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鍋爐壓力控制器的設計。該系統能根據鍋爐現場檢測的各個狀態做出實時精確的自動控制，如實現溫度、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典型的大慣性、大滯后、多變量的過程控制系統，其涉及到壓力、溫度、水位等多個物理參數檢測與控制，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。現階段，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，受到了更多企業的喜歡[1]。本文在借鑒現有各類單片機溫度控制系統的基礎上，設計一個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、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、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，來控制水泵是否補水，控制一二段火開關的加熱，并根據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，當壓力狀態顯示“低位”時，一段火、二段火同時啟動;當壓力狀態顯示“正常”時，二段火滅、一段火仍開，當壓力狀態顯示“高位”時，一段火、二段火全滅，繼續控制燃燒機風機吹掃30秒。當壓力下降，狀態再次顯示“低位”時，一段火、二段火再次同時啟動，如此循環直到停止運行。總之：低壓啟動，常壓保持，高壓停止，超高壓保護。在壓力狀態顯示“正常”時按“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。

在現實系統中，所測控的對象多具有大滯后、強耦合、時變等特征，僅采用PID控制往往存在調整時間長、超調量大、PID參數不易確定等不足。此處引入模糊思想對PID參數進行實時調整，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。