基于任务调度算法的智能燃烧控制器设计

摘要：应用在石膏板烘干生产线上的智能燃烧控制器，也可以实现对燃烧加热装置的控制。该控制器运用任务调度算法，能够达到燃烧室排真空、点火检测、空气进气量检测、燃气进气量控制以及安全报警等目的.同时，具有速度快、可靠性高的特点。

关键词：任务调度算法;智能燃烧;控制器;uC/OS-II操作系统;控制模块

中图分类号：TP273  文献标识码：A  文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

国内小型燃烧控制器利用单片机设计，采用PID算法进行运算和控制，在小型加热系统中，由于其成本底，价格便宜，因而有着一定的市场。该项目所研究的燃烧控制器的设计主要以重油和天然气作为燃料物来实现对象控制，同时，该项目的设计对未来其他热源控制装置的研制也具有一定指导意义。

1 燃烧控制器硬件设计

燃烧控制器硬件的设计主要是采集燃烧装置上所有的模拟和数字信号，之后通过控制器转换成标准Modbus信号，上传电脑显示器或控制系统的其他单元，以完成数据实时监控;同时，根据温度信号，通过相应的控制算法计算气源阀门的开放程度、空气比例阀的位置和风机转速。在此阶段，要确保加工生产线干燥炉的温度恒定。此外，还应严格控制燃烧室在燃烧过程中的热气稳定传播、故障输出、主要部件的可靠性和安全性等。控制器使用ARM9系列处理器为核心的控制芯片，系统主要包括模拟量输入单元（模拟量主要包括温度、压力、空气流量--供氧量）、模拟量输出单元（控制比例阀和风机的转速）、数字量输入输出单元（报警检测、报警输入、控制信号输出—启动—停止等信号）、通信接口、人机交互接口和电源。

2 燃烧控制器的软件设计

2.1 燃烧控制器的控制算法

燃烧控制器是一个多输入、多输出、多环路的非线性对象。输入量包括燃气量、被控对象的温度、空气流量;输出量包括干燥室温度、空压机风量。由于干燥室温度、燃烧室中氧气含量都受到空气供气量的影响，因而被干燥对象的数量也是系统中一个不可忽略的因素。被干燥对象是一个多变量、强耦合的系统，如果要把该系统作为一个整体来控制，其会受到较多的干扰因素，控制效果较差[1]。因此，可以将其分成干燥室温度系统和燃烧室氧含量控制系统两个单变量系统来进行控制，这样不仅能将复杂的系统变得更加精确、简单，还使系统加热器的燃烧效率得到提高。此外，为了使燃烧室的启动速度更快，抗干扰性更高，选择了自适应抗干扰控制器的控制算法，其控制框如图1所示。

2.2 燃烧控制器软件设计

该燃烧控制器主要功能是控制燃烧，也就是通过燃烧加热来控制加热室的温度。根据前述方案，采用燃烧室温度控制和含氧量控制两个单独的系统设计。但是燃烧室温度控制和含氧量控制这两个系统也具有一定的关联性，根据温度控制燃气的供给量，当干燥室温度低时，需要提供更多的燃气，以增大火焰，使加热更快，提供更多的热量;为了保证燃气燃烧充分，需要根据燃气量控制含氧量，也就是空气的进气量。通过两个单独系统的协调工作，不仅对燃烧室的温度进行了有效控制，还能够提高燃气的燃烧效率，达到很好的节能效果。

燃烧器控制的对象较多，因而设计的控制系统会比较复杂，不仅需要采集各种数据、计算分析，还要对故障进行实时报警。由于每个任务在CPU运行的时间也很难分配，如果一个任务运行的时间较长，可能会影响其他任务的执行，从而导致程序的崩溃。因此，为了确保燃烧系统的安全运行，外部正常通信，报警实时有效，可采用uC/OS-II实时操作系统，将多个任务划分为不同优先级的程序，根据每个子程序的优先级不同，合理调度操作系统，从而使CPU得到合理分配，大大提高系统的灵活性，并可以保证系统长期稳定的运行。

此外，uC/OS-II任务调度是完全基于任务优先级的抢占式调度，处于最高优先级的任务就绪状态，处理器立即将资源分配给它，从而将正在运行的低优先级任务转变为就绪状态。系统中任务转换关系如图2所示。

2.3 系统任务分配与优先级

根据uC/OS-II的特点，任务的优先级将影响控制器的操作。为了使处理器运行更加有效，根据设计的不同任务的重要性进行优先级分配。任务分配相关参数如表1所示。

自检

2.4 安全和故障报警控制

系统信号检测和分析处理任务的主要目的是确定各种测试参数是否超过报警设定值，以及确定优先报警等级（最高级警报，二级警报，低级报警），如表2所示，列出了各种报警的内容和优先级。报警系统是控制器安全、可靠的基本保障，通过对报警等级分配并经系统检测后，将报警信号发送给系统处理，系统对报警信号处理结束后，参数正常返回，自动报警任务完成，报警记录会在系统中保留。分级报警的处理方式，可以改善系统的运行速度，降低燃烧器和加热系统的事故频率，提高系统的稳定性，有利于系统的安全控制。通过报警级别的划分，可以根据不同级别的报警任务进行相应的处理，报警查询系统可以帮助用户迅速找到燃烧器出现故障的原因，并迅速解决系统故障。

3 结语

综合上述，在基于ARM9处理器的智能燃烧控制器设计过程中，不仅考虑了各种安全報警功能，加入了自抗扰控制器控制算法，还使用uC/OS-II实时多任务操作系统开发燃烧控制器。同时，通过采用uC/OS-II操作系统，使自抗扰控制器系统的动态和静态特性得到了提高，确保系统更加稳定、可靠和安全运行。

参考文献

[1]徐宏伟.燃气燃烧器发展现状研究[J].现代制造技术与装备，2009（3）：19-20.

收稿日期：2020-02-16

作者简介：丁理（1985—），男，安徽芜湖人，本科，工程师，研究方向：自动化工程、系统集成、工业控制现场总线。

Design of Intelligent Combustion Controller Based on Task Scheduling Algorithm

DING Li

（Wuhu Xinxing Cast Pipe Co.， Ltd， Wuhu Anhui  241000）

Abstract： The intelligent combustion controller applied in gypsum board drying production line can also control the combustion heating device. By using task scheduling algorithm， the controller can achieve the goals of exhaust vacuum， ignition detection， air intake detection， gas intake control and safety alarm. At the same time， it has the characteristics of fast speed and high reliability.

Keywords： Task scheduling algorithm; intelligent combustion; controller; UC / OS-II operating system; control module