基于模糊PID的鍋爐壓力控制器的設(shè)計

0前言

鍋爐自控系統(tǒng)是一個典型的大慣性、大滯后、多變量的過程控制系統(tǒng)，其涉及到壓力、溫度、水位等多個物理參數(shù)檢測與控制，需要同時控制風(fēng)機(jī)、補(bǔ)水泵、加熱裝置，自動排除故障等。由于模擬輸入量多，需要的硬件電路也多，控制起來不簡單?，F(xiàn)階段，很多廠家都是利用PLC對鍋爐進(jìn)行控制，其自動化程度和可靠性較高，但是成本也很高，而且程序修改和參數(shù)設(shè)置比較困難。以單片機(jī)為控制核心的智能控制系統(tǒng)由于成本低、可靠性好、安全性高，受到了更多企業(yè)的喜歡[1]。本文在借鑒現(xiàn)有各類單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個中檔單片機(jī)鍋爐壓力控制器系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)作為核心，具體控制采用基于模糊的PID方式。

1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計[2]

基于模糊PID的鍋爐壓力控制器的控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)芯片、鍵盤、LED顯示、蜂鳴器報警電路、開關(guān)電路和輸入信號采集電路組成。硬件原理圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)原理框圖

該方案設(shè)計相對簡單，硬件電路中采用的STC89C51是臺灣宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。

輸入信號采集電路主要是采集水位信號和壓力控制器信號，水位信號包括水位極低、低水位、正常水位、高水位、水位極高；壓力控制器包括低壓、高壓、超高壓；開關(guān)電路主要是負(fù)責(zé)控制一段火燃燒機(jī)、二段火燃燒機(jī)、補(bǔ)水泵和鼓風(fēng)機(jī)的控制；LED顯示主要是負(fù)責(zé)各種水位的顯示、各種壓力的顯示和各種故障顯示；蜂鳴器報警電路主要是缺水水位、超高水位、超高壓狀態(tài)、各種故障的蜂鳴報警。
該系統(tǒng)完成的功能主要是根據(jù)鍋爐的水位和壓力，來控制水泵是否補(bǔ)水，控制一二段火開關(guān)的加熱，并根據(jù)具體情況控制風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫，并隨時可以進(jìn)行故障報警。而且相應(yīng)狀態(tài)都可以通過控制面板上的LED顯示出來。圖2為一段火開關(guān)控制電路。

燃燒機(jī)控制過程：運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力狀態(tài)顯示“低位”時，一段火、二段火同時啟動；當(dāng)壓力狀態(tài)顯示“正?！睍r，二段火滅、一段火仍開，當(dāng)壓力狀態(tài)顯示“高位”時，一段火、二段火全滅，繼續(xù)控制燃燒機(jī)風(fēng)機(jī)吹掃30秒。當(dāng)壓力下降，狀態(tài)再次顯示“低位”時，一段火、二段火再次同時啟動，如此循環(huán)直到停止運(yùn)行。總之：低壓啟動，常壓保持，高壓停止，超高壓保護(hù)。在壓力狀態(tài)顯示“正?！睍r按“運(yùn)行”鍵開始運(yùn)行的話，一段火、二段火都不啟動，等壓力下降到“低位”時才啟動。

圖2 一段火開關(guān)控制電路

2模糊PID調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇[3-4]

該系統(tǒng)采用常用的PID調(diào)節(jié)規(guī)律：

其中： 作為單片機(jī)的輸入信號， 是給定值。但由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號，故用數(shù)字PID來表示：

上式中, 次采樣時的偏差值和PID的輸出量; 和 —比例、積分和微分系數(shù)。
在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，所測控的對象多具有大滯后、強(qiáng)耦合、時變等特征，僅采用PID控制往往存在調(diào)整時間長、超調(diào)量大、PID參數(shù)不易確定等不足。此處引入模糊思想對PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，以期獲得較好的控制效果。

具體的調(diào)整方式如下式所示，其中a、b和c分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)的調(diào)整系數(shù)； 和 ——調(diào)整后用于求取PID輸出的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)； 和 ——起始的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計[5]

本系統(tǒng)中的軟件主要是根據(jù)系統(tǒng)要求運(yùn)用C語言設(shè)計的，軟件能可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化思想。根據(jù)功能將系統(tǒng)軟件分為初始化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集并對采集所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)軟件主流程圖和中斷處理程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件主流程圖

本系統(tǒng)水泵自動控制過程如下：當(dāng)爐水水位下降超過低位時，泵1啟動自動補(bǔ)水，當(dāng)爐水水位上升超過高位時，泵1停止，當(dāng)爐水水位再次下降超過低位時，泵1又啟動自動補(bǔ)水。如此循環(huán)直到停止運(yùn)行。在水位狀態(tài)顯示“正?！睍r按“運(yùn)行”鍵開始運(yùn)行的話，泵1不啟動，等水位下降到“低位”時才啟動。在壓力控制運(yùn)行過程中，當(dāng)發(fā)生缺水、壓力超高、水位超高、燃燒機(jī)故障、煙溫超高等故障時聲光報警停機(jī)保護(hù)。

下面是燃燒機(jī)故障程序：

else if(status_ERR==1)
{
LED_RUN=LED_ON;
LED_WAIT=LED_OFF;
LED_BURNFAULT=LED_ON;
MotorAlm=0; //警鈴開
MotorAir=1; //強(qiáng)制關(guān)風(fēng)機(jī)

SecondBurn=1; //關(guān)二極火
FirstBurn=1;
status_Start=0;
}
else if(status_Watered==0WaterLowest==0)
{
MotorWater=0; //開水泵
MotorAir=1; //關(guān)風(fēng)機(jī)
SecondBurn=1; //關(guān)二極火
FirstBurn=1; //關(guān)一級火
if(WaterHigh==0) //加水到高水位停止
status_Watered=1; //置加過水標(biāo)志
LED_RUN=LED_ON;
LED_WAIT=LED_OFF;
status_Start=1; //置運(yùn)行標(biāo)志
}
……
else if(PressureHighest==1Pressurelower==1PressureHigh==1) //沒有壓力
{
status_PressureHighest=0;
status_pressuresilence=0;
LED_PRESSURE=LED_OFF;
}

4結(jié)束語

本文設(shè)計了一個具有普遍實(shí)用意義的中檔單片機(jī)鍋爐壓力控制器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了STC89C51作為核心，具體控制算法采用能進(jìn)行實(shí)時調(diào)整的模糊PID方式，該系統(tǒng)能克服常規(guī)單片機(jī)PID控制系統(tǒng)的一些不足之處，達(dá)到較為理想的控制效果。該系統(tǒng)已經(jīng)被廠家使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。