基于模糊PID算法的鍋爐溫度控制系統研究

滑娟 翟二寧 胡江峰

712000 咸陽職業技術學院

712000 兵器工業部202研究所

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

關鍵詞：溫度控制；模糊控制；PID控制

1.引言

在工業生產中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常見的主要被控參數[1]。其中，溫度控制占大部分在工業生產的許多領域中，人們需要各種加熱爐、熱處理爐、反應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、靈活等等優點，可以極大地提高溫度控制技術指標，它可以大大提高產品的質量。在工業控制系統、智能儀表和其他許多領域的應用非常的廣泛。因此，單片機溫度控制問題是工業生產過程中，我們經常遇到的控制問題。

溫度控制是工業生產過程中經常遇到的過程控制，一些過程溫度控制效果直接影響產品的質量。因此，設計一個更理想的溫度控制系統價值是非常大的。

2.鍋爐溫度控制系統組成

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

通過分析電鍋爐，我們設計了控制系統的整體框圖如圖1所示。電鍋爐溫度工作在閉環控制，設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，采用單片機、按鍵電路、檢測電路、執行電路、復位電路、報警電路、電源電路、溫度采集電路、溫度顯示電路和PC機等構成。

、

圖1總體設計框圖

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)℃ ，經過測量電路采樣輸出后變為（1-5)V，在經過PIC單片機自帶的10位精度的模數轉換器進行轉換。轉換后單片機保存并處理轉換完成后的數據，并進行顯示。

溫度測量原理:測量電路調整VRT1電位器和采用TL431產生4.096 V 參考電源;RT1、RT2、VRT2，與Pt100構成測量電動橋。（其中VRT2為100Ω，RT1=RT2）當Pt100和VRT2的電阻不相等的時候，輸出產生一個MV壓差，壓差信號經過運放LM324放大后輸出變成（1-5）V電壓，經過單片機自帶的A / D轉化為數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執行電路部分

硬件輸出通道主要包括加熱控制環節，電鍋爐水溫度控制是通過加熱管和通過功率輸出來確定。溫度控制器設計選擇系統的執行器件是固態繼電器。輸出信號的單片機經三極管和固態繼電器控制端連接。溫度傳感器信號采樣，通過單片機控制算法輸出控制量，固態繼電器的開關狀態根據輸出來判斷。固態繼電器經光耦隔離和過零觸發型無觸點器件（過零開關和雙向可控硅組成）。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算法流程圖的設計

系統上電或復位后，控制系統主程序被訪問。主程序的軟件設計是系統的重要環節，是整個過程的關鍵程序結構，模塊化思想在程序設計中很好的得到了體現。

主程序主要是由系統的初始化、數據采集與處理、智能推理等部分組成。初始化系統是對單片機系統的初始化、數據采集與處理主要包括實時數據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則。如下圖4為控制系統的主程序流程序，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.結論

溫度是生產過程和科學實驗的一個常見但非常重要的物理參數，準確的測量和有效控制溫度是高質量、高產量、低功耗、生產安全的重要條件。目前我國的溫度控制的主要方式是以傳統控制為主，準確度不高，容易導致系統不穩定，易產生振蕩。

本文針對系統的溫度的大慣性、大的延遲和非線性特點，采用PID控制和模糊控制相結合的方法，設計了基于模糊PID控制的電鍋爐溫度控制系統。有效地提高了系統的穩定性和縮短調整時間。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.基于參數空間的線性時滯系統PID控制器設計研究和GUI仿真實現[D]. 浙江工 業大學，2011.

[3]范立南，李雪飛.計算機控制技術.北京：機械工業出版社.2009.

[4]田翠俠，邢科禮，張國賢.基于灰色預測補償的模糊PID在電液伺服系統中的應用研究 [A]. 第五屆全國流體傳動與控制學術會議暨2008年中國航空學會液壓與氣動學術會 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，兵器工業部202研究所工程師。