一種基于模糊PID的工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計

韓文虹，趙廣復

（1. 河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學院 電子信息工程系，鄭州 451450；2. 鄭州職業(yè)技術學院 軟件工程系，鄭州 450121）

一種基于模糊PID的工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計

韓文虹1，趙廣復2

（1. 河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學院 電子信息工程系，鄭州 451450；2. 鄭州職業(yè)技術學院 軟件工程系，鄭州 450121）

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的控制參數(shù)之一，對溫度的測量和控制具有很大的實際應用價值和應用前景，特別是在很多工業(yè)場合，溫度控制的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、設備運行的安全性和經(jīng)濟性。比如在電廠鍋爐蒸汽溫度的控制中，整個過程都要求對溫度進行嚴格的控制和測量。目前在國內(nèi)外很多溫度控制系統(tǒng)都采用ARM作為處理器，PID作為溫度控制方式。但在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對象往往具有非線性、時變性、不確定性，難以建立精確的數(shù)學模型，應用常規(guī)PID控制器不能達到理想的控制效果；再者, 常規(guī)PID控制器參數(shù)整定方式煩雜，整定不良，性能不好，對運行工況的適應能力差，特別是對于溫度這種受周圍環(huán)境影響較大的控制對象，不能很好的根據(jù)需要調(diào)節(jié)PID參數(shù)。針對這些問題，尋求PID控制參數(shù)的自整定技術，以適應復雜的工況和高指標的控制要求成了本溫控系統(tǒng)設計的目標。

1 溫度控制系統(tǒng)的硬件設計

本文采用Atmel公司的32位ARM9嵌入式微處理器AT9lRM9200作為主控制芯片，系統(tǒng)通過溫度傳感器把采集到的實時溫度信號經(jīng)過溫度檢測電路傳給AT91RM9200，經(jīng)控制算法處理得到控制信號，最后再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換得到輸出信號輸出給控制執(zhí)行機構達到自動控溫的效果。系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設計框圖

1.1 溫度檢測電路設計

溫度檢測電路是溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分，它承擔著被控對象溫度檢測并將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸T91RM9200處理器的任務。本文采用了美國Maxim公司生產(chǎn)的K行熱電偶溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片MAX6675，使溫度檢測部分的結構更加簡單，可靠性更高，轉(zhuǎn)換精度更好。MAX6675的SO、SCK、CS端 口 分 別 于AT91RM9200的MISO、SPCK和NPCSO端口相連。當AT91RM9200的NPCSO為低電平且SPCK口產(chǎn)生時鐘脈沖時，MAX6675的50腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個脈沖信號的下降沿50輸出一個數(shù)據(jù)，16個脈沖信號完成遺傳完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位D15，最后輸出低電位D0，D14～D3為相應的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，共12位，其中最小值為0，對應的溫度值為0℃，最大值為4095，對應的穩(wěn)定值為1023.75℃，分辨率為0.25℃。圖2為溫度檢測電路圖。

圖2 溫度檢測電路圖

1.2 存儲模塊設計

存儲模塊主要由NOR Flash、SDRAM、NAND Flash三部分組成。其中，NOR Flash用來存儲系統(tǒng)啟動程序和系統(tǒng)內(nèi)核；SDRAM是操作系統(tǒng)和應用程序的運行空間；NAND Flash主要存儲采集的數(shù)據(jù)以及應用程序。

在本設計中采用NOR Flash存儲啟動代碼、Linux內(nèi)核和用戶程序，采用NAND Flash存儲程序運行過程中所需要處理的大量數(shù)據(jù)。這樣，二者的優(yōu)勢都可以得到發(fā)揮。SDRAM的存儲單元可以理解為一個電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時刷新(充電)。本系統(tǒng)中為了充分發(fā)揮AT9lRM9200的32位數(shù)據(jù)處理能力，采用兩片HY57V281620并聯(lián)構建了一個32位的SDRAM存儲系統(tǒng)，總量為32MB，能滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對復雜的算法運行的要求。

1.3 通訊接口設計

通訊模塊主要由串口電路，JTAG電路和以太網(wǎng)接口電路三部分組成，串行口電路采用RS232串口下載數(shù)據(jù)，JTAG電路用來調(diào)試系統(tǒng)，以太網(wǎng)接口電路用來和PC機或設備進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。在本設計中，使用D/AVICOM公司的DMg161作為以太網(wǎng)的物理層接口；使用AT9lRM9200的UART單元自帶的兩個獨立的異步串行口；使用標準的JTAG20針接口。

1.4 顯示模塊設計

本系統(tǒng)選用EPSON公司的SID13506LCD控制器用于控制AT9lRM9200嵌入式系統(tǒng)中的LCD、CRT和TV的圖像數(shù)據(jù)顯示。并選用專用于視頻時鐘同步信號的鎖相環(huán)芯片ICS1523為SID13506提供時鐘。

2 溫度控制系統(tǒng)的軟件設計

2.1 嵌入式linux的設備驅(qū)動程序

設備驅(qū)動程序?qū)嶋H是處理和操作硬件控制器的軟件。驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設備的直接接口。1）查看原理圖，理解設備的工作原理。2）定義設備號。3）實現(xiàn)初始化函數(shù)。在驅(qū)動程序中實現(xiàn)驅(qū)動的注冊和卸載。4）設計所要實現(xiàn)的文件操作，定義file_perations結構。5）實現(xiàn)所需的文件操作調(diào)用，如read、write等。6）實現(xiàn)中斷服務，并用reques_irq向內(nèi)核注冊，中斷并不是每個設備驅(qū)動所必需的。7）編譯該驅(qū)動程序到內(nèi)核中，或者用insmed命令加載模塊。

2.2 D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序設計

D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序在確定手動或自動模式后，決定是從Socket共享內(nèi)存中還是從D/A共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)包，D/A程序流程圖如圖3所示。

圖3 D/A程序流程圖

2.3 模糊PID控制運算程序設計

本文設計的溫度控制系統(tǒng)采用模糊PID控制算法對檢測到的溫度數(shù)據(jù)進行處理，設計好模糊控制器之后，將模糊控制表存入AT9lRM9200處理芯片中，然后通過查詢模糊控制表得到對應的控制量。具體的程序流程圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)仿真與分析

本文所設計的溫度控制系統(tǒng)具有一定的通用性，為了檢測本系統(tǒng)的性能，本文以電廠鍋爐蒸汽溫度為控制對象，建立實驗模型對其進行仿真分析。選擇實測汽溫的偏差和偏差變化率范圍分別為（－15～＋l5）℃和（－2～＋2）℃/S，控制輸出的范圍為（0－10）mA。在保持其串級控制系統(tǒng)基本結構不變的前提下，設計了模糊自適應PID汽溫控制系統(tǒng)，分別對模糊自適應PID控制和傳統(tǒng)PID控制進行仿真對比。

圖4 模糊PID控制流程圖

Wa1(s)為副調(diào)節(jié)器，Wo1(s)和Wo2(s)分別為調(diào)節(jié)對象及其導前區(qū)的傳遞函數(shù)，WH1(s)和WH2(s)分別為減溫器出口蒸汽溫度和過熱器出口蒸汽溫度的測量單元。我們設計這些值分別為 Wa1(s)＝20，Wo2(s)＝5/ (1＋10s)2

當設定值信號增加1mA階躍變化時，模糊自適應PID和傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的響應曲線如圖5所示。

圖5 氣溫給定值階躍變化時的氣溫輸出響應曲線

實際運行中負荷是變化的，因此各參數(shù)也有一定的變化。我們通過變換靜態(tài)增益k和時間常數(shù)比較模糊自適應PID控制和PID控制在參數(shù)變化下的響應情況。開始仿真時系統(tǒng)各模型參數(shù)為原參數(shù)，在100s將 從20變?yōu)?7，k＝l不變；系統(tǒng)再次穩(wěn)定后，在900s將k從l變?yōu)?.2，＝17不變，系統(tǒng)仿真到1500s，模糊自適應PID控制和傳統(tǒng)PID控制的響應曲線見響應曲線如圖6所示。

圖6 參數(shù)變化時氣溫輸出響應曲線

從仿真結果可以看出：模糊自適應PID和傳統(tǒng)PID控制相比超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，振蕩周期短，控制對象參數(shù)發(fā)生改變時系統(tǒng)能較快平穩(wěn)，而且系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性也得到了提高，把PID控制的簡便性、靈活性與模糊控制的魯棒性融為一體，發(fā)揮了各自的長處，取得了更好的控制品質(zhì)。

4 結束語

本文針對工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時變性和滯后性的特點，采用模糊控制與PID相結合的方法，設計了一個基于模糊PID的工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)，采用AT91RM9200為主控制芯片，并用模糊PID控制算法對溫度進行控制。最后以工業(yè)鍋爐蒸汽溫度為被控對象，建立仿真模型對常規(guī)PID控制和模糊PID控制進行了仿真對比，結果表明采用模糊PID控制方法，有效的提高了系統(tǒng)對非線性、時變性和不確定性的處理能力，控制效果更好。

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A design of industrial boiler temperature control system based on fuzzy PID

HAN Wen-hong1, ZHAO Guang-fu2

本文針對工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時變性和滯后性的特點，采用模糊控制與PID相結合的方法，設計了一個基于模糊PID的工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)，采用AT91RM9200為主控制芯片，并用模糊PID控制算法對溫度進行控制。最后以工業(yè)鍋爐蒸汽溫度為被控對象，建立仿真模型對常規(guī)PID控制和模糊PID控制進行了仿真對比，結果表明采用模糊PID控制方法，有效的提高了系統(tǒng)對非線性、時變性和不確定性的處理能力，控制效果更好。

模糊PID；工業(yè)鍋爐；溫度控制；AT91RM9200

韓文虹（1968－），女，河南南陽人，副教授，碩士，主要從事自動控制等方面的研究工作。

TP273

A

1009-0134(2011)4(下)-0134-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).39

2010-12-10