摘 要:讨论了利用模糊控制技术设计的单片机模糊炉温控制系统,并将其应用于退火炉炉温控制上。试验表明,这种控制系统比传统的PID调节控制系统精度高、速度快。

关键词:模糊控制 单片机 退火炉 炉温

　　模糊控制技术是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制技术。模糊控制方式是一种非线性控制方式,对无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得令人满意的控制效果。退火炉炉温控制是一种非线性的时变的复杂过程,炉温控制直接影响着工件的退火质量。本文讨论了利用模糊控制技术设计的单片机模糊炉温控制系统,实验表明该系统比传统的PID炉温控制系统精度高、速度快。

1 单片机模糊炉温控制系统的工作原理

　　单片机模糊炉温控制系统的工作原理如图1所示。该系统的被控对象是退火炉,被控参数是炉内温度yT,退火炉燃料为煤气,改变阀门的开度便可改变退火炉内燃烧的煤气流量,从而改变炉内温度。单片机模糊炉温控制系统用热电偶检测退火炉内实际温度。热电偶输出的电信号经信号变送器、信号调理电路送至单片机模糊炉温控制器。控制器根据系统给定温度和炉内实际温度及炉内实际温度的变化率,利用模糊控制算法,求出控制系统的控制输出量μk(数字量),经D/A变换器转变为控制模拟量以控制煤气阀门的开度,从而改变炉温。

2模糊控制器的设计

　　考虑到退火炉炉温具有非线性、时变等特点,单片机模糊炉温控制器采用模糊控制理论,通过总结操作人员对过程的操作和控制的经验,用模糊条件语句构成控制规则,采用极大极小合成运算原理,从而得到一个模糊炉温控制模型。模糊控制器的控制步骤大体分三步:精确量模糊化、模糊控制规则推理模糊、模糊判决。

2.1 确定模糊变量

　　模糊控制器采用目前广泛使用的二维模糊控制器。确定模糊变量为:

　　A:u—炉温温度偏差,

　　B:Δu—炉温温度偏差变化率,

　　C:c—煤气阀门开度。

2.2 精确量的模糊化取

　　取炉温温度偏差u、炉温温度偏差变化率Δu作为控制器的输入信息,二者皆可用模糊语言变量表示为负大(NL)、负中(NM)、负小(NS)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)。模糊化是对模糊控制器的输入变量求取相应语言值的隶属度。

对于输入变量u,其隶属度以图2的图线表示;对于输入变量Δu,其隶属度以图3的图线表示。经过模糊化后,可以得到u的隶属度为:μ_NL(u)、μ_NM(u)、…、μ_PL(u);Δu的隶属度为:μ_NL(Δu)、μ_NM(Δu)、…、μ_PL(Δu)。

　　由上面的两个隶属函数图可知,对一个给定的u或Δu,至多有两个对应的模糊语言值为0。

2.3 模糊控制规则推理

　　利用式1、式2求出模糊控制规则,模糊规则推理按照模糊规则来完成,最后形成输出变量的隶属度。单片机炉温模糊控制规则如表1所示。

2.4 模糊判决

　　根据表1所列的模糊控制规则,可以求出每一条规则的模糊关系Ri,进而求出每一条规则的模糊关系。对于给定的和的值,通过合成推理规则可求出对应的输出量,再经过模糊判决可得到实际执行量。

　　为了充分利用模糊控制量向量所取得的信息,本控制器系统采用加权平均法将模糊控制向量转化为精确控制向量。

3 模糊控制器在单片机上的实现

3.1 硬件组成

　　如图1所示,模糊控制器的CPU采用AT89C51单片机,它是一种低功耗、高速的八位CMOS芯片，具有4KB可编程ROM,128字节RAM,32条I/O线,2个16位定时/计数器和5个中断源等资源。控制器可在单片机系统控制软件的支持下,由键盘操作独立工作,也可作为下位机方式工作。

　　退火炉的温度选用镍铬—镍铝热电偶采集,其输出信号为0～41.32mV。变送器选用电动单元组合仪表中的mV变送器,输出信号为0～10mA。然后再经过电流-电压变换电路变换为0～2V的电压信号，送到A/D转换器ICL7135进行A/D转换。由于ICL7135 A/D转换器的分辨率为两万分之一,即控制器的分辨率为0.005°C,完全满足系统要求。

　　控制器的控制输出量μ_k(数字量),经D/A转换器转换为模拟控制量,以控制煤气阀门的开度。模糊控制器采用DAC0832作为D/A转换器件,控制电路接成8位电压输出型DAC,从基础运放芯片μA741的第6引脚输出单极性模拟电压。输出模拟控制电压为:

　　式中,D为单片机输出模糊控制数字量,VREF为基准电压。控制器的通信采用RS-232通信方式,通信接口由一片ICL232完成从TTL电平到RS-232标准电平的转换,通过RS-232接口与上位微机通信;单片机控制电路中连接了一片串行E2PROM芯片24LC02,用来存储智能运算中必需的控制过程参数;键盘显示电路与单片机AT89C51的P0口和P2口连接,采用定时中断扫描方式工作,对8位数码管诸位扫描显示,键盘用组合功能键完成系统参数的设置与修改。

3.2 软件组成

　　模糊控制器是在应用程序软件控制下完成对退火炉炉温控制的。系统控制软件主要包括:主程序、显示子程序、A/D转换(数据采集)子程序、温度设定调节子程序、按键中断服务子程序、定时器中断服务子程序、打印子程序、数据采集误差修正子程序、模糊推理子程序、模糊决策子程序、函数子程序、模糊关系R表格处理子程序、D/A转换子程序等组成,其程序流程框图如图4所示。其它子程序由于篇幅所限,在此不再详细介绍。

参考文献

1 Godhwani A， Basler M j. A digital excitation control system for use on brushless excited synchronous generators. IEEE Trans. On EC. 1996，11(3)：616～620

2 Bayens M A D. An approach to the design of a fuzzy self-tuning PID controller. Automatic Control

Journal A，1995;36(2)

3 刘开培.模糊控制表的确定原则.自动化仪表,1993(1)

4 袁南儿.计算机新型控制策略及其应用.北京:清华大学出版社,1998(1)