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現代工業控制中，溫度控制十分重要且日益復雜化。由于溫度控制具有的非線性、大滯后、時變性、升溫單向性等特點，在實際應用中難以建立精確的數學模型，無法用經典控制理論及現代控制理論來解決實現溫度控制效果。目前，現代智能控制中不依賴對象數學模型、能有效控制時變和非線性系統的模糊控制已普遍應用于工業溫度控制中。通過對溫度的基本模糊控制，可達到較好的控制效果，但存在一定的穩態誤差，難以達到較高的控制精度。若根據系統不同的工作狀態采用不同的溫度模糊控制，即雙模糊控制，可大幅度改善穩態誤差，提高控制精度，同時利用單片機作為主控芯片，可有效完成溫度模糊處理及溫度實時控制且可靠性高。 1 控制器功能及硬件設計 雙模糊溫度控制器主要以單片機為主控芯片，主要負責溫度的模糊化處理、模糊控制算法實現、輸出溫度的大小控制處理。工業現場溫度通過溫度傳感器采集，傳感器輸出信號經變送器轉變為0～5 V 的標準信號，經A/D 轉換后與溫度設定值進行比較， 得到溫度誤差信號e 及溫度變化率ec，并在系統初始階段和穩態階段將兩者送入不同的單模糊控制器進行模糊處理，得到輸出控制量u，經隔離放大后控制功率可控硅改變加熱元件功率，從而完成溫度的調節。其溫度控制系統原理框圖如圖1 所示。 溫度控制器主控芯片采用ATMEL 公司的AT89S52 單片機，該單片機是一種低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有8 kB 在系統可編程Flash 存儲器和256B RAM，32 位I/O線，3 個16 位定時器，6 個中斷源以及看門狗定時器等，可滿足溫度控制器的基本設計及擴展設計需求。 溫度傳感器采用鎳鉻/鎳硅熱電偶，該熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩定性和均勻性較好等特點，其使用溫度為0~1 300 ℃，對應輸出為0~52.37 mV[1]。溫度變送器采用DBW 型， 把熱電偶輸出的毫伏信號轉換為0~5 V標準模擬信號。該信號通過A/D 轉換器ADC0809 的IN0 通道輸入，從而轉換為數字信號，再由AT89S52 單片機利用控制程序從P0 口輸入其內部RAM 單元，以便與溫度設定值進行比較[2]。模糊控制器輸出控制量通過P1.0 輸出，通過光電雙向可控硅驅動器MOC3051 去驅動功率可控硅， 從而改變加熱元件的加熱功率，以實現溫度調節的目的。 考慮到系統的人機互動，利用并行接口芯片8155 進行I/O 口擴展，以完成鍵盤輸入及顯示器輸出的設計。其中鍵盤采用矩陣式鍵盤，負責參數的設定和一些開關量的輸入，如：啟動、停止、復位、溫度設定、設定值修改、溫度數字鍵等;而顯示器采用LED 顯示器，用于同時顯示系統設定溫度及實際溫度。 2 雙模糊控制算法設計 2.1 雙模糊控制器結構設計 本模糊控制器采用雙模糊控制結構以及典型的雙輸入、單輸出方式，如圖2 所示。將溫度設定值與溫度反饋值之間的誤差e 及變化率ec 作為輸入量，將溫度控制量u 作為輸出量。由于系統在不同的控制狀態下存在大小不同的誤差，若考慮單模糊控制器設計，將使系統的快速響應及控制精度之間存在矛盾[3]，兩者無法兼顧。為此，采用雙模糊控制器設計，并人為設置一個誤差臨界值完成雙模控制切換[4]。在系統初始階段，系統誤差較大，使用系統因子Kec、Ku相對較小(如Kec1、Ku1)的模糊控制器，以實現快速響應，消除誤差的目的;在系統穩態階段，系統誤差較小，使用系統因子Kec、Ku適當增加(如Kec2、Ku2)的模糊控制器，以改善系統的穩態性能。 2.2 雙模糊控制策略 考慮溫度控制的特點， 將誤差e、變化率ec 及輸出量u的論域設為[-6，6]，將其量化為13 個等級，并分別為誤差e、變化率ec、輸出量u 選取7 個語言值，即{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}。三者的隸屬度函數均采用梯形分布[5]，如圖3 所示。根據對工業過程控制的經驗總結，制定相應的模糊控制規則表如表1 所示。 為提高系統的實時響應速度，事先根據模糊控制規則表及語言變量賦值表， 離線計算出模糊控制總表如表2 所示，該表經嚴格的實踐檢驗和反復修改后存放在單片機的程序存儲器中。然后根據輸入量e 及ec 在不同工作狀態的實際變化范圍及其論域，計算出量化因子Ke1、Kec1和Ke2、Kec2，并確定出比例因子Ku1和Ku2。實際控制時，模糊控制器把系統在不同工作狀態下的輸入量e 及ec 分別乘以相應的Ke、Kec，并量化到輸入量的語言變量論域中，再根據量化的結果與模糊控制總表進行比較，通過查表程序得到所需的輸出量U，最后乘以Ku，得到系統在不同工作狀態下的實際輸出控制量u。 3 控制器軟件設計 雙模糊溫度控制器的軟件采用模塊化設計思想，主要包括主程序、溫度采集程序、鍵盤/顯示控制程序、模糊控制算法程序等。下面主要給出主程序及模糊控制算法程序流程圖，分別如圖4、圖5 所示[6]。 4 結束語 文中提出的以單片機為控制核心的雙模糊溫度控制器，是以比例因子自整定模糊控制理論為基礎，根據系統誤差大小利用兩個系統因子不同的模糊控制器分別進行溫度控制。結構簡單、易于實現、適應力強，可較大提高穩態精度，對于溫度控制可以達到很好的控制效果，可廣泛應用于工業生產中。 |
