滑娟 翟二寧 胡江峰

712000 咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

712000 兵器工業(yè)部202研究所

摘要：溫度控制在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛，溫度控制系統(tǒng)大慣性、大的延遲和非線性特征。針對(duì)這一特征應(yīng)用PID控制算法和模糊算法相結(jié)合的方法，模糊PID算法用于鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究。并開發(fā)使用PIC單片機(jī)作為控制器芯片，應(yīng)用模糊PID算法對(duì)電鍋爐溫度進(jìn)行控制。本文介紹了鍋爐溫度系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)的軟件流程和模糊PID控制器的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：溫度控制；模糊控制；PID控制

1.引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常見的主要被控參數(shù)[1]。其中，溫度控制占大部分在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域中，人們需要各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)堆和鍋爐溫度的檢測(cè)和控制。采用單片機(jī)溫度控制不僅控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等等優(yōu)點(diǎn)，可以極大地提高溫度控制技術(shù)指標(biāo)，它可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能儀表和其他許多領(lǐng)域的應(yīng)用非常的廣泛。因此，單片機(jī)溫度控制問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中，我們經(jīng)常遇到的控制問題。

溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，一些過程溫度控制效果直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)更理想的溫度控制系統(tǒng)價(jià)值是非常大的。

2.鍋爐溫度控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)方案是課題研究的重要工作，好的計(jì)劃方案可以讓一個(gè)設(shè)計(jì)有良好的指導(dǎo)，確保順利進(jìn)行課題的研究工作。

通過分析電鍋爐，我們?cè)O(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。電鍋爐溫度工作在閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)的智能控制器是以8位嵌入式單片機(jī)PIC16F877完成核心的控制[2]。整個(gè)過程的系統(tǒng)，采用單片機(jī)、按鍵電路、檢測(cè)電路、執(zhí)行電路、復(fù)位電路、報(bào)警電路、電源電路、溫度采集電路、溫度顯示電路和PC機(jī)等構(gòu)成。

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圖1總體設(shè)計(jì)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(cè)量電路的測(cè)量方法。其輸入的量程為（+50- +350)℃ ，經(jīng)過測(cè)量電路采樣輸出后變?yōu)椋?-5)V，在經(jīng)過PIC單片機(jī)自帶的10位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后單片機(jī)保存并處理轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示。

溫度測(cè)量原理:測(cè)量電路調(diào)整VRT1電位器和采用TL431產(chǎn)生4.096 V 參考電源;RT1、RT2、VRT2，與Pt100構(gòu)成測(cè)量電動(dòng)橋。（其中VRT2為100Ω，RT1=RT2）當(dāng)Pt100和VRT2的電阻不相等的時(shí)候，輸出產(chǎn)生一個(gè)MV壓差，壓差信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放LM324放大后輸出變成（1-5）V電壓，經(jīng)過單片機(jī)自帶的A / D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以被單片機(jī)來使用。橋式測(cè)溫電路的三線制接法原理圖如圖2所示。

圖2 橋式測(cè)溫電路的三線制接法原理圖

2.2執(zhí)行電路部分

硬件輸出通道主要包括加熱控制環(huán)節(jié)，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(shè)計(jì)選擇系統(tǒng)的執(zhí)行器件是固態(tài)繼電器。輸出信號(hào)的單片機(jī)經(jīng)三極管和固態(tài)繼電器控制端連接。溫度傳感器信號(hào)采樣，通過單片機(jī)控制算法輸出控制量，固態(tài)繼電器的開關(guān)狀態(tài)根據(jù)輸出來判斷。固態(tài)繼電器經(jīng)光耦隔離和過零觸發(fā)型無觸點(diǎn)器件（過零開關(guān)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電或復(fù)位后，控制系統(tǒng)主程序被訪問。主程序的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是整個(gè)過程的關(guān)鍵程序結(jié)構(gòu)，模塊化思想在程序設(shè)計(jì)中很好的得到了體現(xiàn)。

主程序主要是由系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)采集與處理、智能推理等部分組成。初始化系統(tǒng)是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)采集與處理主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的電加熱溫度信號(hào)，計(jì)算出實(shí)際爐溫度和理想的值，他們的差異和速率溫差，對(duì)爐溫度信號(hào)的振幅限制和濾波，智能推理是程序的規(guī)則。如下圖4為控制系統(tǒng)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(jié)論

溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)常見但非常重要的物理參數(shù)，準(zhǔn)確的測(cè)量和有效控制溫度是高質(zhì)量、高產(chǎn)量、低功耗、生產(chǎn)安全的重要條件。目前我國(guó)的溫度控制的主要方式是以傳統(tǒng)控制為主，準(zhǔn)確度不高，容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，易產(chǎn)生振蕩。

本文針對(duì)系統(tǒng)的溫度的大慣性、大的延遲和非線性特點(diǎn)，采用PID控制和模糊控制相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了基于模糊PID控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)。有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和縮短調(diào)整時(shí)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(xiàn)

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[3]范立南，李雪飛.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2009.

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作者簡(jiǎn)介

滑娟（1981-），女，陜西省咸陽(yáng)市，助教，研究生

翟二寧（1979-），男，陜西省咸陽(yáng)市，工程師，研究生。

胡江峰(1981—)，男，兵器工業(yè)部202研究所工程師。