一種基于模糊PID的工業鍋爐溫度控制系統設計

韓文虹，趙廣復

（1. 河南農業職業學院 電子信息工程系，鄭州 451450；2. 鄭州職業技術學院 軟件工程系，鄭州 450121）

一種基于模糊PID的工業鍋爐溫度控制系統設計

韓文虹1，趙廣復2

（1. 河南農業職業學院 電子信息工程系，鄭州 451450；2. 鄭州職業技術學院 軟件工程系，鄭州 450121）

0 引言

溫度是工業生產過程中最常見的控制參數之一，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，特別是在很多工業場合，溫度控制的好壞直接影響產品的質量、設備運行的安全性和經濟性。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。目前在國內外很多溫度控制系統都采用ARM作為處理器，PID作為溫度控制方式。但在實際的工業生產過程中，被控對象往往具有非線性、時變性、不確定性，難以建立精確的數學模型，應用常規PID控制器不能達到理想的控制效果；再者, 常規PID控制器參數整定方式煩雜，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境影響較大的控制對象，不能很好的根據需要調節PID參數。針對這些問題，尋求PID控制參數的自整定技術，以適應復雜的工況和高指標的控制要求成了本溫控系統設計的目標。

1 溫度控制系統的硬件設計

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，系統通過溫度傳感器把采集到的實時溫度信號經過溫度檢測電路傳給AT91RM9200，經控制算法處理得到控制信號，最后再經過D/A轉換得到輸出信號輸出給控制執行機構達到自動控溫的效果。系統硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件設計框圖

1.1 溫度檢測電路設計

溫度檢測電路是溫度控制系統的重要組成部分，它承擔著被控對象溫度檢測并將溫度數據傳輸到AT91RM9200處理器的任務。本文采用了美國Maxim公司生產的K行熱電偶溫度數字轉換芯片MAX6675，使溫度檢測部分的結構更加簡單，可靠性更高，轉換精度更好。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口產生時鐘脈沖時，MAX6675的50腳輸出轉換數據。在每一個脈沖信號的下降沿50輸出一個數據，16個脈沖信號完成遺傳完整的數據輸出，先輸出高電位D15，最后輸出低電位D0，D14～D3為相應的數據轉換數據，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用來存儲系統啟動程序和系統內核；SDRAM是操作系統和應用程序的運行空間；NAND Flash主要存儲采集的數據以及應用程序。

在本設計中采用NOR Flash存儲啟動代碼、Linux內核和用戶程序，采用NAND Flash存儲程序運行過程中所需要處理的大量數據。這樣，二者的優勢都可以得到發揮。SDRAM的存儲單元可以理解為一個電容，總是傾向于放電，為避免數據丟失，必須定時刷新(充電)。本系統中為了充分發揮AT9lRM9200的32位數據處理能力，采用兩片HY57V281620并聯構建了一個32位的SDRAM存儲系統，總量為32MB，能滿足嵌入式操作系統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電路和以太網接口電路三部分組成，串行口電路采用RS232串口下載數據，JTAG電路用來調試系統，以太網接口電路用來和PC機或設備進行通訊，實現數據的交換。在本設計中，使用D/AVICOM公司的DMg161作為以太網的物理層接口；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

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

2 溫度控制系統的軟件設計

2.1 嵌入式linux的設備驅動程序

設備驅動程序實際是處理和操作硬件控制器的軟件。驅動程序是內核的一部分，是操作系統內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）實現初始化函數。在驅動程序中實現驅動的注冊和卸載。4）設計所要實現的文件操作，定義file_perations結構。5）實現所需的文件操作調用，如read、write等。6）實現中斷服務，并用reques_irq向內核注冊，中斷并不是每個設備驅動所必需的。7）編譯該驅動程序到內核中，或者用insmed命令加載模塊。

2.2 D/A數據轉換程序設計

D/A數據轉換程序在確定手動或自動模式后，決定是從Socket共享內存中還是從D/A共享內存中讀取數據包，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采用模糊PID控制算法對檢測到的溫度數據進行處理，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 系統仿真與分析

本文所設計的溫度控制系統具有一定的通用性，為了檢測本系統的性能，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，分別對模糊自適應PID控制和傳統PID控制進行仿真對比。

圖4 模糊PID控制流程圖

Wa1(s)為副調節器，Wo1(s)和Wo2(s)分別為調節對象及其導前區的傳遞函數，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PID控制系統的響應曲線如圖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，因此各參數也有一定的變化。我們通過變換靜態增益k和時間常數比較模糊自適應PID控制和PID控制在參數變化下的響應情況。開始仿真時系統各模型參數為原參數，在100s將 從20變為17，k＝l不變；系統再次穩定后，在900s將k從l變為1.2，＝17不變，系統仿真到1500s，模糊自適應PID控制和傳統PID控制的響應曲線見響應曲線如圖6所示。

圖6 參數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PID控制相比超調量小，調節時間短，振蕩周期短，控制對象參數發生改變時系統能較快平穩，而且系統的靜態特性和動態特性也得到了提高，把PID控制的簡便性、靈活性與模糊控制的魯棒性融為一體，發揮了各自的長處，取得了更好的控制品質。

4 結束語

本文針對工業生產中溫度控制系統具有非線性、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的工業鍋爐溫度控制系統，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。最后以工業鍋爐蒸汽溫度為被控對象，建立仿真模型對常規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

本文針對工業生產中溫度控制系統具有非線性、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的工業鍋爐溫度控制系統，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。最后以工業鍋爐蒸汽溫度為被控對象，建立仿真模型對常規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