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引言 電加熱爐是典型工業過程控制對象，其溫度控制具有升溫單向性，大慣性，純滯后，時變性等特點，很難用數學方法建立精確的模型和確定參數。而PID控制因其成熟，容易實現，并具有可消除穩態誤差的優點，在大多數情況下可以滿足系統性能要求，但其性能取決于參數的整定情況。且快速性和超調量之間存在矛盾，使其不一定滿足快速升溫、超調小的技術要求。模糊控制在快速性和保持較小的超調量方面有著自身的優勢，但其理論并不完善，算法復雜，控制過程會存在穩態誤差。 將模糊控制算法引入傳統的加熱爐控制系統構成智能模糊控制系統，利用模糊控制規則自適應在線修改PID參數，構成模糊自整定：PID控制系統，借此提高其控制效果。 基于PID控制算法，以ADuC845單片機為主體，構成一個能處理較復雜數據和控制功能的智能控制器，使其既可作為獨立的單片機控制系統，又可與微機配合構成兩級控制系統。該控制器控制精度高，具有較高的靈活性和可靠性。 2 溫度控制系統硬件設計 該系統設計的硬件設計主要由單片機主控、前向通道、后向通道、人機接口和接口擴展等模塊組成，如圖l所示。由圖1可見，以內含C52兼容單片機的ADUC845為控制核心．配有640 KB的非易失RAM數據存儲器、外擴鍵盤輸人、320x240點陣的圖形液晶顯示器進行漢字、圖形、曲線和數據顯示，超溫報警裝置等外圍電路；預留微型打印機接口，可以現場打印輸出結果；預留RS232接口，能和PC機聯機，將現場檢測的數據傳輸至PC機來進一步處理、顯示、打印和存檔。 電阻爐的溫度先由熱電偶溫度傳感器檢測并轉換成微弱的電壓信號，溫度變送器將此弱信號進行非線性校正及電壓放大后，由單片機內部A／D轉換器將其轉換成數字量。此數字量經數字濾波、誤差校正、標度變換、線性擬合、查表等處理后。一方面將爐窯溫度經人機面板上的LCD顯示：另一方面將該溫度值與被控制值(由鍵盤輸入的設定溫度值)比較，根據其偏差值的大小，提供給控制算法進行運算，最后輸出移相控制脈沖，放大后觸發可控硅導通(即控制電阻爐平均功率)。達到控制電爐溫度的目的。如果實際測得的溫度值超過了該系統所要求的溫度范圍，單片機就向報警裝置發出指令，系統進行報警。 2．1 系統主控模塊 系統主控模塊電路如圖2所示，它主要由CPU及數據存儲器，晶體振蕩器、復位電路、圖形液晶顯示器(LCD)及控制電路、微型打印機接口控制電路、實時日歷時鐘，熱電偶信號處理電路等構成。這里，該系統設計可測量3點溫度。傳感器選擇K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶，可用于從室溫到1 200°C的溫度測量，測量范圍寬，精度高。在溫度測量范圍內K型熱電偶的輸出熱電勢只有0～45．119 mV，為了和ADuC845的A／D轉換器相匹配，采用ACl226和1B51作為信號調理電路，由AC1226、1B51構成熱電偶冷端溫度補償及信號調理器電路。當熱端距測溫儀表較遠時，需利用熱電偶匹配導線將冷端延長。CD4051為多路模擬開關，由ABC控制接通，當5～3接通時，輸入接地，UO輸出UOmin，用于零點校準；當4～3接通時，單片機1．25 V穩定參考電壓Uref，再經電阻R1、R2分壓，得到毫伏級參考輸入電壓，UO輸出UOmax，用于增益校準；當2～3、1～3、12～3分別分時接通時，依次輸入3個熱電偶正常測溫所得變換電壓，UO從而輸出3個溫度點所對應的電壓UOA，UOB，UOC。在HI端與+UISO端之間串上一只220 MΩ上拉電阻，一旦熱電偶開路，HI端即被偏置為+UISO，迫使1B51的輸出電壓超量程，由此判定熱電偶已開路。多路模擬開關和測量數據采集過程在單片機協調下工作，每次數據采集都進行自動判斷和校準閣。 2．2 控制輸出驅動電路 對溫度的控制是通過可控硅調功器電路實現，如圖3所示。雙向可控硅管和硅碳棒串接在交流220 V、50 Hz交流市電回路中，圖3中只給出了A相。移相觸發脈沖由ADuC845用軟件在P1．3引腳上產生的，零同步脈沖同步后，經光耦合管和驅動器輸出送到可控硅的控制極。過零同步脈沖由過零觸發電路產生，利用同步變壓器和電壓比較器LM311組成正弦交流電的正半波過零檢測電路，它在交流電每一個正半周的起始零點處產生上升沿．并在正半周回零處產生一個下降沿，電壓比較器LM311用于把50 Hz正弦交流電壓變成方波。方波的正邊沿和負邊沿分別作為兩個單穩態觸發器的輸入觸發信號，單穩態觸發器輸出的2個窄脈沖經二極管或門混合后通過可重復觸發集成單穩態觸發器MC14528，單穩態輸出的兩路窄脈沖再疊加，就可得到對應于交流市電的100 Hz過零同步脈沖。脈沖寬度可由MC14528的外接電阻R4和外接電容C1、C2調節。此脈沖加到ADUC845的TO作為計數脈沖和INT1中斷口觸發INT1中斷。可控硅的過流、過壓保護采用一般阻容保護電路。R5是觸發器輸出限流電阻，R3用以消除漏電流，防止KP150的誤觸發。 3 溫度控制系統軟件設計 3．1 主程序及其功能 軟件設計采用模塊化設計原則。控制程序主要由測量采樣操作，溫度參數設置界面的顯示，操作按鍵的管理，測量過程，數據算法處理，輸出控制的處理及測量結果顯示等模塊組成。主模塊是為其他模塊構建整體框架及初始化工作。調用運算和顯示構成一個無限循環圈，溫控的所有功能都在該循環圈中周而復始有選擇執行。除非掉電或復位，否則系統程序不會跳出該循環圈。因浮點數運算占用時間較多，應將其作為單獨模塊。控制算法模塊包括：PID運算模塊和PID參數自整定模塊兩部分，主要是相應控制算法的初始化及運算程序。數學運算模塊主要包括諸如帶符號浮點數求補運算、帶符號浮點數乘法、無符號浮點數除法以及浮點數加減法等運算子程序，供其他模塊根據算法的需要隨時調用。顯示設定和操作界面由菜單顯示，用INTO中斷完成。界面中用線框框起來的符號和漢字表示當前起作用的按鍵，用“上下左右”按鍵移動光標和改變數據，按下確認鍵后選中有效，開始執行所選功能，按下返回鍵就回到上一級界面(菜單)。數據的采集及預處理模塊由TO計數定時產生中斷，包括數字濾波、標度變換、顯示刷新等部分，完成數據預處理及人機交互功能。過零同步由交流過零觸發產生INT1中斷，并確定移相順序，觸發T1定時，產生移相脈沖，控制輸出。一旦中斷，首先判斷具體的中斷源。若是定時中斷，則調用相應的模塊完成定時服務；若是人機面板的按鍵中斷，則在識別按鍵后，進入散轉程序，隨之調用相應的鍵盤處理服務模塊。無論是哪一個中斷源產生中斷，執行完相應的程序后均返回主模塊，必要時修改顯示內容，并開始下一輪循環。圖4所示為系統軟件主程序流程。 3．2 模糊自整定PID算法程序 模糊自整定PID算法程序程序的總流程為：首先模糊整定，然后根據誤差和誤差變化率對PID的3個參數進行在線調整，把經過模糊調整后的PID參數作為最終的控制參數進行PID控制。溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的最壞情況值均取為100℃，在此建立的溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的基本論域，數字量化確定e(k)的論域區間為[-128，128]。這樣就必須對溫度誤差e和溫度誤差變化率△e超過100°C．變換后的e和△e其動態范圍限幅壓縮，這樣就可以使溫度誤差和溫度誤差變化率△e在整個測控溫度變化范圍[0℃，1 112°C]內，控制量都可以起到作用。圖5為模糊PID控制流程。 4 結語 將系統溫度設置不同的溫度值，觀測記錄溫度變化曲線。電加熱爐溫度控制系統實際輸出的響應曲線如圖6所示。 從電加熱爐溫度控制的實際效果來看，Fuzzy-PID復合控制器具有以下特點：①系統具有較好動態特性。不僅升溫速度快，而且超調量很小；②系統具有比較理想的穩態品質，穩態過程沒有振蕩，溫度控制精度在±3℃以內；③系統的抗干擾能力增強，對生產現場的各種噪聲和干擾具有較好的抑制作用；④當被控過程參數發生變化時，控制系統仍能保持較好的適應能力和魯棒性。 |
