基于單片機的模糊PID的鍋爐壓力控制器的設計

摘要：介紹了一款基于單片機的全自動(dòng)鍋爐壓力控制器的設計。該系統能根據鍋爐現場(chǎng)檢測的各個(gè)狀態(tài)做出實(shí)時(shí)精確的自動(dòng)控制，如實(shí)現溫度、壓力、水位等的監控，數碼管顯示、報警、系統參數設置的功能。該系統還采用模糊PID方法進(jìn)行溫度控制，能克服普通的單片機PID溫度控制系統的一些不足之處，達到較為理想的控制效果。

0前言

鍋爐自控系統是一個(gè)典型的大慣性、大滯后、多變量的過(guò)程控制系統，其涉及到壓力、溫度、水位等多個(gè)物理參數檢測與控制，需要同時(shí)控制風(fēng)機、補水泵、加熱裝置，自動(dòng)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(lái)不簡(jiǎn)單?，F階段，很多廠(chǎng)家都是利用PLC對鍋爐進(jìn)行控制，其自動(dòng)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設置比較困難。以單片機為控制核心的智能控制系統由于成本低、可靠性好、安全性高，受到了更多企業(yè)的喜歡[1]。本文在借鑒現有各類(lèi)單片機溫度控制系統的基礎上，設計一個(gè)中檔單片機鍋爐壓力控制器系統，該系統采用STC89C51單片機作為核心，具體控制采用基于模糊的PID方式。

1系統硬件電路設計

基于模糊PID的鍋爐壓力控制器的控制系統主要包括單片機芯片、鍵盤(pán)、LED顯示、蜂鳴器報警電路、開(kāi)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 硬件系統原理框圖

該方案設計相對簡(jiǎn)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8051單片機，12時(shí)鐘/機器周期和6時(shí)鐘/機器周期可任意選擇，最新的D版本內部集成MAX810專(zhuān)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(kāi)關(guān)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(fēng)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。

該系統完成的功能主要是根據鍋爐的水位和壓力，來(lái)控制水泵是否補水，控制一二段火開(kāi)關(guān)的加熱，并根據具體情況控制風(fēng)機進(jìn)行降溫，并隨時(shí)可以進(jìn)行故障報警。而且相應狀態(tài)都可以通過(guò)控制面板上的LED顯示出來(lái)。圖2為一段火開(kāi)關(guān)控制電路。

燃燒機控制過(guò)程：運行過(guò)程中，當壓力狀態(tài)顯示“低位”時(shí)，一段火、二段火同時(shí)啟動(dòng);當壓力狀態(tài)顯示“正常”時(shí)，二段火滅、一段火仍開(kāi)，當壓力狀態(tài)顯示“高位”時(shí)，一段火、二段火全滅，繼續控制燃燒機風(fēng)機吹掃30秒。當壓力下降，狀態(tài)再次顯示“低位”時(shí)，一段火、二段火再次同時(shí)啟動(dòng)，如此循環(huán)直到停止運行?？傊旱蛪?jiǎn)?dòng)，常壓保持，高壓停止，超高壓保護。在壓力狀態(tài)顯示“正常”時(shí)按“運行”鍵開(kāi)始運行的話(huà)，一段火、二段火都不啟動(dòng)，等壓力下降到“低位”時(shí)才啟動(dòng)。

圖2 一段火開(kāi)關(guān)控制電路

2模糊PID調節規律的選擇

該系統采用常用的PID調節規律：

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字信號，故用數字PID來(lái)表示：

上式中, 次采樣時(shí)的偏差值和PID的輸出量; 和 —比例、積分和微分系數。

在現實(shí)系統中，所測控的對象多具有大滯后、強耦合、時(shí)變等特征，僅采用PID控制往往存在調整時(shí)間長(cháng)、超調量大、PID參數不易確定等不足。此處引入模糊思想對PID參數進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，以期獲得較好的控制效果。

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