智能PID算法在爐溫度控制系統(tǒng)中的運用

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)國資處，云南昆明650201）摘要：針對工業(yè)爐溫度控制系統(tǒng)被控參數(shù)通常具有時變性、非線性、不確定性等特點，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)利用熱電偶檢測溫度，A/D0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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，從而實現(xiàn)了溫度的實時控制。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、可靠性高、抗干擾性強的特點，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)；電加熱中圖分類號：TP273；TH39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：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，它對于不具有精確數(shù)學(xué)模型的控制對象有著廣泛運用。本研究以單片機(jī)為線索，針對電加熱爐的特點構(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)計了一個溫度在定范圍內(nèi)可調(diào)的電加熱溫度控制系統(tǒng)。電加熱爐是科學(xué)實驗、工業(yè)生產(chǎn)等過程中常用的加熱設(shè)備，由于爐子種類與規(guī)格、加熱對象的不同，它們所構(gòu)成的系統(tǒng)千差萬別。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，控制帶來了困難。而其升溫的單向性是一個必須面對的重要問題。在工控系統(tǒng)中，用得最廣泛的控制方式是PID控制；近年來，國內(nèi)外對智能控制的研究和運用十分活躍，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程可以用自然降溫、程序升溫和恒溫3個分過程來描述。降溫：停止加熱，環(huán)境溫度在整個過程中保持不變，受控溫度場最終穩(wěn)定為環(huán)mail：wuxingchun2002118163com作者簡介：吳興純（1972），男，云南宣威人，講師，主要從事自動檢測、計算機(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)中的運用·949·境溫度。程序升溫過程：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，這時受控場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)通角度來控制其供電電壓。通過改變可控硅的觸發(fā)脈沖可以實現(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溫度，測量范圍在4001000，熱電偶輸出電壓為164mV4132mV3，該信號經(jīng)變

9、送器變換標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓信號后送A/D0809轉(zhuǎn)換器圖1系統(tǒng)原理圖4，轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字實測溫度信號送入單片機(jī)PIC1684。單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的給定溫然后執(zhí)行智能PID算度和溫度實測值比較得出偏差，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調(diào)節(jié)，爐絲由可控硅的硅的導(dǎo)通時間，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，用來接收AD0809的D0D7的實時溫度數(shù)據(jù)；RA1為脈沖輸出口，每輸出一個脈沖，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口接鍵盤的一輸入按鈕，用于正向溫控設(shè)定（每RA4接鍵盤的控按一次設(shè)定值加1，設(shè)滿為0FFH），溫/測溫度開并，接低電平測溫，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。熱電偶檢測到的溫度寄存器，信號經(jīng)變送器變換成0V5V范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)信號送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，誤差朝絕對實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，誤差朝絕對值

11、增大的方向變化，實施較強或一般的控制作用以使誤差減小。設(shè)e（k）為當(dāng)前采樣時刻離散化的誤差采樣值，e（k1）、e（k2）為前一個和前兩個采樣時刻的誤差采樣值，e（k）、e（k1）為前一個和前兩個采樣時刻的誤差變化率，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umin，當(dāng)e（k）0時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u（k1）+u（k），當(dāng)e（k），e（k）0時規(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0時（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，誤差的絕對值很大，此時不論誤差的變化趨勢

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：者最小）輸出，規(guī)則4：如果e（k1）u（k）=u（k1）emin，則：（13）智能PID控制算法在計算機(jī)中完成，實現(xiàn)上述算法只要對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行四則運算和參數(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，誤差在朝絕對值增大的方向變化，如果此時emide（k）emax，誤差仍較大，考慮控制器實施較強的控制作用，以便誤差的絕對值迅速減小。即：u（k）=u（k1）K1u（k）制器實施一

14、般的控制作用。即：u（k）=u（k1）u（k）（6）當(dāng)e（k）·e（k）0時，誤差在朝絕對值減小的如果此時emide（k）emax，誤差仍較大，方向變化，考慮控制器實施一般的控制作用。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，誤差的絕對值很小，此時可保（7）33如果此時emine（k）emid，誤差并不大，考慮控圖4主程序流程圖（5）如果此時emi

15、ne（k）emid，誤差并不大，考慮控軟件系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)程序設(shè)計包括主程序設(shè)計、顯示程序、鍵盤處理程序等?？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、定時采樣、鍵位操作和顯示等?？刂瞥绦虻闹饕δ馨ǘ〞r、數(shù)據(jù)處理、斜坡輸入信號、控制規(guī)則計算等。控制軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，把常用的計算功能編成模塊結(jié)構(gòu)程序，固定其輸入/輸出地址，以便隨時調(diào)用。其中主程序的流程圖如圖4所示7。（下轉(zhuǎn)第959頁）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)束語本研究基于CAN總線和LabVIEW開發(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)能實現(xiàn)J微計算機(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M2007廣致遠(yuǎn)電子有限公司，8TRRAVISJ，KRINGJLabVIEW大學(xué)實用教程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)，實現(xiàn)電源老化測試的自動化。通過上位機(jī)的人機(jī)界面可以控制能饋電子負(fù)載的運行并實實時性好、可靠性高。在老化

18、時監(jiān)測測試電源的狀態(tài)，測試結(jié)束后，能生成Excel測試報表，以便對測試電源作后續(xù)分析和跟蹤。該監(jiān)控系統(tǒng)通過設(shè)置不同的機(jī)種參數(shù)，可以對不同規(guī)格的電源進(jìn)行老化測試，具有很強的通用性和實用價值。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與儀表，2008，45（10）：37-電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計J編輯：李輝（上接第950頁）4實驗結(jié)果實驗電爐的升溫、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。其渡時間長的缺點，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值。參考文獻(xiàn)（Refe