一種基于模糊PID的工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓文虹，趙廣復(fù)

（1. 河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 電子信息工程系，鄭州 451450；2. 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)計(jì)

韓文虹1，趙廣復(fù)2

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

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)的控制參數(shù)之一，對(duì)溫度的測(cè)量和控制具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景，特別是在很多工業(yè)場(chǎng)合，溫度控制的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。比如在電廠鍋爐蒸汽溫度的控制中，整個(gè)過(guò)程都要求對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制和測(cè)量。目前在國(guó)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(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，被控對(duì)象往往具有非線性、時(shí)變性、不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)PID控制器不能達(dá)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(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)能力差，特別是對(duì)于溫度這種受周?chē)h(huán)境影響較大的控制對(duì)象，不能很好的根據(jù)需要調(diào)節(jié)PID參數(shù)。針對(duì)這些問(wèn)題，尋求PID控制參數(shù)的自整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求成了本溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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(guò)溫度傳感器把采集到的實(shí)時(shí)溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)電路傳給AT91RM9200，經(jīng)控制算法處理得到控制信號(hào)，最后再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換得到輸出信號(hào)輸出給控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到自動(dòng)控溫的效果。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)電路是溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分，它承擔(dān)著被控對(duì)象溫度檢測(cè)并將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸T91RM9200處理器的任務(wù)。本文采用了美國(guó)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(cè)部分的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)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(dāng)AT91RM9200的NPCSO為低電平且SPCK口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MAX6675的50腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿50輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，16個(gè)脈沖信號(hào)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(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，共12位，其中最小值為0，對(duì)應(yīng)的溫度值為0℃，最大值為4095，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定值為1023.75℃，分辨率為0.25℃。圖2為溫度檢測(cè)電路圖。

圖2 溫度檢測(cè)電路圖

1.2 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

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

在本設(shè)計(jì)中采用NOR Flash存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼、Linux內(nèi)核和用戶程序，采用NAND Flash存儲(chǔ)程序運(yùn)行過(guò)程中所需要處理的大量數(shù)據(jù)。這樣，二者的優(yōu)勢(shì)都可以得到發(fā)揮。SDRAM的存儲(chǔ)單元可以理解為一個(gè)電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時(shí)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(gòu)建了一個(gè)32位的SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)，總量為32MB，能滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對(duì)復(fù)雜的算法運(yùn)行的要求。

1.3 通訊接口設(shè)計(jì)

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(lái)調(diào)試系統(tǒng)，以太網(wǎng)接口電路用來(lái)和PC機(jī)或設(shè)備進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。在本設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)立的異步串行口；使用標(biāo)準(zhǔn)的JTAG20針接口。

1.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

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(zhuān)用于視頻時(shí)鐘同步信號(hào)的鎖相環(huán)芯片ICS1523為SID13506提供時(shí)鐘。

2 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H是處理和操作硬件控制器的軟件。驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設(shè)備的直接接口。1）查看原理圖，理解設(shè)備的工作原理。2）定義設(shè)備號(hào)。3）實(shí)現(xiàn)初始化函數(shù)。在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)和卸載。4）設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的文件操作，定義file_perations結(jié)構(gòu)。5）實(shí)現(xiàn)所需的文件操作調(diào)用，如read、write等。6）實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)，并用reques_irq向內(nèi)核注冊(cè)，中斷并不是每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)所必需的。7）編譯該驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序在確定手動(dòng)或自動(dòng)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(yùn)算程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)采用模糊PID控制算法對(duì)檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)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(guò)查詢模糊控制表得到對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)具有一定的通用性，為了檢測(cè)本系統(tǒng)的性能，本文以電廠鍋爐蒸汽溫度為控制對(duì)象，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)其進(jìn)行仿真分析。選擇實(shí)測(cè)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(jí)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)不變的前提下，設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)PID汽溫控制系統(tǒng)，分別對(duì)模糊自適應(yīng)PID控制和傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行仿真對(duì)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(duì)象及其導(dǎo)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(guò)熱器出口蒸汽溫度的測(cè)量單元。我們?cè)O(shè)計(jì)這些值分別為 Wa1(s)＝20，Wo2(s)＝5/ (1＋10s)2

當(dāng)設(shè)定值信號(hào)增加1mA階躍變化時(shí)，模糊自適應(yīng)PID和傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 氣溫給定值階躍變化時(shí)的氣溫輸出響應(yīng)曲線

實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷是變化的，因此各參數(shù)也有一定的變化。我們通過(guò)變換靜態(tài)增益k和時(shí)間常數(shù)比較模糊自適應(yīng)PID控制和PID控制在參數(shù)變化下的響應(yīng)情況。開(kāi)始仿真時(shí)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(yīng)PID控制和傳統(tǒng)PID控制的響應(yīng)曲線見(jiàn)響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 參數(shù)變化時(shí)氣溫輸出響應(yīng)曲線

從仿真結(jié)果可以看出：模糊自適應(yīng)PID和傳統(tǒng)PID控制相比超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，振蕩周期短，控制對(duì)象參數(shù)發(fā)生改變時(shí)系統(tǒng)能較快平穩(wěn)，而且系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性也得到了提高，把PID控制的簡(jiǎn)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(zhǎng)處，取得了更好的控制品質(zhì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性和滯后性的特點(diǎn)，采用模糊控制與PID相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(duì)溫度進(jìn)行控制。最后以工業(yè)鍋爐蒸汽溫度為被控對(duì)象，建立仿真模型對(duì)常規(guī)PID控制和模糊PID控制進(jìn)行了仿真對(duì)比，結(jié)果表明采用模糊PID控制方法，有效的提高了系統(tǒng)對(duì)非線性、時(shí)變性和不確定性的處理能力，控制效果更好。

[1]李穎沖, 陳小強(qiáng), 王思明, 嚴(yán)芳. 基于模糊自適應(yīng)PID的陶瓷窯爐溫度控制系統(tǒng)仿真[J]. 中國(guó)陶瓷, 2009, 45(7).

[2]丁珠玉,陳建,李云武,吳達(dá)科.基于模糊PID的花椒烘房溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(13):32-36.

[3]姜文佳,姜永健,姜廣田,于錫純.模糊PID控制算法改進(jìn)及在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 控制工程, 2006, 13(4):338-340.

[4]李力, 方國(guó)平, 章士友, 吳立. 模糊PID控制在冷卻水溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 控制工程, 2008(Z1).

[5]李碩, 李鵬陽(yáng). 基于PLC的退火爐溫度控制系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2010, 36(5): 245-247.

[6]毅寧鐸, 賴展翅, 程琪, 穆麗寧. 基于模糊PID控制的溫室控制系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2009, 29(7): 1996-1999.

[7]屠乃威, 付華,閻馨.參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2004, 20(6).

[8]李磊, 白瑞祥. 模糊PID在熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2007, 20(2): 41-42.

[9]樊兆峰. 基于嵌入式計(jì)算機(jī)的煤氣爐風(fēng)門(mén)模糊PID控制[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2010, 18(10): 2308-2310.

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

HAN Wen-hong1, ZHAO Guang-fu2

本文針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性和滯后性的特點(diǎn)，采用模糊控制與PID相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(duì)溫度進(jìn)行控制。最后以工業(yè)鍋爐蒸汽溫度為被控對(duì)象，建立仿真模型對(duì)常規(guī)PID控制和模糊PID控制進(jìn)行了仿真對(duì)比，結(jié)果表明采用模糊PID控制方法，有效的提高了系統(tǒng)對(duì)非線性、時(shí)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(yáng)人，副教授，碩士，主要從事自動(dòng)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