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恒温电热水炉控制系统设计毕业设计论文

毕业设计论文

恒温电热水炉控制系统设计

摘要

电热水锅炉是一种新型的机电一体化产品，是目前较为理想的环保、节能型供暖设备。

由于电热水锅炉的温度、水位控制都具有非线性、大惯性、大滞后以及难以建立精确的数学模型的特点，因此给控制过程带来很大麻烦。

在本设计中，寻求一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。

本文先阐述了恒温电热水炉控制系统国内外研究现状，对可用的控制方案进行了说明。

先对常规PID控制、模糊控制的理论基础进行了说明，然后分别设计控制器，根据被控对象的数学模型，利用Matlab的Simulink开发环境和模糊逻辑工具箱分别对温度、水位的PID控制系统和模糊控制系统进行仿真分析。

结果表明模糊控制的效果更好，性能指标更为理想，因此模糊控制是一种较为理想的控制方案。

在电热水锅炉控制系统对系统功能要求的基础上，设计了以AT89C51单片机为核心部件的硬件电路，实现了温度的采集与控制、水位的采集与控制、无水报警与保护等各种功能。

在硬件电路设计的同时，也进行了相应的软件设计，系统软件设计采用了模块化结构，分模块进行设计。

关键词：

温度，水位，模糊控制，仿真，单片机

CONTROLSYSTEMDESIGNOFTHERMOSTATELECTRICWATERHEATER

ABSTRACT

Electrichotwaterboilerisakindofelectromechanicalproductmodel,whichisenvironmentalfriendly,energy-savingheatingequipmentoftheideal.Becausethecontrolofelectricwaterboiler’stemperature,waterlevelhasthenonlinear,largeinertia,largedelayanditisdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel,sotocontroltheprocesshavealotoftrouble.Inthisdesign,inordertoachievetheperformanceindexofsystemstability,controlperformanceinshorttimeandsmallovershoot,toseekanoptimalcontrolschemeisimportant.

Thispaperfirstdescribesthepresentsituationoftheconstanttemperaturecontrolsystemofelectricwaterheatersbothathomeandabroad,thenintroducesomeavailablecontrolschemes.Atfirst,thetheoreticalbasisofconventionalPIDcontrolandfuzzycontrol,thenbasedonthemathematicalmodeloftheobject,designthecontroller,usingMatlabSimulinkdevelopmentenvironmentandthefuzzylogictoolboxrespectivelyonthetemperatureandwaterlevelinthePIDcontrolsystemandfuzzycontrolsystemsimulationanalysis.Theresultsshowthattheperformanceoffuzzycontrolisbetter,sothefuzzycontrolisakindofidealcontrolscheme.Basedonthesystemfunctionrequirementofelectrichotwaterboilercontrolsystem,designingthehardwarecircuitwithAT89C51singlechipasthecorecomponentsofthedesign,realizingthefunctionoftemperatureacquisitionandcontrol,watercollectionandcontrol,alarmandprotectionfunctionofanhydrous.Inthehardwarecircuitdesignatthesametime,hasalsocarriedonthecorrespondingsoftwaredesign,systemsoftwaredesignusesthemodularstructuredesignmodule.

KEYWORDS：

temperature,waterlevel,fuzzycontrol,simulation,single-chipmicrocomputer

目　录

前　言

随着计算机技术，控制技术，检测技术的快速发展，工业的生产和管理进入自动化、信息化和智能化时代，智能化已经成为时代发展的需要，实现电热水锅炉的智能化控制成为了电热水锅炉研究的主要趋势。

在国外，由于对电热水锅炉的研究较早，所以电热水锅炉的控制水平较高。

由于起步较晚，国内电热水锅炉的控制水平相对不高，主要表现在算法简单、粗糙，造成温度、水位控制效果不佳，易产生输出控制量的震荡，而且自动化程度不高。

锅炉控制作为过程控制的一个典型，不管是国外还是国内的锅炉温度、水位控制主要采用PID控制。

PID控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

但实际上电热水锅炉温度、水位控制是一个滞后、时变、非线性的复杂系统，因此应用常规PID控制往往不能达到较为理想的控制效果。

因此，我们有必要采用一种新型的控制方式，既能使控制系统的复杂程度降低，又能达到设备的控制要求。

而模糊控制技术为该领域提供了一种有效的解决方法。

模糊控制正适合数学模型未知,动态过程变化大的系统。

模糊控制不需要建立控制对象的精确数学模型,只要求把人工操作的经验与数据归纳成较完善的语言控制规则,因此它能绕过对象的不确定性、干扰及非线性、时变性、时滞性等影响。

将模糊控制方法运用到电热水炉温度、水位的控制中，可以很大程度的提高控制效果。

本设计中基于模糊控制算法设计模糊控制器，以AT89C51单片机为核心进行硬件设计，最终实现电热水锅炉的温度控制和水位控制，具备无水报警与保护、水位和温度的数字化显示等功能。

本文前两章是基础部分，主要介绍了电热水锅炉的国内外控制方案发展现状和一些控制算法的理论基础。

第三章主要是模糊控制器的设计与仿真，并与PID控制方法进行对比，说明模糊控制的优点。

第四、五章分别是硬件和软件部分设计。

第1章绪论

§1.1选题的背景及意义

在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度和水位是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。

在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、水位、压力、流量等进行有效的控制。

温度、水位的控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于检测和控制两方面。

温度、水位检测是控制的基础，技术已经比较成熟。

由于控制对象越来越复杂，在温度、水位控制方面，还存在着许多问题。

如何更好地提高控制性能，满足不同系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。

温度、水位控制一般指对某一特定空间的温度、水位进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。

本文主要研究电热水锅炉水温水位控制的方法。

电热水锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置[1]。

具有结构简单、污染小、自动化程度高等特点。

与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。

近年来，电热水锅炉已成为供热采暖的主要设备。

锅炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线性。

目前国内电热锅炉控制很多采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。

采用这些控制方法的系统稳定性不好，超调量大，同时对外界环境变化响应慢，实时性差。

另外，频繁的开关切换对电网产生很大的冲击，降低了系统的经济效益，减少了锅炉的使用年限。

因此，研究一种最佳的电锅炉控制方法，对提高系统的经济性、便捷性、稳定性具有重要的意义。

§1.2国内外电热水锅炉控制方案发展现状

随着计算机技术，控制技术，检测技术的快速发展，工业的生产和管理进入自动化、信息化和智能化时代，智能化已经成为时代发展的需要，实现锅炉的智能化控制成为了锅炉研究的主要趋势。

锅炉微机控制，是近些年来实现锅炉智能化控制的重要方法，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。

单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛，把单片机运用于锅炉控制中是实现锅炉智能化控制的很好的选择。

目前，不管是国外还是国内的锅炉温度、水位控制主要采用PID控制。

PID控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

但实际上电热水锅炉温度、水位控制是一个滞后、时变、非线性的复杂系统，再加上设备运行时间的增加及环境因素变化，使得PID算法中的参数可能需要不定期的重新整定，因此应用常规PID控制往往不能达到较为理想的控制效果。

基于上述原因，我们有必要采用一种新型的控制方式，既能使控制系统的复杂程度降低，又能达到设备的控制要求。

近些年来，随着智能控制技术的发展和成熟，在锅炉温度、水位控制系统中日益广泛。

智能控制是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。

它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。

就目前而言，智能控制是解决传统过程控制局限性问题和提高控制质量的一个重要途径[2]。

目前应用于电热水锅炉控制系统的几种常用智能控制方法有：

1.模糊控制

模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，它不需要被控对象的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直觉判断，容易应用。

模糊控制的实现过程为：

①将控制对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则，将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型。

②根据模糊查询表，形成模糊控制算法。

③对输入量的精确值模糊化，经数学处理输入计算机，计算机由模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确值去驱动执行机构，调整输入，达到调节控制量的目的[3]。

2.神经网络与PID的结合

神经网络是一种利用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。

人工神经网络以其高度的非线性映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。

该方法响应速度快，抗干扰能力强、算法简单，且易丁用硬件和软件实现。

在锅炉温度、水位控制系统中，将温度、水位的影响因素作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修止，直至系统收敛，得到网络权值，达到白整定PID控制器参数的目的，也就是神经网络整定PID参数的方法[4,5]。

3.模糊控制与PID的结合

模糊控制与PID的具体结合形式有多种，主要是Fuzzy-PID复合控制和模糊自整定PID参数的方法。

Fuzzy-PID复合控制是指当系统偏差较大时采用模糊控制，这样响应速度快，动态性能好；当系统偏差较小时采用PID控制，使其具有好的静态性能，保证控制精度，是一种模糊控制和PID控制分阶段切换控制的方法。

参数自调整模糊PID控制的方法是根据系统偏差和偏差变化率，由模糊推理来调整PID参数，也就是一种以模糊规则来调节PID参数的自适应控制方法[6]。

4.模糊控制与神经网络的结合

模糊控制所依赖的专家经验一般不容易获得，一成不变的控制规则也很难适应不同被控对象的要求，所以应该使模糊控制向着自适应的方向发展。

基于这样的要求，可以利用神经网络的学习能力来修正系统偏差和偏差变化率的比例系数、修正模糊控制的隶属函数，从而达到优化模糊控制器的作用，进一步改进实时控制的效果[7]。

§1.3模糊控制方法发展现状

模糊集合和模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh于1965年在其Fuzzy,FuzzyAlgorithm等著名论著中首先提出的。

模糊集合的引入可将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，从而使对复杂系统做出符合实际的、符合人类思维方式的处理成为可能，为经典模糊控制器的形成奠定了基础。

为了加快模糊控制理论的研究，1972年在日本东京大学建立了“模糊系统研究会”，以后，各大学相继召开模糊控制的国际学术交流会，大大促进了模糊控制的发展。

1974年，英国工程师E.H.Mamdani首次把模糊数学应用于对锅炉和蒸汽机的控制,取得了圆满的成功,E.H.Mamdani成为了应用模糊技术的先驱。

尽管模糊集理论的提出至今只有30年，但发展迅速，至今世界上研究“模糊”的学者已超过万人，发表的重要论文达5000多篇。

二十世纪80年代以来，自动控制系统的被控对象更加复杂化，它不仅表现在多输入，多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性，更突出的是从系统对象所能获得的数据量相对的减少，以及对控制性能要求的日益增高。

因此要想精确地描述复杂对象与系统的任何物理现象和运动状态，实际已不可能。

关键是如何在精确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有实际意义。

这样模糊控制理论的优点在现代控制理论中起着越来越重要的地位和意义。

同时世界各国也涌现了越来越多模糊控制的成功应用范例，特别是在工业过程、机器人和家用电器控制方面，并且生产出了专用的模糊芯片与模糊计算机。

近些年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善、模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数自调整模糊系统方面的研究受到各国学者的重视。

目前，将神经网络和模糊控制技术相互结合，取长补短，形成一种模糊神经网络技术、模拟人脑的智能信息处理系统，其发展前景十分诱人。

将模糊控制方法运用到电热水锅炉温度、水位控制系统中，可以克服温度、水位控制系统中存在的严重的滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度[8,9]。

§1.4本文的主要研究内容

基于以上所述目前各种控制方法的特点，以及锅炉温度、水位这两个物

理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，本文考虑采用模糊控制方法。

模糊控制系统组成原理框图如图1-1所示：

图1-1模糊控制系统组成原理框图

本文的具体研究内容如下：

1.本文先对所采用控制算法的理论基础进行介绍，分别介绍PID控制算法、模糊控制算法的理论基础，并说明模糊控制方法的优点。

2.针对温度、水位的控制特点，分别设计控制温度和水位的模糊控制器。

运用MATLAB软件的Simulink开发环境和模糊逻辑工具对PID控制和模糊进行建模仿真，并对控制性能指标进行分析，比较PID控制系统和模糊控制系统的调节时间、超调量和稳态误差。

3.结合电热水锅炉控制系统对控制器的硬件要求，设计一个基于单片机的控制器，包括总体方案设计、硬件电路设计和部分软件设计。

实现热水炉的温度控制盒水位控制，具备无水报警与保护、水位、温度的数字化显示功能。

第2章控制算法的基本理论

对电热水锅炉温度、水位的控制，首先可采用的控制方案是PID控制，它是经典控制理论中最典型的控制方法，对工业生产过程的线性定常系统，大多采用经典控制方法，它结构简单，可靠性强，容易实现，并且可以消除稳定误差，在大多数情况下能够满足性能要求。

第二个可采用方案是模糊控制，由于它是以先验知识和专家经验为控制规则的智能控制技术，可以模拟人的推理和决策过程，因此无须知道被控对象的数学模型就可以实现较好的控制，且响应时间短，可以保持较小的超调量[10]。

§2.1PID控制的理论基础

§2.1.1PID控制的基本理论

PID控制在生产过程中是一种被普遍采用的控制方法，它是基于对变量“过去”、“现在”和“未来”信息估计的交叉控制算法。

常规PID控制系统原理框图如图2-1所示，系统主要有被控对象和PID控制器两部分组成。

常规的PID一般为线性控制器，实际输出值和给定值会存在一个偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合来构成控制量，最后对被控对象进行控制，故称PID控制器。

工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。

理想的PID控制器根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成的控制偏差e（t）

（2.1）

将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

（2.2）

式中

──控制器的输出；

──控制器的输入，给定值与被控对象输出值的差，即偏差信号；

──比例控制项，

为比例系数；

──积分控制项，

为积分时间常数；

——微分控制项，

为微分时间常数。

图2-1基本PID控制系统原理框图

在图2-1的基础上分析一下PID控制器各校正环节的作用[11]：

（1）比例环节比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号

，以最快的速度产生控制作用，使偏差向最小的方向变化。

随着比例系数K

的增大，稳定误差逐渐减小，但同时动态性能变差，振荡比较严重，超调量增大。

（2）积分环节积分环节的引入主要用于消除静差，即当闭环系统处于稳定状态时，则此时控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。

积分作用的强弱取决于积分时间常数T

，时间常数越大积分作用越弱，反之越强。

随着积分时间常数T的减小，静差在减小；但过小的积分常数会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。

（3）微分环节微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，它可以预测将来，能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加速系统的动态速度，减小调节时间。

§2.1.2PID控制算法

在计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。

进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和量化后，变成数字量，才能进入计算机的存储器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。

PID控制规律在计算机中的实现，也是用数值逼近的方法。

当采样周期T足够短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，即可作如下近似变换：

（k=0,1,2,…）

（2.3）

式中T──采样周期。

将描述连续PID算法的微分方程，变为描述离散时间PID算法的差分方程，为书写方便，将

简化表示成

即为数字PID位置型控制算法，如式（2.4）所示。

（2.4）

式中k──采样序号，k=0,1,2,…；

──第k次采样时刻的计算机输出值；

──第k次采样时刻输入的偏差值；

──第（k-1）次采样时刻输入的偏差值；

──积分系数，

；

──微分系数，

;

由（2.4）式可得：

Δ

=

=

（2.5）

式中Δ

Δ

，Δ

即为增量式PID控制算法，由第

次采样计算得到的控制量输出增量。

可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期

，一旦确定了

、

、

，只要使用前3次的测量值偏差，即可求出控制量的增量。

§2.2模糊控制的基本理论

§2.2.1模糊控制的基本原理

模糊控制是模糊集合理论中的一个重要方面，是以模糊集合化、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，从线性控制到非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴[12]。

模糊控制是建立在人类思维模糊性基础上的一种控制方式，模糊逻辑控制技术模仿人的思考方式接受不精确不完全信息来进行逻辑推理,用直觉经验和启发式思维进行工作,是能涵盖基于模型系统的技术。

它不需用精确的公式来表示传递函数或状态方程，而是利用具有模糊性的语言控制规则来描述控制过程。

控制规则通常是根据专家的经验得出的，所以模糊控制的基本思想就是利用计算机实现人的控制经验[13]。

§2.2.2模糊控制器的结构

模糊控制器（FC—FuzzyController）又称为模糊逻辑控制器（FLC—FuzzyLogicController）,它的模糊控制规则用模糊条件语句来描述，是一种语言型控制器，因此有时又被称为模糊语言控制器。

通常将模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制器的维数，以单输入单输出模糊控制器为例，可分为一维控制器、二维控制器和三维控制器[14]。

从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制精度越高，但维数过高会导致控制规则复杂，控制算法实现困难等问题，目前人们广泛设计和应用的是二维模糊控制器，本设计中应用的也是二维控制器，其图如图2-2所示。

图2-2二维模糊控制器

模糊控制器的结构框图如图2-3所示模糊控制器主要由模糊化接口、知识库，模糊推理机、解模糊口四部分组成[15]，各部分作用如下：

图2-3模糊控制器结构框图

（1）模糊化模糊化接口接受的输入只有误差信号e，由e再生成误差变化率Δe或误差的积分，模糊化接口完成两项功能：

a.论域变换：

和Δ

都是非模糊的普通变量，它们的论域（即变化范围）是实际域上的一个真实论域，分别用X和Y来代表。

在模糊控制器中，真实论域要变换到内部论域X′和Y′，无论是对于D-FC（离散论域的模糊控制器），还是C-FC（连续论域的模糊控制器），论域变换后e和Δ

变成E和EC，相当于乘了一个比例因子（还可能有偏移）。

b.模糊化：

论域变换后E和EC仍是非模糊的普通变量，这里把它们分成若干个模糊集合，如：

“负大”（NB）、“负中”（NM）、“负小”（NS）、“零”（Z）、“正小”（PS）、“正中”（PM）、“正大”（PB），……，并在其内部论域上规定各个模糊集合的隶属度函数。

在

时刻输入信号的值

和Δ

经论域变换后得到E和EC，再根据隶属函数的定义可以分别求出E和EC对各模糊集合的隶属度，如

（E）、μ

（EC）、……，这样就把普通变量的值变成了模糊变量（即语言变量）的值，完成了模糊化的工作。

这里E，EC既代表普通变量又代表了模糊变量，作为普通变量时其值在论域X′和Y′中，是普通数值；作为模糊变量是其值在论域[0，1]中，是隶属度。

（2）知识库顾名思义，知识库中存储着有关模糊控制器的一切知识，它们决定着模糊控制器的性能。

是模糊控制器的核心。

知识库又分为两部分，分别介绍如