摘要：温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。本设计以电锅炉为研究对象，研究一种最佳的控制方案，设计了单片机为核心部件的温度智能控制器，实现了温度的采集与控制、超限报警等各种功能。在进行硬件电路设计的同时，将模糊PID算法引入到软件设计中，也进行了相应软件设计和仿真。
论文关键词：电锅炉,温度控制,模糊PID控制,仿真

　　在工业生产过程中，温度控制在生产过程中占有相当大的比例，准确的测量和有效的控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。

　　电锅炉是将电能直接转化为热能的一种能量转换装置。本文研究对象为直热式水锅炉，采用电阻式加热采用电阻式加热。本文的研究目的是结合电锅炉水温上升的特点，对它的温度进行控制，达到调节时间短、超调量小且稳定误差小的技术要求。

　　2.硬件设计概述

　　具体的硬件设计框图如图1所示：主要分6个功能模块：89C51单片机、温度检测模块、触发模块、过零检测模块和显示模块及报警模块。

　　图1 硬件电路设计总体框图

　　本文选用AT89C51作为核心芯片，这样不仅提高了系统的总体性能，而且降低了成本。本设计选用的传感器型号为DS18B20温度传感器。补偿器型号为AD590JH温度转换器。图2为数据采集及A/D转换模块。控制输出模块主要包括D/A转换和光电耦合模块，主要由芯片DAC0832、运算放大器和光耦实现，具体设计如图10所示。另外还进行了键盘输入模块和报警显示模块的设计，由于篇幅不再赘述。

　　

　　图2 数据采集及A/D转换模块

　　

　　图3 控制输出模块

　　3.算法的实现

　　由于纯PID控制对有较大的超量和过渡时间，为了解决这一难点，本系统将模糊控制算法和PID的实用性相结合，研究出一种参数模糊自整定PID控制系统，以此减少超调量，调节时间和系统的振荡性，提高温度调节系统的整体控制性能[10]。

　　参数模糊自整定PID控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，这种控制方法不仅保持了常规PID控制系统的原理简单、使用方便、鲁棒性强等特点，而且具有更大的灵活性、适用性、精确性等特性。典型的模糊自整定PID控制系统的结构如图4所示。

　　

　　图4 参数自整定模糊PID控制器设计图

　　该模糊控制器输入输出的隶属函数均选灵敏度高及在论域范围内均匀分布的等距离三角函数。隶属函数曲线如图5、图6所示。

　　

　　图5 偏差E及偏差变化率EC的隶属函数图 图6 Δkp、Δki、Δkd隶属函数图

　　模糊决策一般采用Mamdani's(min-max)决策法。反模糊化，也就是模糊量的精确化，本设计采用重心法计算公式如（1）式所示：

　　　　　 　　　　（1）

　　重心法比较全面的反应了各个控制信息，它的缺点是运算量较大，不过在实际的控制过程中，输出论域的元素一般不会太多。再次，清晰化方法选择重心法。此设计的模糊控制输入输出曲面如图7所示：

　　　 　　　　

　　( a)(b)

　　

　　(c)

　　图7 模糊PID控制器输入输出曲面图

　　4.仿真

　　在MATLAB命令窗口中键入“Simulink”,在Simulink环境下，建立模糊PID的仿真模型如图8所示，模糊PID的仿真结果曲线如图9所示。

　　

　　图8 模糊PID控制器的仿真模块

　　

　　图9 模糊PID控制系统仿真图

　　根据仿真结果可知，采用模糊控制策略整定PID参数相对于普通PID控制策略，其系统的鲁棒性增强,响应时间大大减少，超调量也得到了一定的改善，提高了系统的总体性能[6]。

　　5.总结

　　本文以电锅炉的温度作为研究对象，采用了较新的控制方法——模糊PID控制。该控制系统选用单片机AT89C51作为控制芯片。完成数据采集、参数整定、LED显示、键盘输入、报警等功能，由理论向实际迈出了一步，具有一定的理论和实用价值。

参考文献
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[3] 谢仕鸿.MATLAB R2008控制系统动态仿真实例教程[M]. 北京：化学工业出版社，2009.1
[4] 王正林,王胜开等.MATALB/Simulink与控制系统仿真[M].北京：机械工业出版社，2008.7
[5] 南新元,陈志军,程志江.基于模糊PID的电锅炉温度控制系统研究[J]. 自动化仪表,2008. [6] 秦文虎.程序温控仪中PID参数自整定算法[J].自动化仪表,2000,21(1):17-24.5,29(5)