基于單片機(jī)的船舶輔助鍋爐智能控制系統(tǒng)

目前，國(guó)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(dòng)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(dòng)部件運(yùn)動(dòng)不靈活而出現(xiàn)被卡燒壞線圈等故障，給維護(hù)過(guò)程帶來(lái)極大不便，甚至?xí)绊懻I(yíng)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(duì)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(duì)象是鍋爐，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是鍋爐的風(fēng)、油門(mén)驅(qū)動(dòng)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(cè)鍋爐內(nèi)的壓力，傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)變換后送至單片機(jī)智能控制器，控制器根據(jù)此信號(hào)的大小，利用智能控制算法計(jì)算出輸出控制信號(hào)，經(jīng)放大器放大后以調(diào)節(jié)風(fēng)、油門(mén)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(jiàn)而又最重要的一類(lèi)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(dòng)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(guò)對(duì)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)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(dòng)態(tài)過(guò)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(lái)處理變化多端的動(dòng)態(tài)過(guò)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(dòng)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(dòng)態(tài)過(guò)程誤差變化的趨勢(shì)

對(duì)于圖2—1所示典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)動(dòng)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(dòng)態(tài)過(guò)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(dòng)態(tài)過(guò)程正向著誤差增大的方向變化。

在控制過(guò)程中，微機(jī)很容易識(shí)別en·Δen的符號(hào)，從而掌握系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)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(dòng)態(tài)過(guò)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(shuō)明該點(diǎn)處的某一段，動(dòng)態(tài)過(guò)程呈現(xiàn)誤差小而誤差變化率大，B、D點(diǎn)的｜Δe／e｜較小，說(shuō)明該點(diǎn)處的某一段，動(dòng)態(tài)過(guò)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(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程作進(jìn)一步的劃分。

2．2．1　如圖2—1 OA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(guò)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(shuō)明，輸入從0點(diǎn)上升到A點(diǎn)的過(guò)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(kāi)始逐漸減小，這樣可以防止被控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)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—1 AB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：

式中：k3＞0；k4＜0；故k4的作用在A點(diǎn)處最強(qiáng)。

2．2．3　如圖2—1 BC段，e＜0，e·Δe＜0，實(shí)際值正不斷地接近設(shè)定值，由于系統(tǒng)的慣性，輸出值經(jīng)C點(diǎn)后并沒(méi)有進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，而是到達(dá)D點(diǎn)，故在C點(diǎn)附近應(yīng)加大U（k）：

式中：k5＞0；k6＜0；故k6的作用在C點(diǎn)處最強(qiáng)；

2．2．4　如圖2—1 CD段，e·Δe＞0，e＞0，應(yīng)增加控制器的輸出。
U（k）＝U（k－1）＋k7e（k）＋k8·Δe／e（2—4）

式中：k7＞0；k8＞0；故k8的作用在C點(diǎn)處最強(qiáng)；

上述各參數(shù)的在線整定很重要，直接影響控制性能，根據(jù)控制趨勢(shì)，應(yīng)有k1＞k3＞k5＞k7≥0，k2＞｜k4｜＞｜k6｜＞k8≥0，若k2、k4、k6、k8為0，則沒(méi)有該項(xiàng)的控制作用。

2．2．5　當(dāng)｜e｜≥emax，偏差過(guò)大，采用砰—砰控制，輸出控制量最大（或最?。?，盡快減小偏差，即

因?yàn)楸究刂葡到y(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)閥門(mén)，所以Umax對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為閥門(mén)全開(kāi)，Umin對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為閥門(mén)全關(guān)。

2．2．6　當(dāng)｜e｜＜emin時(shí)，偏差已達(dá)到允許范圍，控制量不變，維持原狀，即

智能控制算法流程圖如圖2—2所示。

3　智能控制器在8032單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)

3．1　硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)硬件電路由CPU及外圍芯片組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3—1所示，完成數(shù)據(jù)采集、聲光報(bào)警、輸出控制、鍵盤(pán)輸入及顯示、監(jiān)控定時(shí)等功能。

3．1．1　數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、變送器、精密電阻、A／D轉(zhuǎn)換器等組成。變送器將來(lái)自壓力傳感器的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)通過(guò)精密電阻再將其轉(zhuǎn)換成1～5 V的電壓信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)ADC0809送入CPU。