基于模糊PID的鍋爐壓力控制器的設計

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，需要同時控制風機、補水泵、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)設置比較困難。以單片機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)有各類單片機溫度控制系統(tǒng)的基礎上，設計一個中檔單片機鍋爐壓力控制器系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STC89C51單片機作為核心，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)主要包括單片機芯片、鍵盤、LED顯示、蜂鳴器報警電路、開關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抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專用復位電路。

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；開關電路主要是負責控制一段火燃燒機、二段火燃燒機、補水泵和鼓風機的控制；LED顯示主要是負責各種水位的顯示、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，來控制水泵是否補水，控制一二段火開關的加熱，并根據(jù)具體情況控制風機進行降溫，并隨時可以進行故障報警。而且相應狀態(tài)都可以通過控制面板上的LED顯示出來。圖2為一段火開關控制電路。

燃燒機控制過程：運行過程中，當壓力狀態(tài)顯示“低位”時，一段火、二段火同時啟動；當壓力狀態(tài)顯示“正?！睍r，二段火滅、一段火仍開，當壓力狀態(tài)顯示“高位”時，一段火、二段火全滅，繼續(xù)控制燃燒機風機吹掃30秒。當壓力下降，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)直到停止運行。總之：低壓啟動，常壓保持，高壓停止，超高壓保護。在壓力狀態(tài)顯示“正?！睍r按“運行”鍵開始運行的話，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： 作為單片機的輸入信號， 是給定值。但由于單片機只能處理數(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)實系統(tǒng)中，所測控的對象多具有大滯后、強耦合、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)進行實時調(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)軟件設計[5]

本系統(tǒng)中的軟件主要是根據(jù)系統(tǒng)要求運用C語言設計的，軟件能可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。系統(tǒng)軟件設計采用模塊化思想。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：當爐水水位下降超過低位時，泵1啟動自動補水，當爐水水位上升超過高位時，泵1停止，當爐水水位再次下降超過低位時，泵1又啟動自動補水。如此循環(huán)直到停止運行。在水位狀態(tài)顯示“正?！睍r按“運行”鍵開始運行的話，泵1不啟動，等水位下降到“低位”時才啟動。在壓力控制運行過程中，當發(fā)生缺水、壓力超高、水位超高、燃燒機故障、煙溫超高等故障時聲光報警停機保護。

下面是燃燒機故障程序：

else if(status_ERR==1)
{
LED_RUN=LED_ON;
LED_WAIT=LED_OFF;
LED_BURNFAULT=LED_ON;
MotorAlm=0; //警鈴開
MotorAir=1; //強制關風機

SecondBurn=1; //關二極火
FirstBurn=1;
status_Start=0;
}
else if(status_Watered==0WaterLowest==0)
{
MotorWater=0; //開水泵
MotorAir=1; //關風機
SecondBurn=1; //關二極火
FirstBurn=1; //關一級火
if(WaterHigh==0) //加水到高水位停止
status_Watered=1; //置加過水標志
LED_RUN=LED_ON;
LED_WAIT=LED_OFF;
status_Start=1; //置運行標志
}
……
else if(PressureHighest==1Pressurelower==1PressureHigh==1) //沒有壓力
{
status_PressureHighest=0;
status_pressuresilence=0;
LED_PRESSURE=LED_OFF;
}

4結束語

本文設計了一個具有普遍實用意義的中檔單片機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行實時調(diào)整的模糊PID方式，該系統(tǒng)能克服常規(guī)單片機PID控制系統(tǒng)的一些不足之處，達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)運行穩(wěn)定。