基于單片機(jī)的船舶輔助鍋爐智能控制系統(tǒng)
【論文摘要】根據(jù)船舶輔助鍋爐所存在的問題，設(shè)計(jì)一種智能控制器，并利用8032單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐的智能控制，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可顯著提高鍋爐控制性能。文中闡述了該系統(tǒng)的控制算法、結(jié)構(gòu)、工作原理、硬件組成及軟件設(shè)計(jì)。
目前，國內(nèi)多數(shù)船舶的機(jī)艙服務(wù)設(shè)備仍采用大量的繼電器、接觸器、時(shí)間繼電器組成，實(shí)現(xiàn)各種控制功能，它們的共同特點(diǎn)是線路復(fù)雜、可靠性差、有時(shí)容易出現(xiàn)誤動作，特別是觸頭氧化及鐵芯與銜鐵弄臟后的吸力不足，機(jī)械運(yùn)動部件運(yùn)動不靈活而出現(xiàn)被卡燒壞線圈等故障，給維護(hù)過程帶來極大不便，甚至?xí)绊懻I運(yùn)工作，而且，這種設(shè)備體積大、重量重、價(jià)格貴。因此采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想對船用控制系統(tǒng)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)尤為必要。1 單片機(jī)智能輔助鍋爐控制系統(tǒng)原理
基于單片機(jī)的船舶輔助鍋爐控制系統(tǒng)的工作原理如圖1—1所示。系統(tǒng)的被控對象是鍋爐，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是鍋爐的風(fēng)、油門驅(qū)動電器，被控參數(shù)為鍋爐內(nèi)的壓力，本系統(tǒng)利用壓力傳感器檢測鍋爐內(nèi)的壓力，傳感器輸出的電信號經(jīng)信號變換后送至單片機(jī)智能控制器，控制器根據(jù)此信號的大小，利用智能控制算法計(jì)算出輸出控制信號，經(jīng)放大器放大后以調(diào)節(jié)風(fēng)、油門的大小，從而控制鍋爐內(nèi)的壓力。
2 智能控制器的設(shè)計(jì)
眾所周知，二階系統(tǒng)是工程上最常見而又最重要的一類系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的形式代表了許許多多控制系統(tǒng)的動力學(xué)特征。正因?yàn)槿绱?，?jīng)典控制理論將二階系統(tǒng)作為典型系統(tǒng)，并通過對二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過渡過程分析，定義了表示系統(tǒng)控制質(zhì)量的一些特征量，其中以調(diào)節(jié)時(shí)間、最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差3個(gè)特征量作為性能指標(biāo)。但是，控制系統(tǒng)的動態(tài)過程是不斷變化的，以常規(guī)PID控制器控制，難以解決穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性之間的矛盾，原因在于這種控制方式以不變的統(tǒng)一模式之間的矛盾，原因在于這種控制方式以不變的統(tǒng)一模式來處理變化多端的動態(tài)過程。
為了有效地模擬人的智能控制行為，并采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)智能控制，在模糊控制中通常采用誤差e和誤差變化率Δe作為描述控制系統(tǒng)動態(tài)特征的輸入變量。根據(jù)船舶輔助鍋爐控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，從誤差e和誤差變化率Δe這兩個(gè)基本的模糊控制變量出發(fā)，引出兩個(gè)特征變量e·Δe和Δe／e，利用這些信息設(shè)計(jì)智能控制器。
2．1 利用e·Δe取值量是否大于0，可以描述系統(tǒng)動態(tài)過程誤差變化的趨勢
對于圖2—1所示典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)動態(tài)曲線可知，當(dāng)e·Δe＜0時(shí)，如BC段和DE段，表明系統(tǒng)的動態(tài)過程正向著誤差減小的方向變化。當(dāng)e·Δe＞0時(shí)，在AB段和CD段，表明系統(tǒng)的動態(tài)過程正向著誤差增大的方向變化。
在控制過程中，微機(jī)很容易識別en·Δen的符號，從而掌握系統(tǒng)動態(tài)過程的行為特征，以便更好地制訂下一步控制策略。
2．2 利用Δe／e描述系統(tǒng)動態(tài)過程中誤差變化的姿態(tài)
如圖2—1中A、C、E點(diǎn)的｜Δe／e｜較大，說明該點(diǎn)處的某一段，動態(tài)過程呈現(xiàn)誤差小而誤差變化率大，B、D點(diǎn)的｜Δe／e｜較小，說明該點(diǎn)處的某一段，動態(tài)過程呈現(xiàn)誤差大而誤差變化率小。將Δe／e和e·Δe聯(lián)合使用，可對動態(tài)過程作進(jìn)一步的劃分。
2．2．1 如圖2—1OA段，e＞0，e·Δe＜0，實(shí)際值正不斷地接近設(shè)定值，若Δe＞a，（a為根據(jù)需要而確定的常數(shù)）表明實(shí)際值趨向設(shè)定值的強(qiáng)度較大，為防止過沖，應(yīng)減小控制器的輸出。此時(shí)控制器的輸出U（k）為：
k1、k2為大于0的系數(shù)。在OA段e（k）＞0，Δe／e＜0，而且在A點(diǎn)處｜Δe／e｜值最大，0點(diǎn)處｜Δe／e｜值最小，說明，輸入從0點(diǎn)上升到A點(diǎn)的過程中，U（k）先是增加，但越接近A點(diǎn)U（k）值增加越少，在靠近A點(diǎn)的某一段U（k）值開始逐漸減小，這樣可以防止被控系統(tǒng)動態(tài)過程由于慣性而產(chǎn)生較大的超調(diào)，適當(dāng)選擇k1和k2的值，既有利于減小超調(diào)而又不致于影響上升時(shí)間。k2的作用在A點(diǎn)處最強(qiáng)。
2．2．2 如圖2—1AB段，e＜0，e·Δe＞0，實(shí)際值正不斷地遠(yuǎn)離設(shè)定值，在A點(diǎn)處｜Δe／e｜最大，在B點(diǎn)處｜Δe／e｜最小，為了使系統(tǒng)盡快地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)減少控制器輸出：
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