温度（）抗压强度（）导热系数（）吸水率（）岩棉保温板，玻璃棉毡，聚苯乙烯泡沫塑料板，干燥后便形成保温性能优良的隔热层。此种材料施工方便，保温性能良好。其中聚苯颗粒可以采用工业品，也可以采用废旧聚苯保温板经机械破碎后的颗粒，这对于防制白色污染、保护环境十分有益的，但此种保温材料吸水率较其他材料为高，使用时必须加做抗裂防水层