电热锅炉温度—液位智能控制系统

摘要：依据电热锅炉的控制要求，介绍了模糊控制技术在电热锅炉温度—液位智能控制系统中的应用，给出客模糊控制器的实现过程。该系统具有良好的控制效果、安全可靠、易于实现、维修方便。

关键词：电热锅炉 智能 模糊控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0013-02

1 引言

近年来，我国北方在冬季常常出现雾霾天气。经研究，北方到了冬季烧煤供暖所产生的废气是产生雾霾的主要原因之一。为了减少空气污染，使用电热锅炉取暖是北方供热的一种新型环保节能的理想方式。

电热锅炉的功能是将电能转换成为另一种能量——热能，是一种利用转换后热能的装置。电热锅炉能够满足高层住宅、商业单位、小型工矿生产企业等领域的需求，系统结构比较简单、可靠性高、无噪音污染、使用清洁能源等优点；同时还具有占地面积小、设备布置灵活、附属机器少、运行维修投入少、检修方便等特点。系统的自动化程度高，水温可任意设定。在实际工程中，需要有效的控制电热锅炉出水口温度和锅炉内的液位，这就需要在控制系统中引入模糊控制算法，实现温度与液位的有效控制。

2 系统控制策略研究

对于电热锅炉来说，温度—液位智能控制系统的参数各相互独立，又相互关联。如液位变化，使得温度随之变化。因此，该系统设计中应考虑相互干扰、耦合。系统采用1个双输入—双输出的模糊控制器。温度—液位模糊控制器结构如图1。

电热锅炉温度—液位智能控制系统以温度、液位的给定值作为输入量，以对各种执行机构的实际控制量作为模糊控制器的输出量。通过这些模糊控制器的输出的控制量，控制变频器和锅炉电热圈两端电压的改变，从而达到控制电热锅炉温度—液位智能控制系统的温度和液位的实际值。系统的控制核心是模糊控制器。系统根据不同的时期对温度、液位的要求，由给定系统给出控制的目标数值，将其与传感器采集的信息，即被控对象的温度、液位等实时测量数据，进行比较，得出给定数值同实时测量数据之间的偏差值。由模糊控制器对偏差值进行模糊化、建立模糊规则、进行模糊推理和清晰化的处理，最终输出清晰的控制量，驱动执行机构，控制被控对象。电热锅炉温度—液位智能控制系统结构见图2。

3 系统构成

工控机、可编程控制器、传感器、变频器、数据采集模块、三相电机、水泵、晶闸管SCR模块、锅炉电热圈等部分构成电热锅炉温度—液位智能控制系统。模糊控制器主要是利用工控机实现。利用传感器对被控对象的出口温度、液位进行实时检测，利用实时数据采集模块，对检测值进行实时采样，传输到输入端与给定值进行比较，得到偏差值及偏差值得变化率，输入模糊控制器。从而在模糊控制器内利用模糊控制规则进行模糊推理，对得到的输出模糊向量进行清晰化，得到输出准确量，送到执行机构。由可编程控制器控制变频器、晶闸管SCR模块、锅炉电热圈两端电压等，保证系统参数满足设计要求，使电热锅炉温度—液位智能控制系统达到稳定。

3.1 传感器

智能控制系统主要使用温度传感器和液位传感器。温度传感器、液位传感器用来检测电热锅炉温度—液位智能控制系统的温度、液位的变化。这些实际数据通过智能控制系统数据采集模块后，传输给工控机。工控机将其与给定系统给出的输入数据进行比较，模糊控制器的输出量决定执行器的动作。

3.2 可编程控制器

电热锅炉温度—液位智能控制系统使用可编程控制器作为系统的执行机构。因为可编程控制器具有控制性能稳定，功能完善，可靠性高，抗干扰能力强，能耗低，系统维护方便、容易改造、适用性强等特点。系统的模糊控制算法则由工控机实现。该智能控制系统使用西门子（中国）有限公司的S7-200型PLC。

3.3 模糊控制器

设计模糊控制系统的核心是设计模糊控制器。建立模糊控制规则是设计模糊控制器的过程中的核心工作。本系统利用工控机编制程序实现模糊控制器。数据采集模块将采集的实时数据传输到模糊控制器中，经模糊控制器计算出模糊输入量，进行模糊逻辑推理，得到模糊输出量，再经过清晰化处理，得到输出控制量的精确值。工控机通过信号传输将控制量的精确值传给PLC，PLC利用其内部程序驱动执行机构，由执行机构对水温、液位进行控制操作，实现控制系统的稳定运行。

4 控制系统实现

模糊控制系统跟传统控制系统的基本思路是一脉相承的，它与传统控制系统的主要差异就是用模糊控制器代替了传统控制器。因此，智能控制系统的核心部分就是模糊控制器。电热锅炉温度—液位智能控制系统的模糊控制器由4部分构成。

4.1 系统输入、输出量的确定

该智能控制系统输入是输入信号与反馈信号的偏差信号E和偏差变化率，输出是控制量偏差E=h-，其中h为传感器检测到的实时测量数据；为给定系统给出的目标数据。偏差变化率为：

4.2 系统输入量的模糊化

经过采样得到的输入量都是清晰值，经过量化因子处理相当于进行一次比例变换，映射成模糊论域上的某个数值。输入的模糊论域，可以根据实际情况来估定。以温度为例，设定偏差和偏差变化所取得模糊集的论域为，通过公式（1）转换。

4.3 模糊规则的制定

利用典型的基本模糊条件句型“if A and B then U”，结合给定系统总结出一系列模糊语言控制规则，从而形成模糊控制规则表。

模糊控制规则表见表1。

模糊量经规则运算得到模糊控制量即模糊向量。如系统水温较低，且持续降低，应加大锅炉电热圈两端电压，可通过“if A and B then U”的格式实现形式化数据处理。

4.4 系统输出模糊量的清晰化

经过模糊逻辑推理后，输出的是模糊集合，由于它是多条模糊控制规则所得结论的综合，其还是模糊向量。然而对实际系统而言，它是无法利用模糊向量对被控对象进行控制的。因此系统要对模糊输出量进行清晰化处理，然后按照加权平均法得到具体控制量。经过清晰化处理后的输出量虽然是清晰值，但是其取值范围是在模糊论域中。模糊论域与输出控制量的实际物理论域并不一定一致，因此引入一个比例因子，使将该控制量能够在被控对象所能接受的实际物理论域中。最终的实际控制量是该比例因子与控制量的乘积。将其传给PLC，执行对电热锅炉温度—液位智能控制系统的控制。

5 结语

电热锅炉温度-液位智能控制系统采用了模糊控制方式，克服了传统控制系统设计的缺点。传统控制系统是建立起被控对象及控制系统的精确数学模型，以此模型作为整个控制系统建模、分析、设计的基础。建立精确的数学模型需要对控制系统及被控对象的内部结构、工作机理等进行分析、辨识，步骤较复杂，计算量大。而模糊控制系统设计则只需确定模糊控制器的结构、建立模糊规则等工作，不需要求取系统的精确数学模型。这种控制方式信息少、响应快、计算量小、易于工程实践，有较广阔的应用空间。电热锅炉温度-液位智能控制系统通过模糊控制，实现了对锅炉水温和液位的有效的自动控制。该系统结构简单、安全可靠性高、易于实现、运行与维修方便。随着我国对环境保护的力度加大，人们的环保意识增强，电热锅炉以其卓越的环保性能和良好的经济运行指标，一定能成为广泛使用的新型绿色环保设备。

参考文献

[1]张文胜，龚希波.电热锅炉的市场前景和发展方向[J].能源工程，2001.

[2]李兰君，喻寿益，高嵩，秦业.微型锅炉液位模糊PID控制[J].微计算机信息，2007.

[3]宋乐鹏，柳果.基于PLC的加热炉温度控制系统[J].自动化技术与应用，2007.

[4]任俊杰，李红星，李永霞，张益农.电热锅炉温度—液位双回路控制系统[J].微计算机信息，2009.

[5]石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真.清华大学出版社，2008.

[6]崔俊峰，厉善亨.基于一种模糊控制的锅炉“虚假水位”对策研究[J].中国科技信息，2010.

[7]任俊杰，李红星，李永霞，张益农.电热锅炉温度-液位双回路控制系统《微计算机信息》，2009.

[8]常若葵，卫勇，刘华，王远宏.温室环境参数智能控制系统的设计《农产品加工（学刊）》，2010.

[9]刘晓川.PID与模糊控制相结合的智能温度控制系统[J].电子质量，2012.

[10]姜增如.基于远程液位模糊控制实验设计《实验技术与管理》-2010-07-20.