基于任務(wù)調(diào)度算法的智能燃燒控制器設(shè)計(jì)

摘要：應(yīng)用在石膏板烘干生產(chǎn)線上的智能燃燒控制器，也可以實(shí)現(xiàn)對燃燒加熱裝置的控制。該控制器運(yùn)用任務(wù)調(diào)度算法，能夠達(dá)到燃燒室排真空、點(diǎn)火檢測、空氣進(jìn)氣量檢測、燃?xì)膺M(jìn)氣量控制以及安全報(bào)警等目的.同時(shí)，具有速度快、可靠性高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：任務(wù)調(diào)度算法;智能燃燒;控制器;uC/OS-II操作系統(tǒng);控制模塊

中圖分類號：TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

國內(nèi)小型燃燒控制器利用單片機(jī)設(shè)計(jì)，采用PID算法進(jìn)行運(yùn)算和控制，在小型加熱系統(tǒng)中，由于其成本底，價(jià)格便宜，因而有著一定的市場。該項(xiàng)目所研究的燃燒控制器的設(shè)計(jì)主要以重油和天然氣作為燃料物來實(shí)現(xiàn)對象控制，同時(shí)，該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)對未來其他熱源控制裝置的研制也具有一定指導(dǎo)意義。

1 燃燒控制器硬件設(shè)計(jì)

燃燒控制器硬件的設(shè)計(jì)主要是采集燃燒裝置上所有的模擬和數(shù)字信號，之后通過控制器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)Modbus信號，上傳電腦顯示器或控制系統(tǒng)的其他單元，以完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控;同時(shí)，根據(jù)溫度信號，通過相應(yīng)的控制算法計(jì)算氣源閥門的開放程度、空氣比例閥的位置和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在此階段，要確保加工生產(chǎn)線干燥爐的溫度恒定。此外，還應(yīng)嚴(yán)格控制燃燒室在燃燒過程中的熱氣穩(wěn)定傳播、故障輸出、主要部件的可靠性和安全性等?？刂破魇褂肁RM9系列處理器為核心的控制芯片，系統(tǒng)主要包括模擬量輸入單元（模擬量主要包括溫度、壓力、空氣流量--供氧量）、模擬量輸出單元（控制比例閥和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速）、數(shù)字量輸入輸出單元（報(bào)警檢測、報(bào)警輸入、控制信號輸出—啟動(dòng)—停止等信號）、通信接口、人機(jī)交互接口和電源。

2 燃燒控制器的軟件設(shè)計(jì)

2.1 燃燒控制器的控制算法

燃燒控制器是一個(gè)多輸入、多輸出、多環(huán)路的非線性對象。輸入量包括燃?xì)饬?、被控對象的溫度、空氣流?輸出量包括干燥室溫度、空壓機(jī)風(fēng)量。由于干燥室溫度、燃燒室中氧氣含量都受到空氣供氣量的影響，因而被干燥對象的數(shù)量也是系統(tǒng)中一個(gè)不可忽略的因素。被干燥對象是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，如果要把該系統(tǒng)作為一個(gè)整體來控制，其會受到較多的干擾因素，控制效果較差[1]。因此，可以將其分成干燥室溫度系統(tǒng)和燃燒室氧含量控制系統(tǒng)兩個(gè)單變量系統(tǒng)來進(jìn)行控制，這樣不僅能將復(fù)雜的系統(tǒng)變得更加精確、簡單，還使系統(tǒng)加熱器的燃燒效率得到提高。此外，為了使燃燒室的啟動(dòng)速度更快，抗干擾性更高，選擇了自適應(yīng)抗干擾控制器的控制算法，其控制框如圖1所示。

2.2 燃燒控制器軟件設(shè)計(jì)

該燃燒控制器主要功能是控制燃燒，也就是通過燃燒加熱來控制加熱室的溫度。根據(jù)前述方案，采用燃燒室溫度控制和含氧量控制兩個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是燃燒室溫度控制和含氧量控制這兩個(gè)系統(tǒng)也具有一定的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)溫度控制燃?xì)獾墓┙o量，當(dāng)干燥室溫度低時(shí)，需要提供更多的燃?xì)?，以增大火焰，使加熱更快，提供更多的熱?為了保證燃?xì)馊紵浞?，需要根?jù)燃?xì)饬靠刂坪趿?，也就是空氣的進(jìn)氣量。通過兩個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，不僅對燃燒室的溫度進(jìn)行了有效控制，還能夠提高燃?xì)獾娜紵?，達(dá)到很好的節(jié)能效果。

燃燒器控制的對象較多，因而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)會比較復(fù)雜，不僅需要采集各種數(shù)據(jù)、計(jì)算分析，還要對故障進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。由于每個(gè)任務(wù)在CPU運(yùn)行的時(shí)間也很難分配，如果一個(gè)任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間較長，可能會影響其他任務(wù)的執(zhí)行，從而導(dǎo)致程序的崩潰。因此，為了確保燃燒系統(tǒng)的安全運(yùn)行，外部正常通信，報(bào)警實(shí)時(shí)有效，可采用uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將多個(gè)任務(wù)劃分為不同優(yōu)先級的程序，根據(jù)每個(gè)子程序的優(yōu)先級不同，合理調(diào)度操作系統(tǒng)，從而使CPU得到合理分配，大大提高系統(tǒng)的靈活性，并可以保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運(yùn)行。

此外，uC/OS-II任務(wù)調(diào)度是完全基于任務(wù)優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，處于最高優(yōu)先級的任務(wù)就緒狀態(tài)，處理器立即將資源分配給它，從而將正在運(yùn)行的低優(yōu)先級任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w狀態(tài)。系統(tǒng)中任務(wù)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)任務(wù)分配與優(yōu)先級

根據(jù)uC/OS-II的特點(diǎn)，任務(wù)的優(yōu)先級將影響控制器的操作。為了使處理器運(yùn)行更加有效，根據(jù)設(shè)計(jì)的不同任務(wù)的重要性進(jìn)行優(yōu)先級分配。任務(wù)分配相關(guān)參數(shù)如表1所示。

自檢

2.4 安全和故障報(bào)警控制

系統(tǒng)信號檢測和分析處理任務(wù)的主要目的是確定各種測試參數(shù)是否超過報(bào)警設(shè)定值，以及確定優(yōu)先報(bào)警等級（最高級警報(bào)，二級警報(bào)，低級報(bào)警），如表2所示，列出了各種報(bào)警的內(nèi)容和優(yōu)先級。報(bào)警系統(tǒng)是控制器安全、可靠的基本保障，通過對報(bào)警等級分配并經(jīng)系統(tǒng)檢測后，將報(bào)警信號發(fā)送給系統(tǒng)處理，系統(tǒng)對報(bào)警信號處理結(jié)束后，參數(shù)正常返回，自動(dòng)報(bào)警任務(wù)完成，報(bào)警記錄會在系統(tǒng)中保留。分級報(bào)警的處理方式，可以改善系統(tǒng)的運(yùn)行速度，降低燃燒器和加熱系統(tǒng)的事故頻率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于系統(tǒng)的安全控制。通過報(bào)警級別的劃分，可以根據(jù)不同級別的報(bào)警任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，報(bào)警查詢系統(tǒng)可以幫助用戶迅速找到燃燒器出現(xiàn)故障的原因，并迅速解決系統(tǒng)故障。

3 結(jié)語

綜合上述，在基于ARM9處理器的智能燃燒控制器設(shè)計(jì)過程中，不僅考慮了各種安全報(bào)警功能，加入了自抗擾控制器控制算法，還使用uC/OS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)開發(fā)燃燒控制器。同時(shí)，通過采用uC/OS-II操作系統(tǒng)，使自抗擾控制器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性得到了提高，確保系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠和安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]徐宏偉.燃?xì)馊紵靼l(fā)展現(xiàn)狀研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2009（3）：19-20.

收稿日期：2020-02-16

作者簡介：丁理（1985—），男，安徽蕪湖人，本科，工程師，研究方向：自動(dòng)化工程、系統(tǒng)集成、工業(yè)控制現(xiàn)場總線。

Design of Intelligent Combustion Controller Based on Task Scheduling Algorithm

DING Li

（Wuhu Xinxing Cast Pipe Co.， Ltd， Wuhu Anhui? 241000）

Abstract： The intelligent combustion controller applied in gypsum board drying production line can also control the combustion heating device. By using task scheduling algorithm， the controller can achieve the goals of exhaust vacuum， ignition detection， air intake detection， gas intake control and safety alarm. At the same time， it has the characteristics of fast speed and high reliability.

Keywords： Task scheduling algorithm; intelligent combustion; controller; UC / OS-II operating system; control module