基于模糊PID控制的锅炉炉温系统的设计 (一)

基于单片机 PID算法的电加热炉温度控制系统设计

摘要：电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，时变性，纯滞后等特点，其控温过程存在非线性波动等问题。本文采用AT89C51单片机基于PID算法设计了一种电加热温度控制系统。仿真实验表明，本系统能够有效提高电加热炉温度控制的鲁棒性，符合新形势下对炉温调控的实际需求。

关键词：电加热炉；温度控制；单片机；PID算法

1引言

电加热炉在冶金、化工、机械等领域具备广泛的用途，但是它是一个多时变、存在物理耦合、本质非线性的复杂系统，传统的基于滞后反馈的控制律无法平衡炉温检测与炉温调控之间的时间同步关系，容易造成整个加热炉炉温调控系统的温度非线性波动、间歇性振荡，引起炉温调控器的参数变化。因此提高电加热炉的温度控制水平，是当今工业控制技术的主要研究方向之一。

常规控制方法难以实现较高的控制精度和响应速度。相比之下，经典的增量PID控制算法，无需针对控制对象建立数学模型，便可实现较发复杂系统的精确控制。本文基于PID算法，提出设计了一套电加炉控制方法，核心控制芯片采用AT89C51系列单片机，具备数据采集、调控、显示、报警等多项功能，实现了对温控系统的设计和模拟仿真，能有效改善电加热炉温度控制系统的性能。

2 总体方案设计

本系统采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器PT100采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，运用PID算法得出控制结果，送显示并进行控制（图1）。

图1 系统总体设计方案图

2.1 系统硬件选择

单片机是指将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上的单片微型计算机。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。本次设计选用的是MCS-51单片机系列中的AT89C51，其具有结构体系完整、指令系统功能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、高可靠性和高性价比等特点。

模糊PID温度控制毕业设计

第一章绪论

1.1 选题背景及其意义

在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要 的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、 压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于 测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。由于控制对象越 来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何更好地提高控制性能，满足不同 系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。温度控制一般指对某一特定空 间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。本文主要研究电锅炉温度控制的方 法。

电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置［1］。具有结构简单、无污染、自动化程 度高等特点。与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积 小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。近年来，电锅炉已成为供热采暖的主 要设备。

锅炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有 非线性。目前国电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。采用这 些控制方法的系统稳定性不好，超调量大，同时对外界环境变化响应慢，实时性差。另 外，频繁的开关切换对电网产生很大的冲击，降低了系统的经济效益，减少了锅炉的使

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用年限。因此，研究一种最佳的电锅炉控制方法，对提高系统的经济性，稳定性具有重 要的意义。 1.2 工业控制的发展概况

工业控制的形成和发展在理论上经历了三个阶段50年代末起到70年代为第一阶段， 即经典控制理论阶段，这期间既是经典控制理论应用发展的鼎盛时期，又是现代控制理 论应用和发展时期；70年代至90年代为第二阶段，即现代控制理论阶段；90年代至 今为第三阶段，即智能控制理论阶段[2]

第一阶段：初级阶段。它以经典控制理论为主要控制方案，采用常规气动、液动和电 动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制。在诸多控制系统中，以单 回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，设计了一些专门的控制算法如 达林顿算法、Smith预估器、根轨迹法等。这阶段的

第２４卷第１８期　２００８年９月　甘肃科技　Ｇａｎｓｕ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｌｆ．２４Ⅳ０．１８　Ｓｅｐ．　２００８　

锅炉加热系统的ＦＵＺＺＹ－－ＰＩ　Ｄ控制　

刘悦婷　

（甘肃联合大学理工学院，甘肃兰州７３０ｏ００）　

摘要：根据锅炉系统的炉温实验数据及其工作原理，建立了加热系统的数学模型，并针对该系统的大延迟和模型　不确定性，将ＦＵＺＺＹ－－ＰＩＤ控制引人到锅炉系统的炉温控制中。理论分析和仿真结果表明，应用这种方法设计出的　锅炉加热系统，在响应速度和稳态精度方面均优于单一的ＦＵＺＺＹ及ＰＩＤ控制。该研究具有一定的使用价值，为　ＦＵＺＺＹ－－ＰＩＤ控制锅炉加热系统中的应用打下了理论基础。　关键词：锅炉加热系统；ＦＵＺＺＹ－－ＰＩＤ；温度控制；仿真　中图分类号：ＴＰ２７３　

１　引言　

考虑到锅炉加热系统属于一个大延迟、非线性、　

时变的复杂控制对象，难以通过理论建模确定其精　

确的数学模型，且随着工作时间的延长和外界干扰　的影响，系统参数会在一定程度上发生变化等问题。　

本文将基于模糊规则的ＦＵＺＺＹ－－ＰＩＤ控制　引人到　

锅炉加热系统的温度控制中，该控制器的模糊控制　不依赖于对象的精确模型，能够很好地克服锅炉加　热系统Ｌ３　中的非线性、大滞后的影响，并且可以提高　

系统的响应速度和稳态精度。　

２加热系统温度控制器的设计　

ＦＵＺＺＹ－－ＰＩＤ控制在不同论域中采用不同的控　制方式，综合了模糊控制和ＰＩＤ控制　的长处，不但　

可以使系统有较快的相应速度，而且实现了稳态时　

高精度的控制，其控制器原理图如图１所示。　

图１　ＦＵＺＺＹ－－ＰＩＤ控制器结构图　模糊控制的过程是计算误差和误差变化率，限　幅后，送给ＦＵＺＺＹ－－ＰＩＤ控制器作为输入，ＦｕｚｚＹ—　

ＰＩＤ控制器输出的是控制量，送给被控对象。　２．１模糊规则设计思路　

本系统控制器采用的是单变量二维形式。该控　制器的控制规则可以写成如下条件语句形式：　ｉｆ　Ｆ＝Ａｉ　ａｎｄ　ＦＣ＝Ｂｉ　ｔｈｅｎ＝Ｃ．ｉ，（ｉ。＝１，２，３，　

文章编号：１００１—９９４４（２０１１）１０—００２７—０４　

加热炉炉温Ｐ　ＬＣ模糊控制系统的设计　

刘增环，王利珍，何广祥　

（河北Ｓ－程大学信息与电气Ｓ－程学院，邯郸０５６０３８）　

摘要：在加热炉炉温控制系统中。使用传统的ＰＩＤ控制方法很难达到预期目标。根据加热过　程对温度控制的要求．设计了一种基于模糊理论的炉温ＰＬＣ控制系统。该系统既具有ＰＬＣ控　制抗干扰能力强、稳定性高的优点．又具有模糊控制响应速度快、控制简单等优点，对提高　加热炉的加热效率和钢厂的经济效益具有积极的意义。实际运行结果表明，炉温偏差不超　过设定值的３％　关键词：加热炉；温度控制；模糊控制：ＰＬＣ　中图分类号：ＴＰ２７３￣．４　文献标志码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＰＬＣ　Ｆｕｚｚｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｆｕｒｎａｃｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　

ＬＩＵ　Ｚｅｎｇ—ｈｕａｎ，ＷＡＮＧ　Ｌｉ—ｚｈｅｎ，ＨＥ　Ｇｕａｎｇ—ｘｉａｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｎｄａｎ　０５６０３８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｗａｓ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｒｅｄ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ａ　ＰＬＣ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｂｏｔｈ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ＰＬＣ　ａｎｄ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｔａｉｎ　ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ　ｓｔｒｏｎｇｌｙ，ｈｉｇｈ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｆａｓｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ｓｉｍｐｌｅ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｔ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ａｃｔｉｖｅ　ｒｏｌｅ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ａｃｔｕａｌ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｗａｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　３％．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＬＣ