基于模糊PID算法的鍋爐溫度控制系統(tǒng)研究

滑娟 翟二寧 胡江峰

712000 咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院

712000 兵器工業(yè)部202研究所

摘要：溫度控制在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛，溫度控制系統(tǒng)大慣性、大的延遲和非線性特征。針對這一特征應(yīng)用PID控制算法和模糊算法相結(jié)合的方法，模糊PID算法用于鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究。并開發(fā)使用PIC單片機作為控制器芯片，應(yīng)用模糊PID算法對電鍋爐溫度進行控制。本文介紹了鍋爐溫度系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)的軟件流程和模糊PID控制器的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：溫度控制；模糊控制；PID控制

1.引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常見的主要被控參數(shù)[1]。其中，溫度控制占大部分在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域中，人們需要各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)堆和鍋爐溫度的檢測和控制。采用單片機溫度控制不僅控制方便、簡單、靈活等等優(yōu)點，可以極大地提高溫度控制技術(shù)指標，它可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能儀表和其他許多領(lǐng)域的應(yīng)用非常的廣泛。因此，單片機溫度控制問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中，我們經(jīng)常遇到的控制問題。

溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，一些過程溫度控制效果直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，設(shè)計一個更理想的溫度控制系統(tǒng)價值是非常大的。

2.鍋爐溫度控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)方案是課題研究的重要工作，好的計劃方案可以讓一個設(shè)計有良好的指導(dǎo)，確保順利進行課題的研究工作。

通過分析電鍋爐，我們設(shè)計了控制系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。電鍋爐溫度工作在閉環(huán)控制，設(shè)計的智能控制器是以8位嵌入式單片機PIC16F877完成核心的控制[2]。整個過程的系統(tǒng)，采用單片機、按鍵電路、檢測電路、執(zhí)行電路、復(fù)位電路、報警電路、電源電路、溫度采集電路、溫度顯示電路和PC機等構(gòu)成。

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圖1總體設(shè)計框圖

2.1溫度采集部分

在采集溫度的裝置中，我們選擇WZP - 231鉑熱電阻(Pt100)，接法為三線制。采用橋式測量電路的測量方法。其輸入的量程為（+50- +350)℃ ，經(jīng)過測量電路采樣輸出后變?yōu)椋?-5)V，在經(jīng)過PIC單片機自帶的10位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后單片機保存并處理轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)，并進行顯示。

溫度測量原理:測量電路調(diào)整VRT1電位器和采用TL431產(chǎn)生4.096 V 參考電源;RT1、RT2、VRT2，與Pt100構(gòu)成測量電動橋。（其中VRT2為100Ω，RT1=RT2）當Pt100和VRT2的電阻不相等的時候，輸出產(chǎn)生一個MV壓差，壓差信號經(jīng)過運放LM324放大后輸出變成（1-5）V電壓，經(jīng)過單片機自帶的A / D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號以被單片機來使用。橋式測溫電路的三線制接法原理圖如圖2所示。

圖2 橋式測溫電路的三線制接法原理圖

2.2執(zhí)行電路部分

硬件輸出通道主要包括加熱控制環(huán)節(jié)，電鍋爐水溫度控制是通過加熱管和通過功率輸出來確定。溫度控制器設(shè)計選擇系統(tǒng)的執(zhí)行器件是固態(tài)繼電器。輸出信號的單片機經(jīng)三極管和固態(tài)繼電器控制端連接。溫度傳感器信號采樣，通過單片機控制算法輸出控制量，固態(tài)繼電器的開關(guān)狀態(tài)根據(jù)輸出來判斷。固態(tài)繼電器經(jīng)光耦隔離和過零觸發(fā)型無觸點器件（過零開關(guān)和雙向可控硅組成）。原理圖如圖3。

圖3 繼電器的電原理圖

3.主程序流程圖和模糊PID算法流程圖的設(shè)計

系統(tǒng)上電或復(fù)位后，控制系統(tǒng)主程序被訪問。主程序的軟件設(shè)計是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是整個過程的關(guān)鍵程序結(jié)構(gòu)，模塊化思想在程序設(shè)計中很好的得到了體現(xiàn)。

主程序主要是由系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)采集與處理、智能推理等部分組成。初始化系統(tǒng)是對單片機系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)采集與處理主要包括實時數(shù)據(jù)采集的電加熱溫度信號，計算出實際爐溫度和理想的值，他們的差異和速率溫差，對爐溫度信號的振幅限制和濾波，智能推理是程序的規(guī)則。如下圖4為控制系統(tǒng)的主程序流程序，圖5為算法模糊PID的工作流程。

Y

N

Y

N

圖4 主程序流程圖

圖5 模糊PID的工作流程

4.結(jié)論

溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗的一個常見但非常重要的物理參數(shù)，準確的測量和有效控制溫度是高質(zhì)量、高產(chǎn)量、低功耗、生產(chǎn)安全的重要條件。目前我國的溫度控制的主要方式是以傳統(tǒng)控制為主，準確度不高，容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，易產(chǎn)生振蕩。

本文針對系統(tǒng)的溫度的大慣性、大的延遲和非線性特點，采用PID控制和模糊控制相結(jié)合的方法，設(shè)計了基于模糊PID控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)。有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和縮短調(diào)整時間。但模糊PID控制器，有許多工作要做，比如多變量模糊PID控制等。

5.參考文獻

[1]Qu Sun，Renhou Li，PingZhang.Stable and optimal adaptive fuzzy control of complex systems using fuzzy dynamic model.Fuzzy Sets and Systems，2003，133：1-17.

[2]周佩冬.基于參數(shù)空間的線性時滯系統(tǒng)PID控制器設(shè)計研究和GUI仿真實現(xiàn)[D]. 浙江工 業(yè)大學(xué)，2011.

[3]范立南，李雪飛.計算機控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社.2009.

[4]田翠俠，邢科禮，張國賢.基于灰色預(yù)測補償?shù)哪：齈ID在電液伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 [A]. 第五屆全國流體傳動與控制學(xué)術(shù)會議暨2008年中國航空學(xué)會液壓與氣動學(xué)術(shù)會 議論文集[C]， 2008 .

作者簡介

滑娟（1981-），女，陜西省咸陽市，助教，研究生

翟二寧（1979-），男，陜西省咸陽市，工程師，研究生。

胡江峰(1981—)，男，兵器工業(yè)部202研究所工程師。