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坏线圈等故障，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。

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Δe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Δe这两个基本的模糊控制变量出发，引出两个特征变量e·Δe和Δe／e，利用这些信息设计智能控制器。

2．1　利用e·Δe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·Δe＜0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·Δe＞0时，在AB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en·Δen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Δe／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｜Δe／e｜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｜Δe／e｜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Δe／e和e·Δe联合使用，可对动态过程作进一步的划分。

2．2．1　如图2—1 OA段，e＞0，e·Δe＜0，实际值正不断地接近设定值，若Δe＞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：

k1、k2为大于0的系数。在OA段e （k）＞0，Δe／e＜0，而且在A点处｜Δe／e｜值最大，0点处｜Δe／e｜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k1和k2的值，既有利于减小超调而又不致于影响上升时间。k2的作用在A点处最强。

2．2．2　如图2—1 AB段，e＜0，e·Δe＞0，实际值正不断地远离设定值，在A点处｜Δe／e｜最大，在B点处｜Δe／e｜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：

式中：k3＞0；k4＜0；故k4的作用在A点处最强。

2．2．3　如图2—1 BC段，e＜0，e·Δe＜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）：

式中：k5＞0；k6＜0；故k6的作用在C点处最强；

2．2．4　如图2—1 CD段，e·Δe＞0，e＞0，应增加控制器的输出。
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k1＞k3＞k5＞k7≥0，k2＞｜k4｜＞｜k6｜＞k8≥0，若k2、k4、k6、k8为0，则没有该项的控制作用。

2．2．5　当｜e｜≥emax，偏差过大，采用砰—砰控制，输出控制量最大（或最小），尽快减小偏差，即

因为本控制系统的执行机构为电动阀门，所以Umax对应的状态为阀门全开，Umin对应的状态为阀门全关。

2．2．6　当｜e｜＜emin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4～20 mA的电流信号通过精密电阻再将其转换成1～5 V的电压信号，此信号经ADC0809送入CPU。