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1、自动化与仪器仪表 2016 年第 10 期（ 总第 204 期） 基 于 模 糊 PID （ 控 制 的 电 锅 炉 控 制 系 统 的 设 计 柳 莺，席小卫，闫 璞 ， 730050） 摘 兰州理工大学技术工程学院 兰州 要： 将模糊控制引入到常规 PID 控制中，设计了一种基于模糊 PID 控制的电锅炉温度控制系统 。 与常规 PID 控制器和 模糊控制器相比，模糊 PID 控制改善了温度控制系统的动态性能，并能更快地达到最优温度 。 采用 MATLAB 中的 Simulink 和 Fuzzy 工具箱 对电锅炉模糊， PID 控制系统进行了仿真分析 。 结果表明参数自整定模糊 PID 控
2、制效果达到了电锅炉温度控制系 统的性能指标 。 以 AT89C51 单片机为控制核心，设计了温度智能控制器，实现了温度的采集与控制 、 超限报 警等各种功能 。 关键词： 温度控制 模糊； PID 控制； PID 控制 仿真； 中图分类号： TP273 文献标识码： A DOI 编码： 10. 14016 /j cnki. 1001 9227. 2016. 10. 059 Abstract： Combining fuzzy algorithm with conventional PID control， a fuzzy PID parameter self tuning temperature
3、 controller of elec- tric boiler was designed in this paper Compared with conventional PID and fuzzy control， the fuzzy PID control can improve the dynamical performance of temperature controller and reach optimum temperature rapidly The fuzzy PID control system was simulated and analyzed by using s
4、imulink and fuzzy logic tools in MATLAB The simulation results illustrate the parameter self tuning fuzzy PID control can satisfy performance requirements of the electric boiler temperature control system In order to acquire and control the temperature， and giving a- larm， a temperature controller f
5、or the electric boiler was designed based on AT89C51 in this paper Key words： temperature control； Fuzzy PID control； PID control； simulation 0 引言 、 、 。 2 模糊 PID PID 控制器设计 电锅炉具有结构简单 无污染 自动化程度高等特点 电 将 控制算法的实用性与模糊控制算法的智能性相 锅炉控制动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线 性。目前国内电热 锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至 结合 实现参数自整定模糊， 。 PID 控制器对
6、电锅炉温度控制系 、 。 ， 统进行控制 使锅炉达到减小系统的振荡性 4 超调量和 是人工控制方法 采用这些控制方法的系统稳定性不好 超 调节时间，提高系统总体性能指标 。模糊算法 PID 控制器 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， ， 减少了锅炉的使用年限。常规的 PID 控制器很难达到较好的 控制效果 模糊控制能够对复杂的非线性 时变系统进行很好， 、 的控制，但却无法消除静态误差的特点 。 因此，研究和开发 一种最佳电锅炉控制方法，对提高系统的经济性，稳定性具有 重要的意义。本文提出了模糊 PID 算法控制，以改
7、善温度控 如图 2 所示。 图 2 模糊 PID 原理图 制系统的动态性能，提高系统的鲁棒性，并更快的达到最优 温度。 1 电锅炉控制要求 电锅炉使用时 根据用户要求设定蓄热时段， 、供热时段、 蓄热温度、电锅炉出水温度、供水压力、循环加压泵蓄热时的 工作 频 率 等 参 数。 系 统 采 用 电 阻 式 加 热，工 作 压 力 为 0. 4Mpa，锅炉内最高水温 95 。当电锅炉工作在 0. 4Mpa 时， 水的饱和温度为 144 。根据电锅炉水温上升的特点，对温 度进行控制，达到调节时间短、超调量小且稳定误差小的技术 要求。电锅炉的安装示意如图 1 所示。 图 1 电锅炉安装图 收稿日期：
8、 2016 03 14 2， 3 1 根据控制要求，设计两输入、三输出的模糊控制器。以误 差 e 和误差的变化率 ec 作为输入变量， PID 控制器参数调整 量 Kp 、 Ki 、 Kd 为输出变量。 Kp、 Ki、 Kd 的调整算 式为： p p p d d d 式中， Kp、 Ki 、 Kd 是 Kp 、 Ki 、 Kd 的初始参数，可以通过常规 方法得到。根据所要控制的对象，把误差 e、误差的变化率 ec 和 PID 控制器参数调整量 Kp 、 Ki 、 Kd 的模糊量 E、 EC i d p i d NB， NM， NS， ZE， PS， PM， PB NB 表示负大， NM 表示负
9、中， NS 负小， ZE 零， PS 表示正 小， PM 表示正中， PB 表示正大。把误差 E 和误差变化率 EC p i d p i d 6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6 取 E、 EC、 Kp 、 Ki、 Kd 均服从便于计算、占用内存小的高斯 型隶属函数。再用重心法解模糊得到仿真图与仿真结果如图 3 和图 4 所示。 59 = + = + i i i = + K 、 K 。 ： E、 EC K 、 K 、 K ： E、 EC K 、 K 、 K ： 基于模糊 PID 控制的电锅炉控制系统的设计 图 3 模糊 PID 仿真截图 柳 莺，等 中心器
10、件。智能温度采集采用 DS18B20 它的输入。输出采 用数字量，通过单总线， 接收主机发送的命令，将转换的温度 数值以串口形式发给主机，主机按照通讯协议处理发送命令， 并用字符型液晶显示模块显示温度值 当温度超过设置值时， ， 报警器开始报警，从而实现了对各点温度实时监控。系统主 要由温度传感器 液晶显示电路 键盘 报警电路组成 电路图、 、 、 ， 如图 7 所示 。 并利用 MATLAB 的 simulink 开发环境和模糊逻辑工具 箱 对参数自整定模糊 PID 控制进行仿真分析 得到的最佳， 控制方案为参数自整定模糊 PID 控制。仿真结果如图 4 可以 看出模糊 PID 控制克服了纯
11、 PID 控制和模糊控制的缺点 实现， 了系统调节时间短、超调量小，稳态误差小的理想性能指标。 图 7 硬件电路原理图 3 图 4 仿真结果 以 AT89C51 单片机作为核心器件。 CPU 主板主要实现 室内温度、锅炉水温和水位信号的采集、滤波、算法控制的实 系统总体方案设计 根据电锅炉供暖系统对控制器的要求，设计的电锅炉总 体方案如图 5 所示 。单片机主要实现室内温度、锅炉水温 和水位信号的采集、滤波、算法控制的实现，以及驱动继电器， 控制交流继电器的通断等工作 。控制面板主要实现按键操 作、功能显示以及指示灯等功能。该控制器结构简单，控制精 度高 具有较强的通用性， 。 图 5 系统设
12、计方案 4 硬件电路设计 控制系统选择以 AT89C51 单片机作为核心器件。设计 的硬件电路的工作流程图如图 6 所示。 图 6 系统流程图 基于单片机的单总线多点温度监测系统与 AT89C51 为 60 现，以及驱动继电器，控制交流继电器的通断等工作。控制面 板主要 实 现 按 键 操 作、功 能 显 示 以 及 指 示 灯 等 功 能。 AT89C51 提供以下标准功能： 4k 字节 Flash 闪存存储器， 128 字节内部 AM， 32 个 I/ O 口线 两个， 16 位定时 计数器 一个/ ， 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及 时钟电路。同时， AT89C
13、51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作 并支， 持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工 作，但允许 AM，定时 计数器 / ，串行通信口及中断系统继续 工作。掉电方式保存 AM 中的内容，但振荡器停止工作并 禁 止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 5 结论 本论文将模糊控制理论与经典的 PID 控制理论相结合， 设计了一种模糊 PID 控制器，对电锅炉温度进行控制 。将 模糊控 制 与 纯 PID 控 制 相 结 合 设 计 了 模 糊 PID，利 用 MATLAB 中的 Simulink 仿真研究。模糊 PID 控制克服了纯 PID 控制和模糊控制的缺点，实现了系统调节时
14、间短、超调量 小，稳态误差小的理想性能指标。根据电锅炉对控制系统的要 求研制了以 AT89C51 单片机为核心部件的温度控制器，实 现 了温度的采集与控制 定时设置 超限报警等各种功能、 、 。在进 行硬件电路设计的同时，设计了相应软件。改善温度控制系统 的动态性能 提高了系统的鲁棒性 并更快的达到最优温度， ， 。 参 考 文 献 1 韩璞 智能控制理论及应用 M 北京： 中国 电力出版 社， 2013： 113 121 2 李健，王冬青，王 美丽模 糊 PID 设 计及 MATLAB 仿真 J 工业控 制计算机， 2011， 24 （ 5） ： 56 58 3 金轶峰锅炉温度模糊 PID
15、控制系统的研究 J 2010， 25（ 5） ： 21 25 4 薛花，王育飞 基于无源性的同步电机自适应 滑模控制方法 J电 力自动化设备； 2011 年 07 期 5 高会生 刘 童娜， ，李聪 聪译 MATLAB 实 用教 程（ 第 二版） M 北 京： 电子工业出版社， 2014： 109 193 6 林飞 杜欣 电力电子应用技术的， MATLAB 仿真 M 北京 中国电： 力出版社， 2011， 13 34 7 孙春霞 电路分析基础 M北京 中国铁道出版社： ， 2011. 8： 56 81 8 张金敏 董海棠 高博 卫晓娟 单片机原理与应用系统设计， ， ， M西 安交通大学出版社， 2010： 13 34 8 5 6 7 9 杨永刚 太阳能热 水器控 制电路 的设计 J 产业 与科技， 2012，11 （ 14） ： 2 4