基于單片機(jī)的加熱爐溫度模糊控制系統(tǒng)

楊宏麗
(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子通信工程系 廣東深圳 518055)

1 引 言

加熱爐在冶金、化工等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛地使用，加熱爐的溫度是生產(chǎn)工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo)，溫度控制的好壞將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。熱處理加熱爐是一種能改善金屬材料及其制品(如機(jī)器零件、工具等)性能的工藝。根據(jù)不同的要求，將材料及其制品加熱到適宜的溫度并保溫，隨后用不同方法冷卻，改變其內(nèi)部組織以獲得所要求的性能。熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段之一。

熱處理加熱爐具有大慣性、純滯后等非線性以及時(shí)變的特點(diǎn)，開(kāi)關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，基于數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制例如PID控制難以保證加熱工藝曲線要求。作為非線性控制的一大分支，模糊控制在上述溫度控制系統(tǒng)中可以得到較好的應(yīng)用。
模糊控制是智能控制的分支之一，他具有以下特點(diǎn)：


2模糊控制器的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、溫度顯示、爐溫控制、故障檢測(cè)以及報(bào)警等功能，智能模糊控制器由單片機(jī)完成，采用規(guī)則自尋優(yōu)的控制算法進(jìn)行過(guò)程控制。加熱爐采用雙向可控硅控制，由單片機(jī)輸出通斷率控制信號(hào)，產(chǎn)生可控硅的過(guò)零觸發(fā)脈沖。

整個(gè)系統(tǒng)的是模糊控制器，8098單片機(jī)是控制器的主體。他與若干擴(kuò)展電路(程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、地址鎖存器、地址譯碼器等)構(gòu)成處理器模塊。測(cè)溫?zé)犭娕驾敵龅膍V信號(hào)經(jīng)變送器芯片轉(zhuǎn)換成O～10 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再將此信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換之后送入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令，通過(guò)模糊控制算法計(jì)算控制量，輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)過(guò)零觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)雙向可控硅，從而控制熱處理加熱爐。此外，智能控制器還包括硬件看門狗電路故障檢測(cè)電路、數(shù)碼顯示電路以及電源等。智能模糊控制器的硬件框圖如圖1所示。

模糊控制器的主程序包括初始化、鍵盤管理及控制模塊和顯示模塊的調(diào)用。溫度信號(hào)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、控制算法以及溫度顯示等功能的實(shí)現(xiàn)由各子程序完成。軟件的主要流程是：利用8098單片機(jī)的定時(shí)器TO和軟件計(jì)數(shù)產(chǎn)生采樣周期，周期到，程序則轉(zhuǎn)入控制模塊，調(diào)用A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波及標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊得到爐溫的反饋信號(hào)，根據(jù)偏差和偏差的變化率計(jì)算控制量，輸出脈沖信號(hào)控制過(guò)零觸發(fā)器。啟動(dòng)、停止以及給定值通過(guò)鍵盤利用外部中斷產(chǎn)生，有按鍵輸入時(shí)則調(diào)用中斷服務(wù)程序。程序流程如圖2所示。

3模糊控制算法的研究

本系統(tǒng)的對(duì)象熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，用基于數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱工藝曲線要求。為此，選用模糊控制算法中的規(guī)則自尋優(yōu)算法。

算法的基本原理采用解析表達(dá)式描述的控制規(guī)則，簡(jiǎn)單方便，易于處理。二維控制規(guī)則自尋優(yōu)算法可以用解析表達(dá)式概括：

其中，E，C，U為經(jīng)過(guò)量化和模糊化的模糊變量，相應(yīng)的論域分別為誤差、誤差變化率及控制量；a為調(diào)整因子。

由式(1)描述的控制規(guī)則可看出，控制作用取決于誤差及誤差變化率，且通過(guò)調(diào)整a的大小，可以改變對(duì)誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度，a值一旦確定，在整個(gè)控制過(guò)程中就不再改變。但在實(shí)際系統(tǒng)中，系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下，對(duì)控制規(guī)則中誤差E與誤差C的加權(quán)程度有不同的要求。如誤差較大時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，此時(shí)對(duì)誤差的加權(quán)應(yīng)該大些；當(dāng)誤差小時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小超調(diào)，此時(shí)要求在控制規(guī)則中誤差變化率的加權(quán)大些。為了得到好的控制性能，就要求a值在控制過(guò)程中可調(diào)整，即控制規(guī)則可在控制過(guò)程中在線修正。式(2)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)口進(jìn)行在線修正。

4 性能分析

本系統(tǒng)在仿真運(yùn)行后，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作方便，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，圖4是某加熱爐的溫度曲線。從圖中可以看出，曲線的跟蹤性能好，穩(wěn)態(tài)高，超調(diào)小。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)介紹了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的熱處理加熱爐溫度控制系統(tǒng)，由于控制對(duì)象是一種具有純滯后的大慣性環(huán)節(jié)，采用智能模糊控制器可以達(dá)到理想的控制效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)控制方案合理、穩(wěn)態(tài)高、超調(diào)小。
(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、抗干擾性強(qiáng)、魯棒性好。