智能PID算法在爐溫度控制系統(tǒng)中的運(yùn)用

1、第28卷第8期2011年8月機(jī)電工程JournalofMechanicalElectricalEngineeringVol28No8Aug2011智能PID算法在爐溫度控制系統(tǒng)中的運(yùn)用1112吳興純，趙金燕，楊秀蓮，楊燕云（1云南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南昆明650201；2云南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)資處，云南昆明650201）摘要：針對(duì)工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)被控參數(shù)通常具有時(shí)變性、非線性、不確定性等特點(diǎn)，常規(guī)PID控制難以滿足高精度控制的現(xiàn)狀，提經(jīng)溫度變送器變換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)后送出了智能PID算法與PIC1684單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用熱電偶檢測(cè)溫度，A/D0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，PIC1684

2、單片機(jī)與設(shè)定值比較，單片機(jī)執(zhí)行智能PID算法并輸出控制量去調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)控制。研究結(jié)果表明：該控制器具有靜態(tài)精度高、自適應(yīng)能力強(qiáng)、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，爐溫控制效果良好。關(guān)鍵詞：溫度控制；智能PID控制；單片機(jī)；電加熱中圖分類(lèi)號(hào)：TP273；TH39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10014551（2011）08094803ApplicationofintelligentPIDalgorithminfinancetemperaturecontrolsystemWUXing-chun1，ZHAOJing-yan1，YANGXiu-lian1，YANGYan-yun2（1

3、CollegeofFoundationandInformation，YunnanAgricultureUniversity，Kunming650201，China；2DepartmentofAssetsManagement，YunnanAgricultureUniversity，Kunming650201，China）Abstract：Aimingattheproblemsofthetime-varying，nonlinearityanduncertaintyofparametersandthestatusthattraditionalPIDcontrolishardtomeetthehigh

4、stableconstant-temperaturerequirement，anewsystembasedonintelligentPIDcontrollerandPIC1684microcomputerwasinvestigatedinindustrialfurnacesThissystemusedthermocoupletomeasurethetemperatureoffurnace，andthetransmittercarriedthesignaltoA/D0809ThenthePIC1684microcomputerachievedthedeviationaccordingtobein

5、ggivenvalues，carriedonanintelligentPIDcontrolandoutputtedthecontrolquantitytoadjusttheangleofsiliconThusthesystemwouldcontroltemperatureTheresultsshowthatthisinterferenceAndgoodeffectsoftem-temperaturecontrolsystemhasthecharacteristicsofstaticaccuracy，adaptability，reliability，andanti-peratureisachie

6、vedbythiscontrollerinelectricheatersKeywords：temperaturecontrol；intelligentPIDcontroller；microcontroller；electricheaters0引言分2。智能控制常與傳統(tǒng)PID控制結(jié)合，它對(duì)于不具有精確數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象有著廣泛運(yùn)用。本研究以單片機(jī)為線索，針對(duì)電加熱爐的特點(diǎn)構(gòu)建了電加熱爐溫度控制系統(tǒng)，利用智能PID控制算法設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度在定范圍內(nèi)可調(diào)的電加熱溫度控制系統(tǒng)。電加熱爐是科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工業(yè)生產(chǎn)等過(guò)程中常用的加熱設(shè)備，由于爐子種類(lèi)與規(guī)格、加熱對(duì)象的不同，它們所構(gòu)成的系統(tǒng)千差萬(wàn)別。從控制的角度講

7、，多數(shù)電加熱爐具有升溫單向性、大慣性、大滯后性和參數(shù)時(shí)變1難以用精確數(shù)學(xué)模型表達(dá)，這給傳統(tǒng)PID性等特點(diǎn)，控制帶來(lái)了困難。而其升溫的單向性是一個(gè)必須面對(duì)的重要問(wèn)題。在工控系統(tǒng)中，用得最廣泛的控制方式是PID控制；近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能控制的研究和運(yùn)用十分活躍，智能技術(shù)已成為工業(yè)控制的重要組成部收稿日期：201104061系統(tǒng)原理電加熱爐溫度控制過(guò)程可以用自然降溫、程序升溫和恒溫3個(gè)分過(guò)程來(lái)描述。降溫：停止加熱，環(huán)境溫度在整個(gè)過(guò)程中保持不變，受控溫度場(chǎng)最終穩(wěn)定為環(huán)mail：wuxingchun2002118163com作者簡(jiǎn)介：吳興純（1972），男，云南宣威人，講師，主要從事自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)控制

8、方面的研究E-第8期吳興純，等：智能PID算法在爐溫度控制系統(tǒng)中的運(yùn)用·949·境溫度。程序升溫過(guò)程：給定電壓值為一變化值，由程序控制逐漸變化，最終使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定值上。恒溫：給定爐溫為一定值，使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定值上，這時(shí)受控場(chǎng)溫度恰好抵消散熱因素的影響而能夠維持在所設(shè)定的溫度。導(dǎo)通角度來(lái)控制其供電電壓。通過(guò)改變可控硅的觸發(fā)脈沖可以實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)可控硅的供電電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電加熱爐爐膛的溫度。2硬件電路設(shè)計(jì)控制器的核心是PIC1684單片機(jī)，其硬件原理如圖2所示。系統(tǒng)采用鎳鉻熱電偶檢測(cè)溫度，測(cè)量范圍在4001000，熱電偶輸出電壓為164mV4132mV3，該信號(hào)經(jīng)變

9、送器變換標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓信號(hào)后送A/D0809轉(zhuǎn)換器圖1系統(tǒng)原理圖4，轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字實(shí)測(cè)溫度信號(hào)送入單片機(jī)PIC1684。單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的給定溫然后執(zhí)行智能PID算度和溫度實(shí)測(cè)值比較得出偏差，法程序求出控制量，得出可控硅的觸發(fā)脈沖，調(diào)節(jié)可控電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。爐膛溫度是由爐絲的供電功率來(lái)調(diào)節(jié)，爐絲由可控硅的硅的導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到控制溫度的目的。圖2硬件原理圖PIC1684單片機(jī)是一種集CPU、RAM、ROM、I/OI/O地址分配接口和中斷系統(tǒng)等部分于一體的器件，為：RB0RB7為輸入端口，用來(lái)接收AD0809的D0D7的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)；RA1為脈沖輸出口，每輸出一個(gè)脈沖，寄存器74

10、LS164接收一次從串行輸出口RA0輸出的溫度顯示數(shù)據(jù)；RA1口為可控硅控制量輸出口，RA3口接鍵盤(pán)的一輸入按鈕，用于正向溫控設(shè)定（每RA4接鍵盤(pán)的控按一次設(shè)定值加1，設(shè)滿為0FFH），溫/測(cè)溫度開(kāi)并，接低電平測(cè)溫，接高電平控溫。AD0809是8位8通道A/D轉(zhuǎn)換器。74LS164為數(shù)據(jù)74LS48為譯碼顯示器。熱電偶檢測(cè)到的溫度寄存器，信號(hào)經(jīng)變送器變換成0V5V范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送A/D0809的IN0口。331溫度控制的算法與程序系統(tǒng)誤差分析5典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的誤差曲線如圖3所示。在圖中“，”區(qū)域，誤差朝絕對(duì)實(shí)施較弱的控制作用以保持等待；值減小的方向變化，“，在，”區(qū)域，誤差朝絕對(duì)值

11、增大的方向變化，實(shí)施較強(qiáng)或一般的控制作用以使誤差減小。設(shè)e（k）為當(dāng)前采樣時(shí)刻離散化的誤差采樣值，e（k1）、e（k2）為前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差采樣值，e（k）、e（k1）為前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差變化率，于是：e（k）=e（k）e（k1）（1）·950·機(jī)電工程第28卷u（k）=umax，當(dāng)e（k）0時(shí)umin，當(dāng)e（k）0時(shí)emax，則：（10）規(guī)則2：如果emide（k）u（k）=（11）圖3典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的誤差曲線u（k1）+K1u（k），當(dāng)e（k）·e（k）0時(shí)u（k1）+u（k），當(dāng)e（k），e（k）0時(shí)規(guī)則3：如果emine（k）

12、emid，則：e（k1）=e（k1）e（k2）u（k）為控制器第k次的輸出值，出的最小值，則：（2）u（k）=u（k1）+Ku（k），當(dāng)e（k）·e（k）2u（k1）+u（k），當(dāng)e（k）·e（k）0時(shí)0時(shí)（12）設(shè)umax為控制器輸出的最大值，umin為控制器輸u（k）=KPe（k）e（k1）+Kie（k）+Kde（k）2e（k1）+e（k2）（3）K1為設(shè)u（k1）為控制器第k1次的輸出值，K2為抑制系數(shù)（K21），emax、放大系數(shù)（K11），emid、emin為設(shè)定誤差界限，其中emaxemidemin。當(dāng)e（k）emax時(shí)，誤差的絕對(duì)值很大，此時(shí)不論誤差的變化趨勢(shì)

13、如何，都應(yīng)考慮控制器按最大（或以便迅速調(diào)整誤差。即：者最?。┹敵觯?guī)則4：如果e（k1）u（k）=u（k1）emin，則：（13）智能PID控制算法在計(jì)算機(jī)中完成，實(shí)現(xiàn)上述算法只要對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和參數(shù)比較即可。emid、emin等參數(shù)的大小及采智能PID算法中的emax、樣周期T的頻率可在程序調(diào)試中具體確定。u（k）=umax，e（k）0u（k）=umin，e（k）0（4）當(dāng)e（k）·e（k）0時(shí)，誤差在朝絕對(duì)值增大的方向變化，如果此時(shí)emide（k）emax，誤差仍較大，考慮控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，以便誤差的絕對(duì)值迅速減小。即：u（k）=u（k1）K1u（k）制器實(shí)施一

14、般的控制作用。即：u（k）=u（k1）u（k）（6）當(dāng)e（k）·e（k）0時(shí)，誤差在朝絕對(duì)值減小的如果此時(shí)emide（k）emax，誤差仍較大，方向變化，考慮控制器實(shí)施一般的控制作用。即：u（k）=u（k1）+u（k）制器采取較弱的控制作用。即：u（k）=u（k1）K2u（k）當(dāng)e（k）持控制器的輸出不變。即：u（k）=u（k1）32智能PID的控制規(guī)則本研究根據(jù)上面的分析，可以總結(jié)出相應(yīng)的控制規(guī)則如下：規(guī)則1：如果e（k）emax，則：（9）（8）emin時(shí)，誤差的絕對(duì)值很小，此時(shí)可保（7）33如果此時(shí)emine（k）emid，誤差并不大，考慮控圖4主程序流程圖（5）如果此時(shí)emi

15、ne（k）emid，誤差并不大，考慮控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、顯示程序、鍵盤(pán)處理程序等?？刂破鞯能浖饕▋刹糠郑罕O(jiān)控程序和控制程序。監(jiān)控程序的主要功能包括初始化設(shè)置、內(nèi)存清零、定時(shí)采樣、鍵位操作和顯示等?？刂瞥绦虻闹饕δ馨ǘ〞r(shí)、數(shù)據(jù)處理、斜坡輸入信號(hào)、控制規(guī)則計(jì)算等?？刂栖浖捎媚K化結(jié)構(gòu)，把常用的計(jì)算功能編成模塊結(jié)構(gòu)程序，固定其輸入/輸出地址，以便隨時(shí)調(diào)用。其中主程序的流程圖如圖4所示7。（下轉(zhuǎn)第959頁(yè)）第8期陳雪冰，等：基于CAN總線和LabVIEW的能饋電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)·959·4結(jié)束語(yǔ)本研究基于CAN總線和LabVIEW開(kāi)發(fā)了能饋電3GEN

16、AG，VALENZANOAAnimprovedCANfieldbusforJIEEETransonIndustrialAp-industrialapplicationsplications，1997，44（4）：553-5644PINHOLM，VASQUESFReliablereal-timecommunicationJIEEETransonComputers，2003，52inCANnetworks（12）：1594-16075周偉，梅順良新型基于能量循環(huán)的電源老化節(jié)能實(shí)現(xiàn)J微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（7）：219-2216王敬賢電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)的研制D北京：北京交通2006大學(xué)電氣工程學(xué)

17、院，7廣州致遠(yuǎn)電子有限公司PCI-9820I產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)M2007廣致遠(yuǎn)電子有限公司，8TRRAVISJ，KRINGJLabVIEW大學(xué)實(shí)用教程M喬2008瑞萍，等譯北京：電子工業(yè)出版社，9FUHL，CHANGWCWindTurbineMonitorSystemSimu-lationandValidationC/InternationalSymposiumonComputerCommunicationControlandAutomation（3CA）Tainan：sn，2010子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電源老化測(cè)試的自動(dòng)化。通過(guò)上位機(jī)的人機(jī)界面可以控制能饋電子負(fù)載的運(yùn)行并實(shí)實(shí)時(shí)性好、可靠性高。在老化

18、時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試電源的狀態(tài)，測(cè)試結(jié)束后，能生成Excel測(cè)試報(bào)表，以便對(duì)測(cè)試電源作后續(xù)分析和跟蹤。該監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置不同的機(jī)種參數(shù)，可以對(duì)不同規(guī)格的電源進(jìn)行老化測(cè)試，具有很強(qiáng)的通用性和實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)（References）：1岳秀梅，馬學(xué)軍，康402鄔寬明CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M北京：北京2002航空航天大學(xué)出版社，勇基于CAN總線的大功率逆變器電測(cè)與儀表，2008，45（10）：37-電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)J編輯：李輝（上接第950頁(yè)）4實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)電爐的升溫、降溫曲線如圖5所示。由曲線可以獲得令人滿意的控制效果。其渡時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，按區(qū)段進(jìn)行不同算法的調(diào)節(jié)6，bang控它既有bang-又有遲滯控制穩(wěn)定性的抗干擾能力。該制的快速性，控制器在熱處理、化工、機(jī)械加工、金屬冶煉等行業(yè)中具有廣泛的用途和推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)（Refe