基于单片机的船舶辅助锅炉智能控制系统

基于单片机的船舶辅助锅炉智能控制系统

目前，国内多数船舶的机舱服务设备仍采用大量的继电器、接触器、时间继电器组成,

实现各种控制功能，它们的共同特点是线路复杂、可靠性差、有时容易出现误动作，特

别是触头氧化及铁芯与衔铁弄脏后的吸力不足，机械运动部件运动不灵活而出现被卡烧

环线圈等故障，给维护过程带来极大不便，甚至会影响正常营运工作，而且，这种设备

体积大、重量重、价格贵。因此采用先进的设计思想对船用控制系统进行全新设计尤为

必要。

1单片机智能辅助锅炉控制系统原理

基于单片机的船舶辅助锅炉控制系统的工作原理如图1—1所示。系统的被控对象是

锅炉，执行机构是锅炉的风、油门驱动电器，被控参数为锅炉内的压力，本系统利用压

力传感器检测锅炉内的压力，传感器输出的电信号经信号变换后送至单片机智能控制器,

控制器根据此信号的大小，利用智能控制算法计算出输出控制信号，经放大器放大后以

调节风、油门的大小，从而控制锅炉内的压力。

reiI险■面供SR*系统。RM

2智能控制器的设计

众所周知，二阶系统是工程上最常见而又最重要的一类系统，这一系统的形式代表

了许许多多控制系统的动力学特征。正因为如此，经典控制理论将二阶系统作为典型系

统，并通过对二阶系统阶跃响应的过渡过程分析，定义了表示系统控制质量的一些特征

量，其中以调节时间、最大超调量和稳态误差3个特征量作为性能指标。但是，控制系

统的动态过程是不断变化的，以常规PID控制器控制，难以解决稳定性和准确性之间的

矛盾，原因在于这种控制方式以不变的统一模式之间的矛盾，原因在于这种控制方式以

不变的统一模式来处理变化多端的动态过程。

为了有效地模拟人的智能控制行为，并采用微机实现智能控制，在模糊控制中通

常采用误差e和误差变化率Ae作为描述控制系统动态特征的输入变量。根据船舶辅助

锅炉控制系统的特点，从误差e和误差变化率Ae这两个基本的模糊控制变量出发，引

出两个特征变量e-Ae和Ae/e,利用这些信息设计智能控制器。

B2-I

2.1利用e-Ae取值量是否大于0,可以描述系统动态过程误差变化的趋势

对于图2—1所示典型二阶系统阶跃响应动态曲线可知，当e-AeV0时，如BC段

和DE段，表明系统的动态过程正向着误差减小的方向变化。当e-Ae>0M，在A3段

和CD段，表明系统的动态过程正向着误差增大的方向变化。

在控制过程中，微机很容易识别部・Ae”的符号，从而掌握系统动态过程的行为特

征，以便更好地制订下一步控制策略。

2.2利用Ae/e描述系统动态过程中误差变化的姿态

如图2—1中A、C、E点的IAe/el较大，说明该点处的某一段，动态过程呈现误

差小而误差变化率大，B、D点的IAe/eI较小，说明该点处的某一段，动态过程呈现

误差大而误差变化率小。将Ae/e和e-Ae联合使用，可对动态过程作进一步的划分。

2.2.1如图2—10A段，e>0,e-Ae<0,实际值正不断地接近设定值，若Ae

>a,(a为根据需要而确定的常数)表明实际值趋向设定值的强度较大，为防止过冲，

应减小控制器的输出。此时控制器的输出U(k)为：

(/(A)«(/«-1>•(i-l>

ki、kz为大于0的系数。在0A段e(k)>0,Ae/e<0,而且在A点处IAe/eI

值最大，0点处IAe/el值最小，说明，输入从0点上升到A点的过程中，U(k)先是

增加，但越接近A点U(k)值增加越少，在靠近A点的某一段U(k)值开始逐渐减小，

这样可以防止被控系统动态过程由于惯性而产生较大的超调，适当选择仁和%的值，既

有利于减小超调而又不致于影响上升时间。上的作用在A点处最强。

2.2.2如图2—1AB段，e<0,e-Ae>0,实际值正不断地远离设定值，在

A点处IAe/eI最大，在B点处IAe/eI最小，为了使系统尽快地进入稳定状态，此

时应减少控制器输出：

I)♦♦)♦*4'Jr/r(2-2)

式中：k3>0；k..<0；故k”的作用在A点处最强。

2.2.3如图2—1BC段，e<0,e•Ae<0,实际值正不断地接近设定值，由于

系统的惯性，输出值经C点后并没有进入稳态，而是到达D点，故在C点附近应加大U

(k)：

D♦AEA)•1«・&/•(2-3)

式中：k5>0；k6<0；故ks的作用在C点处最强；

2.2.4如图2—1CD段，e-Ae>0,e>0,应增加控制器的输出。

U(k)=U(k-1)+k?e(k)+k«•Ae/e(2—4)

式中：k7>0；k8>0；故院的作用在C点处最强；

上述各参数的在线整定很重要，直接影响控制性能，根据控制趋势，应有k|>k|>ks

>k7^0,k2>IkJ>Ikd>鼠20,若k,2、k；、院、k8为0,则没有该项的控制作月。

2.2.5当IeI偏差过大，采用砰一砰控制，输出控制量最大（或最小），

尽快减小偏差，即

,，一

因为本控制系统的执行机构为电动阀门，所以IU对应的状态为阀门全开，U*对应

的状态为阀门全关。

2.2.6当IeI<e小时，偏差已达到允许范围，控制量不变，维持原状，即

智能控制算法流程图如图2-2所示。

3智能控制器在8032单片机上的实现

3.1硬件设计

整个系统硬件电路由CPU及外围芯片组成，其结构框图如图3—1所示，完成数据采

集、声光报警、输出控制、键盘输入及显示、监控定时等功能。

3.1.1数据采集部分由压力传感器、变送器、精密电阻、A/D转换器等组成。变

送器将来自压力传感器的压力信号转换成4〜20mA的电流信号通过精密电阻再将其转换

成1~5V的电压信号，此信号经ADC0809送入CPU。

HA，

r?।系执便件结构体制

3.1.2本系统CPU采用8032单片机，在此基础上进行以下扩展：以一片16KX8

位CMOS静态E-PR0M27128作为程序存贮器，以一片8KX8位CMOS静态RAM6264作为数

据存贮器，附加一片DS1216多功能日历时钟，DS1216器件内部包含振荡电路和后备锂电

池，它的上面附带有一个28脚插座，插入RAM6264后可以保持RAM中的数据在停电时也

不丢失。以一片8155作为扩展I/0口，其中巳口作为检测信号输入口，R口作为声光

报警输出口。

3.1.3输出控制部分由信号输出，信号驱动及驱动电机组成，控制信号由CPL・经

DAC0832数模转换后送出,经驱动电路放大后送给驱动电机控制锅炉风门及喷油电磁阀的

开度，进而控制锅炉内压力的大小。

3.1.4键盘显示部分采用专用键盘显示芯片8279,该芯片具有自动对键盘显示器

扫描并识别键盘上闭合键号的功能，不仅可以大大节省CPU对键盘显示器的操作时间，

从而减轻CPU的负担，而且显示稳定、程序简单，不会出现误操作。键盘部分主要用于

输入智能控制算法的一些初始值及参数，显示器采用8位LED显示器。

3.1.5监控定时部分，为防止由于外界电源、电磁辐射等引起的干扰使程序偏离

正常的控制流程，进入死循环，造成系统故障，本系统利用定时器及分频器，由硬件构

成Watchdog,实现监视定时器定时复位功能。

3.2软件设计

软件设计主要包括：水位控制，燃烧程序控制，压力智能控制，安全保护等模块。

3.2.1工作原理

为了使锅炉安全运行，控制锅炉启动有一定的程序，当锅炉水位正常，即水位处于

高水位与低水位之间（P1.1=0，P1.2=0），蒸气压力低于最大允许点火压力（P.4.1=1）

时，风机将自动启动（置P-=l）,先进行40s的预扫勺，此时风门最大（直接置DAC0832

输出为FFH）,以排除残存在炉膛内的油汽，防止点火时发生冷爆，预扫气快结束时，接

通点火变压器（置九6二1）,启动燃油泵（置P.5=l）,把风门及喷油电磁阀开度调小

（直接置DAC0832输出为一个较小的值），以利于点火成功。这时炉膛内风、油、火齐

全，如点火成功，光敏电阻阻值下降（P-=0）,点火变压器停止点火（置R.6=0）,

这样燃油经电磁阀继续喷到已点着的火焰上，在风机的助燃下正常燃烧，进入压力智能

控制程序，如果点火失败，光敏电阻阻值很大（PA,o=D,则系统发出点火失败声光报

警（置巳」=1）,并自动进行第二次循环，关闭风门及喷油电磁阀（置DAC0832输出为

00H）,从40s预扫气开始循环，若第二次循环仍未点火成功，系统停止工作（置V」

=1）且声光报警。

当正常燃烧突然熄火（已。=1）,系统发出中途熄火声光报警（Wiv2=l）,同理，

程序控制系统自动从头开始，等待炉内压力下降至PA「=1，然后进入40s预扫气，重新

点火启动。

当锅炉正常燃烧后，本系统按照智能控制算法控制风门及油门驱动电机以控制风、

油门大小，使炉内压力维护在一个稳定的范围内。

本系统的水位控制由直接放在主程序之前及之后的高低水位判断指令来决定是否启

停给水泵，若检测到高水位信号（PL2=1），说明之前启动过给水泵，此时应停止给水

泵工作（置3.3=0）反之，若检测到低水