专利名称：电热锅炉自适应模糊控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电热锅炉的控制装置。
背景技术：
电热锅炉就是将电能转换为热能，使水加热以产生有压力的热水或蒸汽的一种设备。电热锅炉虽然具有以下优点1、结构简单紧凑，占地面积小；2、自动化程度高，运行安全可靠，热效率高；3、护环境、无噪声、无污染等优点。但目前电热锅炉的控制部分，大多采用普通的温度控制器，或者采用可编程控制器实现温度控制，这些控制方式都存在以下问题，一是生产成本较高，二是控制精度较低，三是温度波动大，造成不必要的能源浪费，四是控制方式不灵活。从控制方式上常采用PID控制算法，PID控制由于其参数固定，不能适应控制对象及环境的变化，在温度控制系统中具有下列缺点1.超调较大，振荡时间长，由于被控对象的滞后作用，实际温度在达到设定的恒温值后，总是产生较大的超调。在经过多次的“上升～下降”振荡过程之后，才有可能趋于稳定。2.由于滞后作用而产生的振荡极易使积分饱和，并因此而使振荡过程更加强烈。3.对干扰较敏感，当某时刻测量出的实际温度值有较大误差时，即使不采用微分项，也会因比例控制作用而使控制输出产生较大的波动。由于目标值的变化，不可测的外部干扰，控制对象的慢时变性等都必然导致系统动特性的变化，简单的PID算法在这种场合下作人工整定有时是不可能的。有些电热锅炉的电加热管由于长时间持续工作，因而寿命大多较短。
实用新型内容本实用新型研制了一种电热锅炉自适应模糊控制器，它具有温度控制精度高、温度波动小、节省能源的优点；电热锅炉投入工作和停止工作时，采用分组投入和分组切断方式，引起的电网波动小；它还具有体积小、成本低、电加热管寿命长的优点。本实用新型由单片机U1、温度采集电路1、温度信号变换电路2、数码显示电路3、显示驱动电路4、程序输入电路5、控制信号驱动电路6、继电器组7、存储单元电路8、晶体振荡器M1、两个电容C1、C2组成，温度采集电路1的信号输出端与温度信号变换电路2的信号输入端相连接，温度信号变换电路2的信号输出端与单片机U1的信号输入端相连接；单片机U1的显示信号输出端与显示驱动电路4的信号输入端相连接，显示驱动电路4的信号输出端与数码显示电路3的信号输入端相连接；程序输入电路5的信号输出端与单片机U1的程序输入端相连接；单片机U1的存储信号输入输出端与存储单元电路8的存储信号输出输入端相连接；单片机U1的控制信号输出端与控制信号驱动电路6的信号输入端相连接，控制信号驱动电路6的信号输出端与继电器组7的信号输入端相连接，继电器组7的电加热管控制信号输出端与电加热管组10的控制端相连接，继电器组7的水泵控制信号输出端与水泵组11的控制端相连接；晶体振荡器M1串联连接在单片机U1的34、35脚之间，单片机U1的34、35脚分别经电容C1、C2接地。本实用新型中由单片机U1采集电热锅炉水温，并将温度数据送回单片机U1，单片机U1将检测到的温度数据经过单片机模糊计算后，给出控制量，并由继电器组7分别控制电加热管组10和水泵组11；当单片机U1检测到锅炉内水温高于预设值时，单片机U1给出控制量通过控制信号驱动电路6和继电器组7减少运行的电加热管组10的数量，同时通过控制信号驱动电路6和继电器组7启动水泵11加快水循环，以保证锅炉水温的恒定，减少电加热管组10的数量由单片机U1给出的控制量决定，由单片机U1的控制程序自动运行；当单片机U1检测到锅炉内的水温低于预设值时，单片机U1通过控制信号驱动电路6和继电器组7增加运行的电加热管组10的数量。本实用新型中单片机U1自动检测温度数据、自动调节运行的电加热管数量和水泵的数量，实现了电热锅炉的自适应控制，单片机U1采集到温度数据后对温度数据进行模糊计算，给出控制量，由继电器组7中的继电器的吸合和断开从而实现模糊自适应控制；单片机U1还能根据程序定时由控制信号驱动电路6和继电器组7控制多组电加热管10轮流工作，从而延长了电加热管10的工作寿命。本实用新型将模糊控制技术用于电热锅炉的温度控制中，采用单片机控制技术，设计了一个通用的单片机控制的自适应模糊电热锅炉控制器。本实用新型具有以下优点(1)温度控制精度高、温度波动小、节省能源；(2)电热锅炉投入工作和停止工作时，采用分组投入和分组切断方式，引起的电网波动小；(3)采用轮流工作方式保证每支加热管都能定期稳定工作，延长其工作寿命；(4)体积小，成本低。本实用新型解决了传统PID控制中参数固定，不能适应控制对象及环境的变化的问题。
图1是本实用新型的整体结构示意图，图2是具体实施方式
中温度采集电路1和温度信号变换电路2的电路结构示意图，图3是具体实施方式
中数码显示电路3和显示驱动电路4的电路结构示意图，图4是具体实施方式
中程序输入电路5的电路结构示意图，图5是具体实施方式
中控制信号驱动电路6、继电器组7、电加热管组10及水泵组11的电路结构示意图，图6是具体实施方式
中存储单元电路8的电路结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本具体实施方式
由单片机U1、温度采集电路1、温度信号变换电路2、数码显示电路3、显示驱动电路4、程序输入电路5、控制信号驱动电路6、继电器控制电路7、存储单元电路8、晶体振荡器M1、两个电容C1、C2组成，单片机U1选用80C552型号，晶体振荡器M1选用12MHz型号的；温度采集电路1的信号输出端与温度信号变换电路2的信号输入端相连接，温度信号变换电路2的信号输出端与单片机U1的信号输入端相连接；单片机U1的显示信号输出端与显示驱动电路4的信号输入端相连接，显示驱动电路4的信号输出端与数码显示电路3的信号输入端相连接；程序输入电路5的信号输出端与单片机U1的程序输入端相连接；单片机U1的存储信号输入输出端与存储单元电路8的存储信号输出输入端相连接；单片机U1的控制信号输出端与控制信号驱动电路6的信号输入端相连接，控制信号驱动电路6的信号输出端与继电器组7的信号输入端相连接，继电器组7的电加热管控制信号输出端与电加热管组10的控制端相连接，继电器组7的水泵控制信号输出端与水泵组11的控制端相连接；晶体振荡器M1串联连接在单片机U1的34、35脚之间，单片机U1的34、35脚分别经电容C1、C2接地。
所述的温度采集电路1和温度信号变换电路2如图2所示，它们由热敏电阻Pt、八个电阻R1-R8、电位器W1、信号变换芯片IC1组成，热敏电阻Pt选用Pt100型号，信号变换芯片IC1选用MAX473型号，热敏电阻Pt的电源端2脚接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接电阻R1的一端和电源+Ec，热敏电阻Pt的3脚经电阻R4接地，电阻R1的另一端接电阻R2、电阻R6的一端，电阻R2的另一端接地，电阻R6的另一端接信号变换芯片IC1的3脚和电阻R7的一端，电阻R7的另一端接地，热敏电阻Pt的信号输出端1脚经电阻R5接信号变换芯片IC1的信号输入端2脚；信号变换芯片IC1的1脚接电位器W1的一个固定端，W1的另一固定端接IC1的8脚，W1的滑动端接地，IC1的4脚接地，IC1的5脚悬空，IC1的7脚和单片机U1的2脚接电源+Ec，IC1的信号输出端6脚接单片机U1的信号输入端1脚和电阻R8的一端，R8的另一端接IC1的2脚。热敏电阻Pt采集温度信号，然后由信号变换芯片IC1转换成数字信号后送到单片机U1。
所述的数码显示电路3和显示驱动电路4如图3所示，它们由显示控制芯片IC2、两个显示驱动芯片IC3、IC4、八个电阻R9-R16、电容C3、四位数码显示管K1组成，显示控制芯片IC2选用MC14499型号，显示驱动芯片IC3、IC4选用75452型号，显示控制芯片IC2的信号输入端12、13、5脚分别与单片机U1的信号输出端9、8、7脚对应相连接，IC2的电源端18脚接电源+Ec，IC2的9脚接地，IC2的6脚经电容C3接地，IC2的11脚与显示驱动芯片IC3的1、2脚相连接，IC2的10脚接IC3的6、7脚；IC2的8脚与显示驱动芯片IC4的1、2脚相连接，IC2的7脚接IC4的6、7脚，显示驱动芯片IC3、IC4的8脚接电源+Ec，显示驱动芯片IC3、IC4的4脚接地；IC2的4、3、2、1、17、16、15、14脚分别经电阻R9-R16与数码显示管K1的3、12、2、8、11、6、9、10一一对应相连接，IC3的3、5脚和IC4的3、5脚分别与数码显示管K1的1、4、5、7脚一一对应相连接；所述的数码显示电路3和显示驱动电路4为相同的两组，另一组的显示控制芯片IC2′的信号输入端12、13、5脚分别与单片机U1的10、8、7脚对应相连接，其它组成和连接关系与数码显示电路3和显示驱动电路4相同。
所述的程序输入电路5如图4所示，它由两个电阻R17、R18、五个输入按键SW1-SW5、两个电容C4、C5组成，按键SW1-SW5的2、4脚都悬空，按键SW1-SW5的3脚分别与单片机U1的15、16、17、18、19脚一一对应相连接；按键SW2-SW5的1脚都接地，按键SW1的1脚接电阻R17的一端，R17的另一端分别接电容C4、C5的一端和电源+Ec，电容C4的另一端接地，C5的另一端接按键SW1的3脚和电阻R18的一端，R18的另一端接地。
所述的控制信号驱动电路6和继电器组7的如图5所示，控制信号驱动电路6由两个电阻R19、R20、两个驱动芯片IC5、IC6组成，驱动芯片IC5、IC6选用7407型号，驱动芯片IC5的1、3、5、13、11、9脚分别与单片机U1的20、21、22、25、24、23脚一一对应相连接；驱动芯片IC6的1、3脚与单片机U1的13、14脚对应相连接；驱动芯片IC5、驱动芯片IC6的14脚都接电源+Ec，IC5的5、9脚分别经电阻R19、R20接电源+Ec，驱动芯片IC5、驱动芯片IC6的7脚接地；继电器组7由八个继电器Q1-Q8组成，八个继电器Q1-Q8都选用GJ2-V型号，八个继电器Q1-Q8的电源端1脚都接电源+Ec，八个继电器Q1-Q8的信号输入端2脚分别与控制信号驱动电路6中驱动芯片IC5的2、4、6、8、10、12脚和IC6的2、4脚一一对应相连接，继电器Q1-Q8的信号输出端3、4脚分别与电加热管10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6和水泵11-1、11-2的控制端相连接。单片机U1发出信号经控制信号驱动电路6驱动后送入继电器组7，由继电器组7分别控制每组电加热器的启动和关闭，也控制每组水泵的启动和关闭，从而实现自动控制。
所述的存储单元电路8如图6所示，它由锁存器IC7、存储器IC8组成，锁存器IC7选用74LS373型号，存储器IC8选用27128型号，锁存器IC7的3、4、7、8、13、14、17、18脚分别于单片机U1的57、56、55、54、53、52、51、50脚及存储器IC8的11、12、13、15、16、17、18、19脚一一对应相连接，单片机U1的49脚和锁存器IC7的1脚连接后接地，单片机U1的48脚和锁存器IC7的11脚相连接，单片机U1的47脚与存储器IC8的22脚相连接，单片机U1的44、43、42、41、40、39脚分别与存储器IC8的26、2、23、21、24、25脚一一对应相连接，锁存器IC7的2、5、6、9、12、15、16、19脚分别与存储器IC8的10、9、8、7、6、5、4、3脚一一对应相连接，存储器IC8的20脚接地，存储器IC8的27、1脚接电源+Ec。
工作原理本实用新型采用单片机控制的自适应模糊控制器，在电热锅炉投入工作和停止工作时，采用分组投入和分组切断方式，以免引起电网波动，并且采用轮流工作方式保证每支加热管都能定期工作，延长其工作寿命。控制投入的组数和间隔时间，保持热水温度恒定，根据环境及用水的变化，及时调整加热功率，保证恒温供热。本实用新型采用单片机控制可以减小体积，降低成本，提高系统的稳定性。单片机U1采用80C552，外扩一片存储器27128。温度传感器用热敏电阻Pt100，经信号变换电路转换为电压信号，通过单片机U1内部的A/D变换为数字量。通过MC1499扩展8位数码管，用于显示时间和温度值。单片机U1根据设定的程序，发出控制信号，由控制信号驱动电路6控制继电器控制电路7进而控制电加热器和循环水泵。
权利要求1.电热锅炉自适应模糊控制器，其特征在于它由单片机(U1)、温度采集电路(1)、温度信号变换电路(2)、数码显示电路(3)、显示驱动电路(4)、程序输入电路(5)、控制信号驱动电路(6)、继电器组(7)、存储单元电路(8)、晶体振荡器(M1)、两个电容(C1)、(C2)组成，温度采集电路(1)的信号输出端与温度信号变换电路(2)的信号输入端相连接，温度信号变换电路(2)的信号输出端与单片机(U1)的信号输入端相连接；单片机(U1)的显示信号输出端与显示驱动电路(4)的信号输入端相连接，显示驱动电路(4)的信号输出端与数码显示电路(3)的信号输入端相连接；程序输入电路(5)的信号输出端与单片机(U1)的程序输入端相连接；单片机(U1)的存储信号输入输出端与存储单元电路(8)的存储信号输出输入端相连接；单片机(U1)的控制信号输出端与控制信号驱动电路(6)的信号输入端相连接，控制信号驱动电路(6)的信号输出端与继电器组(7)的信号输入端相连接，继电器组(7)的电加热管控制信号输出端与电加热管组(10)的控制端相连接，继电器组(7)的水泵控制信号输出端与水泵组(11)的控制端相连接；晶体振荡器(M1)串联连接在单片机(U1)的34、35脚之间，单片机(U1)的34、35脚分别经电容(C1)、(C2)接地。
2.根据权利要求1所述的电热锅炉自适应模糊控制器，其特征在于所述的温度采集电路(1)和温度信号变换电路(2)，它们由热敏电阻(Pt)、八个电阻(R1-(R8)、电位器(W1)、信号变换芯片(IC1)组成，热敏电阻(Pt)的电源端2脚接电阻(R3)的一端，电阻(R3)的另一端接电阻(R1)的一端和电源(+Ec)，热敏电阻(Pt)的3脚经电阻(R4)接地，电阻(R1)的另一端接电阻(R2)、电阻(R6)的一端，电阻(R2)的另一端接地，电阻(R6)的另一端接信号变换芯片(IC1)的3脚和电阻(R7)的一端，电阻(R7)的另一端接地，热敏电阻(Pt)的信号输出端1脚经电阻(R5)接信号变换芯片(IC1)的信号输入端2脚；信号变换芯片(IC1)的1脚接电位器(W1)的一个固定端，电位器(W1)的另一固定端接信号变换芯片(IC1)的8脚，电位器(W1)的滑动端接地，信号变换芯片(IC1)的4脚接地，信号变换芯片(IC1)的5脚悬空，信号变换芯片(IC1)的7脚和单片机(U1)的2脚接电源(+Ec)，信号变换芯片(IC1)的信号输出端6脚接单片机(U1)的信号输入端1脚和电阻(R8)的一端，电阻(R8)的另一端接(IC1)的2脚。
3.根据权利要求1所述的电热锅炉自适应模糊控制器，其特征在于所述的数码显示电路(3)和显示驱动电路(4)，它们由显示控制芯片(IC2)、两个显示驱动芯片(IC3)、(IC4)、八个电阻(R9)-(R16)、电容(C3)、四位数码显示管(K1)组成，显示控制芯片(IC2)的信号输入端12、13、5脚分别与单片机(U1)的信号输出端9、8、7脚对应相连接，显示控制芯片(IC2)的电源端18脚接电源(+Ec)，显示控制芯片(IC2)的9脚接地，显示控制芯片(IC2)的6脚经电容(C3)接地，显示控制芯片(IC2)的11脚与显示驱动芯片(IC3)的1、2脚相连接，显示控制芯片(IC2)的10脚接显示驱动芯片(IC3)的6、7脚；显示控制芯片(IC2)的8脚与显示控制芯片(IC4)的1、2脚相连接，显示控制芯片(IC2)的7脚接显示驱动芯片(IC4)的6、7脚，显示驱动芯片(IC3)、(IC4)的8脚接电源(+Ec)，显示驱动芯片(IC3)、(IC4)的4脚接地；显示控制芯片(IC2)的4、3、2、1、17、16、15、14脚分别经电阻(R9)-(R16)与数码显示管(K1)的3、12、2、8、11、6、9、10一一对应相连接，显示驱动芯片(IC3)的3、5脚和显示驱动芯片(IC4)的3、5脚分别与数码显示管(K1)的1、4、5、7脚一一对应相连接；所述的数码显示电路(3)和显示驱动电路(4)为相同的两组，另一组的显示控制芯片(IC2′)的信号输入端12、13、5脚分别与单片机(U1)的10、8、7脚对应相连接，其它组成和连接关系与数码显示电路(3)和显示驱动电路(4)相同。
4.根据权利要求1所述的电热锅炉自适应模糊控制器，其特征在于所述的程序输入电路(5)，它由两个电阻(R17)、(R18)、五个输入按键(SW1)-(SW5)、两个电容(C4)、(C5)组成，按键(SW1)-(SW5)的2、4脚都悬空，按键(SW1)-(SW5)的3脚分别与单片机(U1)的15、16、17、18、19脚一一对应相连接；按键(SW2)-(SW5)的1脚都接地，按键(SW1)的1脚接电阻(R17)的一端，电阻(R17)的另一端分别接电容(C4)、(C5)的一端和电源(+Ec)，电容(C4)的另一端接地，电容(C5)的另一端接按键(SW1)的3脚和电阻(R18)的一端，电阻(R18)的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的电热锅炉自适应模糊控制器，其特征在于所述的控制信号驱动电路(6)和继电器组(7)，控制信号驱动电路(6)由两个电阻(R19)、(R20)、两个驱动芯片(IC5)、(IC6)组成，驱动芯片(IC5)的1、3、5、13、11、9脚分别与单片机(U1)的20、21、22、25、24、23脚一一对应相连接；驱动芯片(IC6)的1、3脚与单片机(U1)的13、14脚对应相连接；驱动芯片(IC5)、驱动芯片(IC6)的14脚都接电源(+Ec)，驱动芯片(IC5)的5、9脚分别经电阻(R19)、(R20)接电源(+Ec)，驱动芯片(IC5)、驱动芯片(IC6)的7脚接地；继电器组(7)由八个继电器(Q1)-(Q8)组成，八个继电器(Q1)-(Q8)的电源端1脚都接电源(+Ec)，八个继电器(Q1)-(Q8)的信号输入端2脚分别与控制信号驱动电路(6)中驱动芯片(IC5)的2、4、6、8、10、12脚和(IC6)的2、4脚一一对应相连接，继电器(Q1)-(Q8)的信号输出端3、4脚分别与电加热管(10-1)、(10-2)、(10-3)、(10-4)、(10-5)、(10-6)和水泵(11-1)、(11-2)的控制端相连接。
6.根据权利要求1所述的电热锅炉自适应模糊控制器，其特征在于所述的存储单元电路(8)它由锁存器(IC7)、存储器(IC8)组成，锁存器(IC7)的3、4、7、8、13、14、17、18脚分别于单片机(U1)的57、56、55、54、53、52、51、50脚及存储器(IC8)的11、12、13、15、16、17、18、19脚一一对应相连接，单片机(U1)的49脚和锁存器(IC7)的1脚连接后接地，单片机(U1)的48脚和锁存器(IC7)的11脚相连接，单片机(U1)的47脚与存储器(IC8)的22脚相连接，单片机(U1)的44、43、42、41、40、39脚分别与存储器(IC8)的26、2、23、21、24、25脚一一对应相连接，锁存器(IC7)的2、5、6、9、12、15、16、19脚分别与存储器(IC8)的10、9、8、7、6、5、4、3脚一一对应相连接，存储器(IC8)的20脚接地，存储器(IC8)的27、1脚接电源(+Ec)。
专利摘要电热锅炉适应模糊控制器，它涉及一种电热锅炉的控制装置。温度采集电路(1)的信号输出端与温度信号变换电路(2)的信号输入端相连接，温度信号变换电路的信号输出端与单片机(U1)的信号输入端相连接；单片机的显示信号输出端与显示驱动电路(4)的信号输入端相连接，单片机的控制信号输出端与控制信号驱动电路(6)的信号输入端相连接，控制信号驱动电路的信号输出端与继电器组(7)的信号输入端相连接，继电器组的电加热管控制信号输出端与电加热管组(10)的控制端相连接，继电器组的水泵控制信号输出端与水泵组(11)的控制端相连接。本实用新型具有以下优点温度控制精度高、温度波动小、节省能源、引起的电网波动小、延长了电加热管的工作寿命。
文档编号G05B13/02GK2615712SQ0321305
公开日2004年5月12日 申请日期2003年5月9日 优先权日2003年5月9日
发明者曲延滨 申请人:哈尔滨工业大学