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)槿绱耍?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)時間、最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差3個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這兩個基本的模糊控制變量出發(fā)，引出兩個特征變量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，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，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—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，為防止過沖，應(yīng)減小控制器的輸出。此時控制器的輸出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，應(yīng)有k1＞k3＞k5＞k7≥0，k2＞｜k4｜＞｜k6｜＞k8≥0，若k2、k4、k6、k8為0，則沒有該項(xiàng)的控制作用。

2．2．5　當(dāng)｜e｜≥emax，偏差過大，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)為電動閥門，所以Umax對應(yīng)的狀態(tài)為閥門全開，Umin對應(yīng)的狀態(tài)為閥門全關(guān)。

2．2．6　當(dāng)｜e｜＜emin時，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、聲光報警、輸出控制、鍵盤輸入及顯示、監(jiān)控定時等功能。

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。變送器將來自壓力傳感器的壓力信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號通過精密電阻再將其轉(zhuǎn)換成1～5 V的電壓信號，此信號經(jīng)ADC0809送入CPU。
 

3．1．2　本系統(tǒng)CPU采用8032單片機(jī)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行以下擴(kuò)展：以一片16K×8 位CMOS靜態(tài)E－PROM27128作為程序存貯器，以一片8K×8位CMOS靜態(tài)RAM6264作為數(shù)據(jù)存貯器，附加一片DS1216多功能日歷時鐘，DS1216器件內(nèi)部包含振蕩電路和后備鋰電池，它的上面附帶有一個28腳插座，插入RAM6264后可以保持RAM中的數(shù)據(jù)在停電時也不丟失。以一片8155作為擴(kuò)展I／O口，其中PA口作為檢測信號輸入口，PB口作為聲光報警輸出口。

3．1．3　輸出控制部分由信號輸出，信號驅(qū)動及驅(qū)動電機(jī)組成，控制信號由CPU經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換后送出，經(jīng)驅(qū)動電路放大后送給驅(qū)動電機(jī)控制鍋爐風(fēng)門及噴油電磁閥的開度，進(jìn)而控制鍋爐內(nèi)壓力的大小。

3．1．4　鍵盤顯示部分采用專用鍵盤顯示芯片8279，該芯片具有自動對鍵盤顯示器掃描并識別鍵盤上閉合鍵號的功能，不僅可以大大節(jié)省CPU對鍵盤顯示器的操作時間，從而減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且顯示穩(wěn)定、程序簡單，不會出現(xiàn)誤操作。鍵盤部分主要用于輸入智能控制算法的一些初始值及參數(shù)，顯示器采用8 位LED顯示器。

3．1．5　監(jiān)控定時部分，為防止由于外界電源、電磁輻射等引起的干擾使程序偏離正常的控制流程，進(jìn)入死循環(huán)，造成系統(tǒng)故障，本系統(tǒng)利用定時器及分頻器，由硬件構(gòu)成Watchdog，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視定時器定時復(fù)位功能。

3．2　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括：水位控制，燃燒程序控制，壓力智能控制，安全保護(hù)等模塊。

3．2．1　工作原理

為了使鍋爐安全運(yùn)行，控制鍋爐啟動有一定的程序，當(dāng)鍋爐水位正常，即水位處于高水位與低水位之間（P1．1＝0，P1．2＝0），蒸氣壓力低于最大允許點(diǎn)火壓力（PA．1＝1）時，風(fēng)機(jī)將自動啟動（置P1．4＝1），先進(jìn)行40 s的預(yù)掃氣，此時風(fēng)門最大（直接置DAC0832輸出為FFH），以排除殘存在爐膛內(nèi)的油汽，防止點(diǎn)火時發(fā)生冷爆，預(yù)掃氣快結(jié)束時，接通點(diǎn)火變壓器（置P1．6＝1），啟動燃油泵（置P1．5＝1），把風(fēng)門及噴油電磁閥開度調(diào)?。ㄖ苯又肈AC0832輸出為一個較小的值），以利于點(diǎn)火成功。這時爐膛內(nèi)風(fēng)、油、火齊全，如點(diǎn)火成功，光敏電阻阻值下降（PA．0＝0），點(diǎn)火變壓器停止點(diǎn)火（置P1．6＝0），這樣燃油經(jīng)電磁閥繼續(xù)噴到已點(diǎn)著的火焰上，在風(fēng)機(jī)的助燃下正常燃燒，進(jìn)入壓力智能控制程序，如果點(diǎn)火失敗，光敏電阻阻值很大（PA．0＝1），則系統(tǒng)發(fā)出點(diǎn)火失敗聲光報警（置PB．1＝1），并自動進(jìn)行第二次循環(huán)，關(guān)閉風(fēng)門及噴油電磁閥（置DAC0832輸出為00H），從40 s預(yù)掃氣開始循環(huán)，若第二次循環(huán)仍未點(diǎn)火成功，系統(tǒng)停止工作（置P1．7＝1）且聲光報警。

當(dāng)正常燃燒突然熄火（PA．0＝1），系統(tǒng)發(fā)出中途熄火聲光報警（置PB．2＝1），同理，程序控制系統(tǒng)自動從頭開始，等待爐內(nèi)壓力下降至PA．1＝1，然后進(jìn)入40 s預(yù)掃氣，重新點(diǎn)火啟動。

當(dāng)鍋爐正常燃燒后，本系統(tǒng)按照智能控制算法控制風(fēng)門及油門驅(qū)動電機(jī)以控制風(fēng)、油門大小，使?fàn)t內(nèi)壓力維護(hù)在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

本系統(tǒng)的水位控制由直接放在主程序之前及之后的高低水位判斷指令來決定是否啟停給水泵，若檢測到高水位信號（P1．2＝1），說明之前啟動過給水泵，此時應(yīng)停止給水泵工作（置P1．3＝0）反之，若檢測到低水位信號（P1．1＝1），則置P1．3＝1，此時應(yīng)啟動給水泵工作。

安全保護(hù)中的壓力危險（PA．2＝1），水位危險（P1．0＝1），中途熄火（PA．0＝1）等保護(hù)也由接在主程序之后的判斷指令來完成的，若PA．2＝1或P1．0＝1，則停止系統(tǒng)工作（置P1．7＝1）并且聲光報警，若PA．0＝1，中途熄火，則關(guān)閉風(fēng)油門（置0832輸出為OOH），停止風(fēng)機(jī)及燃油泵工作（置P1．4＝0，P1．5＝0），并作中途熄火聲光報警，程序自動重新開始。　

3．2．2　主程序流程圖

船舶輔助鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)的主程序包括系統(tǒng)初始化、鍋爐水位控制、燃燒程序控制、鍋爐蒸汽壓力自動控制、安全保護(hù)等模塊。其流程圖如圖3—2所示。

4　結(jié)束語

經(jīng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)由于采用了基于8032單片機(jī)的智能控制方式，與全部采用繼電——接觸器或PLC的輔助鍋爐自動控制系統(tǒng)相比，具有硬件電路簡單、價格低廉、無觸點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，同時系統(tǒng)動靜態(tài)特性得到很大改善，系統(tǒng)的水位控制、燃燒程序控制、蒸汽壓力控制、安全保護(hù)、故障檢測等功能均由8032單片機(jī)完成，充分體現(xiàn)了單片機(jī)組成的系統(tǒng)的優(yōu)越性。

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