基于模糊PID算法的锅炉温度控制系统研究

滑娟 翟二宁 胡江峰

712000 咸阳职业技术学院

712000 兵器工业部202研究所

摘要：温度控制在工业上的应用非常广泛，温度控制系统大惯性、大的延迟和非线性特征。针对这一特征应用PID控制算法和模糊算法相结合的方法，模糊PID算法用于锅炉温度控制系统的研究。并开发使用PIC单片机作为控制器芯片，应用模糊PID算法对电锅炉温度进行控制。本文介绍了锅炉温度系统的组成，系统的软件流程和模糊PID控制器的设计。

关键词：温度控制；模糊控制；PID控制

1.引言

在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常见的主要被控参数[1]。其中，温度控制占大部分在工业生产的许多领域中，人们需要各种加热炉、热处理炉、反应堆和锅炉温度的检测和控制。采用单片机温度控制不仅控制方便、简单、灵活等等优点，可以极大地提高温度控制技术指标，它可以大大提高产品的质量。在工业控制系统、智能仪表和其他许多领域的应用非常的广泛。因此，单片机温度控制问题是工业生产过程中，我们经常遇到的控制问题。

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，一些过程温度控制效果直接影响产品的质量。因此，设计一个更理想的温度控制系统价值是非常大的。

2.锅炉温度控制系统组成

控制系统方案是课题研究的重要工作，好的计划方案可以让一个设计有良好的指导，确保顺利进行课题的研究工作。

通过分析电锅炉，我们设计了控制系统的整体框图如图1所示。电锅炉温度工作在闭环控制，设计的智能控制器是以8位嵌入式单片机PIC16F877完成核心的控制[2]。整个过程的系统，采用单片机、按键电路、检测电路、执行电路、复位电路、报警电路、电源电路、温度采集电路、温度显示电路和PC机等构成。

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图1总体设计框图

2.1温度采集部分

在采集温度的装置中，我们选择WZP - 231铂热电阻(Pt100)，接法为三线制。采用桥式测量电路的测量方法。其输入的量程为（+50- +350)℃ ，经过测量电路采样输出后变为（1-5)V，在经过PIC单片机自带的10位精度的模数转换器进行转换。转换后单片机保存并处理转换完成后的数据，并进行显示。

温度测量原理:测量电路调整VRT1电位器和采用TL431产生4.096 V 参考电源;RT1、RT2、VRT2，与Pt100构成测量电动桥。（其中VRT2为100Ω，RT1=RT2）当Pt100和VRT2的电阻不相等的时候，输出产生一个MV压差，压差信号经过运放LM324放大后输出变成（1-5）V电压，经过单片机自带的A / D转化为数字信号以被单片机来使用。桥式测温电路的三线制接法原理图如图2所示。

图2 桥式测温电路的三线制接法原理图

2.2执行电路部分

硬件输出通道主要包括加热控制环节，电锅炉水温度控制是通过加热管和通过功率输出来确定。温度控制器设计选择系统的执行器件是固态继电器。输出信号的单片机经三极管和固态继电器控制端连接。温度传感器信号采样，通过单片机控制算法输出控制量，固态继电器的开关状态根据输出来判断。固态继电器经光耦隔离和过零触发型无触点器件（过零开关和双向可控硅组成）。原理图如图3。

图3 继电器的电原理图

3.主程序流程图和模糊PID算法流程图的设计

系统上电或复位后，控制系统主程序被访问。主程序的软件设计是系统的重要环节，是整个过程的关键程序结构，模块化思想在程序设计中很好的得到了体现。

主程序主要是由系统的初始化、数据采集与处理、智能推理等部分组成。初始化系统是对单片机系统的初始化、数据采集与处理主要包括实时数据采集的电加热温度信号，计算出实际炉温度和理想的值，他们的差异和速率温差，对炉温度信号的振幅限制和滤波，智能推理是程序的规则。如下图4为控制系统的主程序流程序，图5为算法模糊PID的工作流程。

Y

N

Y

N

圖4 主程序流程图

图5 模糊PID的工作流程

4.结论

温度是生产过程和科学实验的一个常见但非常重要的物理参数，准确的测量和有效控制温度是高质量、高产量、低功耗、生产安全的重要条件。目前我国的温度控制的主要方式是以传统控制为主，准确度不高，容易导致系统不稳定，易产生振荡。

本文针对系统的温度的大惯性、大的延迟和非线性特点，采用PID控制和模糊控制相结合的方法，设计了基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统。有效地提高了系统的稳定性和缩短调整时间。但模糊PID控制器，有许多工作要做，比如多变量模糊PID控制等。

5.参考文献

[1]Qu Sun，Renhou Li，PingZhang.Stable and optimal adaptive fuzzy control of complex systems using fuzzy dynamic model.Fuzzy Sets and Systems，2003，133：1-17.

[2]周佩冬.基于参数空间的线性时滞系统PID控制器设计研究和GUI仿真实现[D]. 浙江工 业大学，2011.

[3]范立南，李雪飞.计算机控制技术.北京：机械工业出版社.2009.

[4]田翠侠，邢科礼，张国贤.基于灰色预测补偿的模糊PID在电液伺服系统中的应用研究 [A]. 第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会 议论文集[C]， 2008 .

作者简介

滑娟（1981-），女，陕西省咸阳市，助教，研究生

翟二宁（1979-），男，陕西省咸阳市，工程师，研究生。

胡江峰(1981—)，男，兵器工业部202研究所工程师。