基于单片机的模糊PID的锅炉压力控制器的设计

摘要：介绍了一款基于单片机的全自动锅炉压力控制器的设计。该系统能根据锅炉现场检测的各个状态做出实时精确的自动控制，如实现温度、压力、水位等的监控，数码管显示、报警、系统参数设置的功能。该系统还采用模糊PID方法进行温度控制，能克服普通的单片机PID温度控制系统的一些不足之处，达到较为理想的控制效果。

0前言

锅炉自控系统是一个典型的大惯性、大滞后、多变量的过程控制系统，其涉及到压力、温度、水位等多个物理参数检测与控制，需要同时控制风机、补水泵、加热装置，自动排除故障等。由于模拟输入量多，需要的硬件电路也多，控制起来不简单。现阶段，很多厂家都是利用PLC对锅炉进行控制，其自动化程度和可靠性较高，但是成本也很高，而且程序修改和参数设置比较困难。以单片机为控制核心的智能控制系统由于成本低、可靠性好、安全性高，受到了更多企业的喜欢[1]。本文在借鉴现有各类单片机温度控制系统的基础上，设计一个中档单片机锅炉压力控制器系统，该系统采用STC89C51单片机作为核心，具体控制采用基于模糊的PID方式。

1系统硬件电路设计

基于模糊PID的锅炉压力控制器的控制系统主要包括单片机芯片、键盘、LED显示、蜂鸣器报警电路、开关电路和输入信号采集电路组成。硬件原理图如图1所示。

图1 硬件系统原理框图

该方案设计相对简单，硬件电路中采用的STC89C51是台湾宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。

输入信号采集电路主要是采集水位信号和压力控制器信号，水位信号包括水位极低、低水位、正常水位、高水位、水位极高;压力控制器包括低压、高压、超高压;开关电路主要是负责控制一段火燃烧机、二段火燃烧机、补水泵和鼓风机的控制;LED显示主要是负责各种水位的显示、各种压力的显示和各种故障显示;蜂鸣器报警电路主要是缺水水位、超高水位、超高压状态、各种故障的蜂鸣报警。

该系统完成的功能主要是根据锅炉的水位和压力，来控制水泵是否补水，控制一二段火开关的加热，并根据具体情况控制风机进行降温，并随时可以进行故障报警。而且相应状态都可以通过控制面板上的LED显示出来。图2为一段火开关控制电路。

燃烧机控制过程：运行过程中，当压力状态显示“低位”时，一段火、二段火同时启动;当压力状态显示“正常”时，二段火灭、一段火仍开，当压力状态显示“高位”时，一段火、二段火全灭，继续控制燃烧机风机吹扫30秒。当压力下降，状态再次显示“低位”时，一段火、二段火再次同时启动，如此循环直到停止运行。总之：低压启动，常压保持，高压停止，超高压保护。在压力状态显示“正常”时按“运行”键开始运行的话，一段火、二段火都不启动，等压力下降到“低位”时才启动。

图2 一段火开关控制电路

2模糊PID调节规律的选择

该系统采用常用的PID调节规律：

其中： 作为单片机的输入信号， 是给定值。但由于单片机只能处理数字信号，故用数字PID来表示：

上式中, 次采样时的偏差值和PID的输出量; 和 —比例、积分和微分系数。

在现实系统中，所测控的对象多具有大滞后、强耦合、时变等特征，仅采用PID控制往往存在调整时间长、超调量大、PID参数不易确定等不足。此处引入模糊思想对PID参数进行实时调整，以期获得较好的控制效果。

具体的调整方式如下式所示，其中a、b和c分别为比例系数、积分系数和微分系数的调整系数; 和 ——调整后用于求取PID输出的比例系数、积分系数和微分系数; 和 ——起始的比例系数、积分系数和微分系数。

3系统软件设计

本系统中的软件主要是根据系统要求运用C语言设计的，软件能可靠地实现系统的各种功能。系统软件设计采用模块化思想。根据功能将系统软件分为初始化系统、数据采集并对采集所得的数据进行处理。系统软件主流程图和中断处理程序流程图如图3所示。

图3 系统软件主流程图

本系统水泵自动控制过程如下：当炉水水位下降超过低位时，泵1启动自动补水，当炉水水位上升超过高位时，泵1停止，当炉水水位再次下降超过低位时，泵1又启动自动补水。如此循环直到停止运行。在水位状态显示“正常”时按“运行”键开始运行的话，泵1不启动，等水位下降到“低位”时才启动。在压力控制运行过程中，当发生缺水、压力超高、水位超高、燃烧机故障、烟温超高等故障时声光报警停机保护。