基于模糊控制算法的溫度控制系統的設計自動化專業(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 可能存在各種干擾，是模糊的、不確定的、沒有精確數學模糊的過程。 (4) 模糊控制器 它是一臺處理器，用于完成模糊推理的過程與根據輸入量和模糊運算做出模糊控制工作。 在溫度控制系統中，傳感器用于感受控制對象的溫度，然后由與溫度變化的線性關系產生與其大小相適應的變化量交給變送器處理。變送器傳感器輸入轉換成標準的電壓或者電流信號，再通過輸入輸出接口裝置進行模數轉換，最后輸入到模糊處理器中進行模糊控制。 輸入輸出接口裝置包含了各種人機接口，如用于 輸入控制溫度的鍵盤、用于顯示實時溫度的數碼管、用于報警的 LED，還有將模擬信號轉換為數字信號的 A/D 轉換器等。很顯然，人機接口裝置越完備，其能實現的功能也越強，這樣也越能增加產品的功能和親合力。 控制對象可以是電爐也可以是油爐，如果是電爐執行器將會是晶閘管，也可以是靜態或固態繼電器；如果對象是油爐，執行器可以選擇為調節閥，控制輸入到油爐的油量大小。 基于模糊算法的溫度控制系統，可用各類處理器，如微機、單片機、 DSP 等作為模糊控制器，其內部運行模糊算法程序，用于根據輸入的溫度信號進行處理從而達到做出模糊控制的 目的。 基于模糊控制算法的溫度控制系統的設計 16 第 3 章 設計思想與方案論證 實現模糊溫度控制的方法有多種，可以用工控機作為模糊控制器，用熱電阻測量溫度；也可以用單片機作為模糊控制器，用熱電偶進行溫度測量。當然每一種方案都有其各自的優點。本章詳細列舉、說明了三種不同實現模糊溫度控制的方案、并分別畫出了其原理方框圖，對三種方案的優缺點進行了對比，選出了最佳控制方案。 設計思想 1. 方案 1 (1) 硬件組成 ： PLC、 A/D 轉換器、熱電阻、調節閥、燃油供應子系統。 (2) 工作原理 ：在系統中，由分立的熱電阻做成測量工具，對溫度變量進行檢測，并輸出到 A/D 轉換器。 A/D 轉換器將數據進行 A/D 轉換后輸出到 PLC。 PLC 執行模糊控制器的作用，根據給定量與測量量的偏差進行模糊運算，得出模糊輸出量 ［ 3］ ，控制調節閥。調節閥根據 PLC 的輸出量自動的調節進入燃燒爐內的燃氣，從而起到了調節溫度的目的。燃油供應子系統起到了供應燃油的作用。 LED 顯示器用于實時顯示測量的溫度。 (3) 系統原理框圖 2. 方案 2 (1) 硬件組成 ：單片機、 A/D 轉換器、 LED 顯示器、集成的熱電偶溫度變送器、固態繼電器 ［ 5］ 、大功率發熱器、 LED 顯示器。 (2) 工作 原理 ：由集成的熱電偶變送器對系統溫度進行檢測，并完成信號標準化、變送功能。單片機執行模糊控制功能、由固態繼電器控制大功率發熱器電源的導通與斷圖 方案 1 的原理框圖 + LED 顯示 + 給定電壓 A/D 轉換 PLC 開關 熱電阻 燃料供應子系統 D/A 油爐 溫度 基于模糊控制算法的溫度控制系統的設計 17 開，從而達到控制溫度的目的。 (3) 系統原理框圖 3. 方案 3 (1) 硬件組成 ：工控機、集成的熱電偶溫度變送器、 A/D 轉換器、 LCD 顯示器、調節閥、燃料供應子系統。 (2) 工作原理 ：在系統中，先由工控機發出波形（此波形為理想控制過程），經 A/D轉換后輸入到工控機，作為給定量（給定量是變化的） [3]。熱電偶溫度變送器作為測量工具，對溫度變量進行檢測 ，并輸出到 A/D 轉換器。 A/D 轉換后輸出到工控機。工控機利用模糊算法，根據給定量與測量量的偏差進行模糊運算，得出模糊輸出量，控制調節閥的開啟程度，自動的調節進入燃燒爐內的燃氣，從而起到了調節溫度的目的。燃油供應子系統用于供應燃油。 LED 顯示器用于實時的顯示測量的溫度。 (3) 系統原理框圖 TL2551 89C2051 固態繼電器 LED顯示 DDZ— Ⅲ熱電偶溫度變送器 鍵 盤 電爐 溫度 圖 方案 2 的原理框 圖 波形生成 LCD 顯示 + A/D 工控機 開關 熱電偶溫度變送 + 燃料供應系統 D/A 圖 方案 3 的原理框圖 油爐 溫度 基于模糊控制算法的溫度控制系統的設計 18 論證分析 (1) 每個方案都采用了不同的處理器，方案 1 用 PLC 為模糊控制器，在進行 A/D、D/A 轉換和 LED 顯示時出現許多難題，如引腳不夠用，數據并行輸入輸出困難（可以通過外部加入模擬輸入模塊 來解決，但價格昂貴）、及內部編程復雜等諸多不便。而方案 2 和方案 3 采用了單片機及工控機，能夠很好的解決上述問題。 (2) 方案 1 采用的是分立的熱電阻，還要經過處理制作成測量工具，在測量精度及抗干擾性等方面都不能滿足要求。而方案 3 采用的是集成的熱電偶溫度變送器，具有冷端溫度補償、零點調整、零點遷移、量程調整以及線性化等功能。只要稍許的調整變送器即可很好的完成任務。 (3) 方案 1 和方案 2 采用了價格便宜的 LED 顯示器，而方案 3 采用了相對昂貴的LCD 顯示器。雖然 LCD 顯示器在顯示方面有其優越性，可以多行顯示、文 本顯示。但本系統中只要求實時顯示溫度即可，所以 LED 顯示器是一個不錯的選擇。 (4) 方案 2 采用了模擬的 PWM 變換的方法，較其它兩種方案可以減少一個 D/A 轉換器，節約了成本。 (5) 方案 1 和 3 采用燃料作為能量供應，而方案 2 采用電能。方案 1 與方案 3 要考慮多方面的影響。如燃油的燃燒效率問題（通過采樣油爐排氣口的氧氣濃度完成），即要檢測的變量有兩個，爐內溫度和排氣口的氧氣含量。而方案 2 可以減少裝配燃油子系統所用的成本，只有一個檢測量，減小了運算難度，還可以省去因為燃料的燃燒所造成的大氣污染，保護環境。 綜上所述 ：方案 2 是無論是從經濟方面、科學性還是從實現的容易程度、環境保護上都優于其它兩個方案，不失為最佳的選擇。 最終方案論述：很顯然，方案 2 較其它兩種方案相比無論在經濟上和實現容易程度上都要好。同時三種方案都存在著同一個問題，那就是在其內部怎么進行模糊運算。由于模糊運算是基于模糊數學的一種新型控制方法，其運算包括模糊化、模糊推理、解模糊等過程，而且還有很多的矩陣運算，而這些運算對于單片機、或者 PLC 以及工控機來說都要用很復雜的編程（高級語言）才能實現。模糊控制算法發展到今天，已經成功的解決了這個問題。在離線時將其 矩陣運算部分做好，留給處理機要完成的就只需查一基于模糊控制算法的溫度控制系統的設計 19 個模糊表了。這種方法能夠很好的完成模糊控制過程中大量的運算的問題，減少了編程的難度和處理機做這些運算所花費的時間。 方案 2 在實行控制的時候不像其它方案采用 D/A 轉換后再控制調節閥的方法，而是直接外接一個固態繼電器，通過內部改變定時器的中斷時間來調節一個周期內電子開關的導通和斷開時間。這樣既節省了材料也可以很大程度上減少硬件電路的結構。 綜上所述方案 2 有如下的特點： (1) 在完成所要求的任務的基礎之上還有著結構簡單、明了的特點，很容易實現，而且在一定的程度上節約 成本。 (2) 由于采用了離線的方法進行模糊運算，很大程度上的減少了編程的麻煩，實現起來較容易。 (3) 采用了無污染能源，保護環境。同時也省去了為建造燃料供應子系統的費用，節約了成本。采用了模擬的 PWM 變換，和固態繼電器。可以將采樣頻率提高到很多的水平，使控制結果更準確，實時性、控制效果更好。 基于模糊控制算法的溫度控制系統的設計 20 第 4 章 系統設計 整個系統由軟件和硬件兩部分組成。本章詳細介紹了系統的硬件和軟件設計，并對硬件和軟件的每一個部分進行了分析，在后半部分還對系統模型進行了訪真與程序調試。硬件和軟件的每一個壞節都是深思熟慮而成，各 自完成相應的功能并組成一個統一的整體。 硬件設計 系統硬件由電源電路，溫度檢測變送電路、模數接口轉換電路、單片機系統和人機接口等部分組成。系統電源為整個系統提供電能；溫度檢測變送電路將檢測到的溫度信號轉換成標準的電壓信號輸入到模數接口轉換電路；模數接口轉換電路輸出的數字信號進入單片機系統；單片機系統根據輸入的數字信號以模糊控制算法為基礎求出控制值，控制執行器的運行及溫度的顯示。原理框圖見圖 。 電源電路 由于整個系統都是用單片機和各類芯片及電阻、電容組成的，其工作電壓為＋ 5V，不需要 負電壓，可采用三端固定正電壓集成穩壓器 7805 系列的芯片 ［ 6］ 。其輸出電壓 5V，按輸出電流不同可分為 78M0 78L05，輸出電流分別為 和 ，轉換成功率分別為 和 5W。從整個系統的設計來看，其中有幾塊集成芯片和多個電阻、電容等器件，其功率總和應在 2W 左右，所以考慮整個系統的功率裕量，采用 78M05 作為整個系統的供電芯片。 其主要電路如圖 所示： 圖 電源電路 基于模糊控制算法的溫度控制系統的設計 21 其中輸入電壓為交流 220V，經過變壓器其輸出為 ，再進行整流。整流可通過四個二極管 進行全波整流，也可以利用集成整流堆來進行（同原理）。后面接電容 CC2為濾波電容進行濾波，注意電解電容應該要有一定裕量，否則不能起到很好的濾波效果。本電路中使用的電容大小為 470uf,耐壓為 25 伏。 78L05 的輸出級接入兩個濾波電容，用于減小因為電源波動對系統造成的影響和濾波。其不需要采用大容量的電解電容器，容量大小為 100uf 耐壓為 25 伏，再接入 的電容器，便可減少因為電源波動的影響和濾去紋波，很好地改善負載的瞬態響應。然而，隨之產生一個弊端，即一旦 78M05的輸入出現短路時，輸出端大電容上存儲 的電荷，將通過集成穩壓器內部放電，可能會造成內部電路的損壞，故在其間跨接一個二極管，為放電提供放泄通路，對集成穩壓器起到了分流保護作用 ［ 6］ 。 溫度 檢測 與變送環節 信號的檢測變送包含兩個方面，一是檢測環節，另一個是變送環節。 檢測環節至關重要，檢測元件的選型關系到檢測的精度和變送環節中信號變送的容易程度。在溫度的檢測過程中一般用熱電阻和熱電偶完成，熱電阻一般用在檢測精度要求不是很高的地方，而熱電偶則在靈敏度上比熱電偶更好，檢測精度能比熱電阻有一個數位的差異 ［ 7］ 。 檢測與變送設備主要根據被檢測 參數的性質與系統設計的總體考慮來決定。被檢測參數性質的不同，準確度要求、響應速度要求的不同以及對控制性能要求的不同都影響檢測、變送器的選擇，要從工藝的合理性、經濟性加以綜合考慮。應遵循以下原則： 1. 可能選擇測量誤差小的測量元件。 2. 盡可能選擇快速響應的測量元件與變送設備。 3. 對測量信號作必要的處理。 a. 測量信號校正。 b. 測量信號噪聲（擾動）的抑制。 4. 對測量信號進行曲線線性化處理。 溫度是工業生產過程中最常見、最基本的參數之一。所以，溫度的檢測與控制是自基于模糊控制算法的溫度控制系統的設計 22 動控制工程的重要任務之一。測量溫度的方法有兩種，一種是 接觸式、另一種是非接觸式。接觸式測量的主要特點是：方法簡單、可靠，測量精度高。但是由于測溫元件要與被測介質接觸進行熱交換，才能達到平衡，因而產生了滯后現象。同時測量體可能與被測介質產生化學。此外測量體還受到耐溫材料的限制，不能應用于很高溫度的測量。非接觸式測溫是通過接收被測介質發出的輻射熱來判斷的。其主要特點是：測溫原則上不愛限制；速度較快，可以對運動休進行測量。但是它受到物體的輻射率、距離、煙塵和水汽等因素影響，測溫誤差較大。 由于本系統中測量的對象為電爐，測量溫度在 0~100℃左右，且介質為水，不易與測 量體發生化學反應。所以理所當然選擇接觸式的溫度測量方式更為理想。 目前工業生產過程中常用的接觸式溫度測溫原理、與使用場合如表 ： 測溫原理 溫度計名稱 測溫范圍℃ 主要特點 固體熱膨脹 雙金屬溫度計 結構簡單，價格便宜，適用于就上測量，傳送距離不很遠 氣體熱膨脹 玻璃液體溫度計 液體熱膨脹 壓力式溫度計 200~600 利用尸體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質 鉑、銅、鎳、銠、鐵熱敏電阻 準確度高，能遠傳，適用于低、中溫測量 鍺、碳、金屬氧化物熱敏電阻 普通金屬熱電阻 測量范圍廣，精度高，能遠傳，適用于中、高溫測量 貴重金屬熱電阻 難熔金屬熱電阻 非金屬熱電阻 200~700 體積變化 電阻變化 270~900 熱電效應 利用金屬的熱電效應 200~1800 表 各類傳感元件的特點和使用場合 ［ 7］ 基于模糊控制算法的溫度控制系統的設計 23 從表中所列的各種溫度測量儀表中，機械式大多用于就地指示；輻射式的精度較差，只有電的測溫儀表精度較高，信號又便于傳送。所以熱電偶和熱敏電阻溫度計在工業生產和科學研究領域中得到了廣泛地應用。 熱電偶溫度計在工業生產過程中極為廣泛。它具有測溫精度高，在小范圍內熱電動勢與溫度基本呈單值、線性關系，穩定性和復現性較好，測溫范圍寬，響應時間較快等特點。其使用時 一定要注意冷端