模糊PID在嵌入式窯爐控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)

單 偉

(中國電子科技集團公司第四十三研究所，安徽合肥 230088)

嵌入式屬于近年來技術(shù)熱點，由于其功能強大，運行可靠而被廣泛應(yīng)用于軍事、航天、工控等各個行業(yè)。工業(yè)電子窯爐控制系統(tǒng)由于其被控量(溫度、壓力、速度、氧含量、露點等)復(fù)雜，控制算法復(fù)雜度較高，另外要求較好的實時性，因此非常適合嵌入式技術(shù)的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的基于智能儀表氣氛網(wǎng)帶窯爐控制系統(tǒng)的控制方式為：各溫區(qū)由溫控儀單獨控溫、變頻器與電機調(diào)帶速，氣體流量手動調(diào)節(jié)；各儀表數(shù)據(jù)(溫度、速度)通過232或485口與工業(yè)控制計算機通訊，實現(xiàn)工控機對窯爐的監(jiān)測與設(shè)定，此控制方式缺乏核心競爭力，即缺少相對于設(shè)備硬件的算法，工控機僅起到監(jiān)測設(shè)定的功能。被控對象之間相互獨立，各物理量之間相互影響只能靠經(jīng)驗人為進(jìn)行控制，其效果與穩(wěn)定性將很難掌握，人工的控制周期只能做到數(shù)秒鐘，操作的精度基本在1%～5%量級，同時操作的實際情況還要受到操作者熟練程度、精神狀態(tài)等因素的干擾。而計算機控制系統(tǒng)可以做到毫秒級控制周期，控制參數(shù)的精度可以做到0.1%～0.5%，對于特殊的回路，精度還可以更高，大大提高產(chǎn)品的品質(zhì)。因此對于控制算法的研究尤為重要，市場上任何優(yōu)秀的控制器，其功能都無法強大到能綜合某特定設(shè)備的多變量多回路的控制。嵌入式控制器在這種情況下就有了用武之地。

在上述背景下，本文提出了基于WinCE系統(tǒng)的嵌入式窯爐控制系統(tǒng)設(shè)計原理和方法。運用模糊PID算法實現(xiàn)對被控對象的精確控制。

1 系統(tǒng)硬件部分

本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要部分有：主模塊、速度控制、測溫系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、邏輯動作報警系統(tǒng)。包含系統(tǒng)應(yīng)用程序的WinCE操作系統(tǒng)運行于主模塊上，對采集到的各種數(shù)據(jù)信號(溫度、壓力、速度、流量等)進(jìn)行運算處理以及控制信號輸出、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、存儲。各子系統(tǒng)功能模塊通過485總線與主模塊進(jìn)行通訊，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制，接收主模塊指令執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.1 主模塊

系統(tǒng)應(yīng)用程序與WinCE操作系統(tǒng)運行于主模塊上，是整個系統(tǒng)的核心控制器。

該平臺的硬件環(huán)境：ARM 9(SamSung2416)，400 MHz，1GFlash；有 VGA 接口、USB 接口、增加了 485的引出端子。與傳統(tǒng)的控制設(shè)備相比具有如下特點：

●具有更豐富的計算功能，與計算機一樣強大；

●支持多種硬件設(shè)備，可靈活實現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)成；

●支持網(wǎng)絡(luò)連接功能，數(shù)據(jù)傳輸方便；

●移植WinCE嵌入式操作系統(tǒng)，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性；

●使用人機軟件與外圍設(shè)備連接；

1.3.3 觀察指標(biāo)與標(biāo)本采集 開始治療當(dāng)天記為d1，分別記錄d1、d4、d7、d10和d13各組小鼠體質(zhì)量，觀察各組小鼠體質(zhì)量變化。各組治療結(jié)束后處死小鼠，完整剝離腫瘤并稱取瘤質(zhì)量，腫瘤標(biāo)本取下后放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%多聚甲醛溶液中固定，進(jìn)行脫水、透明、浸蠟、包埋及切片。

●可使用高級語言編程，實現(xiàn)用戶自定義需求。

1.2 功能模塊

本系統(tǒng)所用的主要功能模塊分別介紹為：

模擬量模塊：8路模擬量輸入(包括電壓、熱電偶)、2路數(shù)字輸出；隔離RS-485通訊接口；單元模塊通訊協(xié)議，可與其他廠家的控制模塊掛在同一RS485總線上，便于計算機編程。電源輸入+8～25V寬輸入。

數(shù)字量輸出模塊：帶隔離RS-485通訊接口，單元模塊通訊協(xié)議，+8～25 V寬輸入電源，負(fù)載最大電壓是15～30 V。

繼電器輸出模塊：8路繼電器輸出模塊，隔離RS-485/RS-232通訊接口，單元模塊通訊協(xié)議，+8～25 V寬輸入電源。

2 系統(tǒng)軟件部分

主程序采用C++開發(fā)語言在Visual Studio 2008環(huán)境下實現(xiàn)。下位功能模塊采用C語言實現(xiàn)。

主程序包括溫度監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定、溫度曲線、歷史記錄、用戶設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置等功能。由于篇幅限制，詳細(xì)設(shè)計過程不再敘述。下位模塊負(fù)責(zé)模擬量數(shù)字量信號采集、PWM信號輸出、功率繼電器開關(guān)量輸出等功能。

3 控制算法實現(xiàn)

窯爐各溫區(qū)之間會相互關(guān)聯(lián)，此系統(tǒng)將各溫區(qū)的溫度控制結(jié)合起來，通過自適應(yīng)模糊控制溫度算法，依據(jù)當(dāng)前工藝曲線自動調(diào)節(jié)各溫區(qū)加熱元件輸出功率、空氣流量的相互比例，提高了控制溫度的精確度和準(zhǔn)確度，避免了在窯爐設(shè)備壓力和氣氛變化過程中溫度出現(xiàn)超調(diào)和欠調(diào)的現(xiàn)象。

常規(guī)PID算法只能利用一組固定參數(shù)或人為修改參數(shù)進(jìn)行控制，這些參數(shù)不能夠兼顧動態(tài)性能與靜態(tài)性能之間的矛盾，為此，控制系統(tǒng)引入模糊推理，在PID控制參數(shù)初值基礎(chǔ)上通過增加修正量進(jìn)行整定，改善靜動態(tài)性能。

模糊PID控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，在傳統(tǒng)PID控制器基礎(chǔ)上增加PID參數(shù)模糊調(diào)節(jié)控制器件，根據(jù)系統(tǒng)實時運行狀態(tài)在線修正PID參數(shù)代替人工手動調(diào)整。模糊控制器以偏差e和偏差變化率ec為輸入，修正參數(shù) Δkp、Δki、Δkd為輸出，則 PID 控制器參數(shù) kp、ki、kd可表示為：

其中 kp0、ki0、Δkd0為 PID 初值。

圖2 模糊PID控制系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)PID控制規(guī)律用如下差分方程表示：

其中kp、ki、kd為PID控制器的3個在線可調(diào)參數(shù)。

在變量 E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD的論域上定義模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正大，正中，正小}，隸屬函數(shù)采用正態(tài)分布函數(shù)。依據(jù)人們對PID控制理論認(rèn)識的長期人工操作經(jīng)驗列出一組以模糊語句進(jìn)行描述的參數(shù)調(diào)整規(guī)則。以模糊規(guī)則表的形式在程序中實現(xiàn)。系統(tǒng)運行時，根據(jù)該規(guī)則表在線修正PID參數(shù)，得到自適應(yīng)控制目的。圖4為模糊PID控制程序流程圖。按照流程圖，首先取當(dāng)前采樣值，計算模糊化偏差E以及模糊化偏差變化EC。然后進(jìn)行模糊量化處理，查找模糊規(guī)則表得到 ΔKP、ΔKI、ΔKD模糊值，再采用最大隸屬度法進(jìn)行清晰化處理。最后得到當(dāng)前kp、ki、kd值根據(jù)式(2)進(jìn)行 PID 計算獲得輸出量 u(k)。

圖4 模糊PID控制程序流程圖

4 結(jié)束語

Wince系統(tǒng)提供強大的界面和網(wǎng)絡(luò)功能支持，很容易開發(fā)出具有與桌面機相媲美操作界面的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，最為重要的是在其應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境下可以實現(xiàn)復(fù)雜高效的控制算法，并具有較好的實時性，足以滿足溫控等實時性要求不是非常嚴(yán)格的場合需求。因此，采用Wince操作系統(tǒng)平臺的控制器作為窯爐核心控制器不失為一種不錯的選擇。模糊PID在線自適應(yīng)控制算法很好地解決了系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能之間的矛盾，使得系統(tǒng)既能達(dá)到很好的動態(tài)性能又獲得較好的穩(wěn)態(tài)性能。

本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于我公司多臺窯爐設(shè)備，實際運行情況表明其控制精度、穩(wěn)定性、可靠性和實時性等方面均可滿足設(shè)計要求。

[1]諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.7.

[2]呂春蘭.基于模糊自整定PID參數(shù)控制器的設(shè)計[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2002.6.33-35.

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