摘? 要: 討論了利用模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)的單片機(jī)模糊爐溫控制系統(tǒng),并將其應(yīng)用于退火爐爐溫控制上。試驗(yàn)表明,這種控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)精度高、速度快。
關(guān)鍵詞: 模糊控制? 單片機(jī)? 退火爐? 爐溫
?
模糊控制技術(shù)是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一種新的控制技術(shù)。模糊控制方式是一種非線性控制方式,對(duì)無(wú)法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型相當(dāng)粗糙的系統(tǒng)可以取得令人滿意的控制效果。退火爐爐溫控制是一種非線性的時(shí)變的復(fù)雜過(guò)程,爐溫控制直接影響著工件的退火質(zhì)量。本文討論了利用模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)的單片機(jī)模糊爐溫控制系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的PID爐溫控制系統(tǒng)精度高、速度快。
1 單片機(jī)模糊爐溫控制系統(tǒng)的工作原理
單片機(jī)模糊爐溫控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。該系統(tǒng)的被控對(duì)象是退火爐,被控參數(shù)是爐內(nèi)溫度yT,退火爐燃料為煤氣,改變閥門(mén)的開(kāi)度便可改變退火爐內(nèi)燃燒的煤氣流量,從而改變爐內(nèi)溫度。單片機(jī)模糊爐溫控制系統(tǒng)用熱電偶檢測(cè)退火爐內(nèi)實(shí)際溫度。熱電偶輸出的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)變送器、信號(hào)調(diào)理電路送至單片機(jī)模糊爐溫控制器?？刂破鞲鶕?jù)系統(tǒng)給定溫度和爐內(nèi)實(shí)際溫度及爐內(nèi)實(shí)際溫度的變化率,利用模糊控制算法,求出控制系統(tǒng)的控制輸出量μk(數(shù)字量),經(jīng)D/A變換器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂颇M量以控制煤氣閥門(mén)的開(kāi)度,從而改變爐溫。
?
2 模糊控制器的設(shè)計(jì)
考慮到退火爐爐溫具有非線性、時(shí)變等特點(diǎn),單片機(jī)模糊爐溫控制器采用模糊控制理論,通過(guò)總結(jié)操作人員對(duì)過(guò)程的操作和控制的經(jīng)驗(yàn),用模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成控制規(guī)則,采用極大極小合成運(yùn)算原理,從而得到一個(gè)模糊爐溫控制模型。模糊控制器的控制步驟大體分三步:精確量模糊化、模糊控制規(guī)則推理模糊、模糊判決。
2.1 確定模糊變量
模糊控制器采用目前廣泛使用的二維模糊控制器。確定模糊變量為:
A:u—爐溫溫度偏差,
B:Δu—爐溫溫度偏差變化率,
C:c—煤氣閥門(mén)開(kāi)度。
2.2 精確量的模糊化取
取爐溫溫度偏差u、爐溫溫度偏差變化率Δu作為控制器的輸入信息,二者皆可用模糊語(yǔ)言變量表示為負(fù)大(NL)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)。模糊化是對(duì)模糊控制器的輸入變量求取相應(yīng)語(yǔ)言值的隸屬度。
對(duì)于輸入變量u,其隸屬度以圖2的圖線表示;對(duì)于輸入變量Δu,其隸屬度以圖3的圖線表示。經(jīng)過(guò)模糊化后,可以得到u的隸屬度為:μNL(u)、μNM(u)、…、μPL(u);Δu的隸屬度為:μNL(Δu)、μNM(Δu)、…、μPL(Δu)。
?
由上面的兩個(gè)隸屬函數(shù)圖可知,對(duì)一個(gè)給定的u或Δu,至多有兩個(gè)對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言值為0。
2.3 模糊控制規(guī)則推理
?
利用式1、式2求出模糊控制規(guī)則,模糊規(guī)則推理按照模糊規(guī)則來(lái)完成,最后形成輸出變量的隸屬度。單片機(jī)爐溫模糊控制規(guī)則如表1所示。
2.4 模糊判決
根據(jù)表1所列的模糊控制規(guī)則,可以求出每一條規(guī)則的模糊關(guān)系Ri,進(jìn)而求出每一條規(guī)則的模糊關(guān)系
。對(duì)于給定的
和
的值,通過(guò)合成推理規(guī)則可求出對(duì)應(yīng)的輸出量
,再經(jīng)過(guò)模糊判決可得到實(shí)際執(zhí)行量。
為了充分利用模糊控制量向量所取得的信息,本控制器系統(tǒng)采用加權(quán)平均法將模糊控制向量轉(zhuǎn)化為精確控制向量。
3 模糊控制器在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)
3.1 硬件組成
如圖1所示,模糊控制器的CPU采用AT89C51單片機(jī),它是一種低功耗、高速的八位CMOS芯片，具有4KB可編程ROM,128字節(jié)RAM,32條I/O線,2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)中斷源等資源?？刂破骺稍趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)控制軟件的支持下,由鍵盤(pán)操作獨(dú)立工作,也可作為下位機(jī)方式工作。
退火爐的溫度選用鎳鉻—鎳鋁熱電偶采集,其輸出信號(hào)為0～41.32mV。變送器選用電動(dòng)單元組合儀表中的mV變送器,輸出信號(hào)為0～10mA。然后再經(jīng)過(guò)電流-電壓變換電路變換為0～2V的電壓信號(hào)，送到A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于ICL7135 A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為兩萬(wàn)分之一,即控制器的分辨率為0.005°C,完全滿足系統(tǒng)要求。
控制器的控制輸出量μk(數(shù)字量),經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬控制量,以控制煤氣閥門(mén)的開(kāi)度。模糊控制器采用DAC0832作為D/A轉(zhuǎn)換器件,控制電路接成8位電壓輸出型DAC,從基礎(chǔ)運(yùn)放芯片μA741的第6引腳輸出單極性模擬電壓。輸出模擬控制電壓為:
????
式中,D為單片機(jī)輸出模糊控制數(shù)字量,VREF為基準(zhǔn)電壓。控制器的通信采用RS-232通信方式,通信接口由一片ICL232完成從TTL電平到RS-232標(biāo)準(zhǔn)電平的轉(zhuǎn)換,通過(guò)RS-232接口與上位微機(jī)通信;單片機(jī)控制電路中連接了一片串行E2PROM芯片24LC02,用來(lái)存儲(chǔ)智能運(yùn)算中必需的控制過(guò)程參數(shù);鍵盤(pán)顯示電路與單片機(jī)AT89C51的P0口和P2口連接,采用定時(shí)中斷掃描方式工作,對(duì)8位數(shù)碼管諸位掃描顯示,鍵盤(pán)用組合功能鍵完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與修改。
3.2 軟件組成
模糊控制器是在應(yīng)用程序軟件控制下完成對(duì)退火爐爐溫控制的。系統(tǒng)控制軟件主要包括:主程序、顯示子程序、A/D轉(zhuǎn)換(數(shù)據(jù)采集)子程序、溫度設(shè)定調(diào)節(jié)子程序、按鍵中斷服務(wù)子程序、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序、打印子程序、數(shù)據(jù)采集誤差修正子程序、模糊推理子程序、模糊決策子程序、函數(shù)子程序、模糊關(guān)系R表格處理子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序等組成,其程序流程框圖如圖4所示。其它子程序由于篇幅所限,在此不再詳細(xì)介紹。
?
參考文獻(xiàn)
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 劉開(kāi)培.模糊控制表的確定原則.自動(dòng)化儀表,1993(1)
4 袁南兒.計(jì)算機(jī)新型控制策略及其應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,1998(1)