摘? 要: 討論了利用模糊控制技術設計的單片機模糊爐溫控制系統,并將其應用于退火爐爐溫控制上。試驗表明,這種控制系統比傳統的PID調節控制系統精度高、速度快。
關鍵詞: 模糊控制? 單片機? 退火爐? 爐溫
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模糊控制技術是以模糊數學為基礎發展起來的一種新的控制技術。模糊控制方式是一種非線性控制方式,對無法取得數學模型或數學模型相當粗糙的系統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變的復雜過程,爐溫控制直接影響著工件的退火質量。本文討論了利用模糊控制技術設計的單片機模糊爐溫控制系統,實驗表明該系統比傳統的PID爐溫控制系統精度高、速度快。
1 單片機模糊爐溫控制系統的工作原理
單片機模糊爐溫控制系統的工作原理如圖1所示。該系統的被控對象是退火爐,被控參數是爐內溫度yT,退火爐燃料為煤氣,改變閥門的開度便可改變退火爐內燃燒的煤氣流量,從而改變爐內溫度。單片機模糊爐溫控制系統用熱電偶檢測退火爐內實際溫度。熱電偶輸出的電信號經信號變送器、信號調理電路送至單片機模糊爐溫控制器。控制器根據系統給定溫度和爐內實際溫度及爐內實際溫度的變化率,利用模糊控制算法,求出控制系統的控制輸出量μk(數字量),經D/A變換器轉變為控制模擬量以控制煤氣閥門的開度,從而改變爐溫。
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2 模糊控制器的設計
考慮到退火爐爐溫具有非線性、時變等特點,單片機模糊爐溫控制器采用模糊控制理論,通過總結操作人員對過程的操作和控制的經驗,用模糊條件語句構成控制規則,采用極大極小合成運算原理,從而得到一個模糊爐溫控制模型。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—煤氣閥門開度。
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,二者皆可用模糊語言變量表示為負大(NL)、負中(NM)、負小(NS)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)。模糊化是對模糊控制器的輸入變量求取相應語言值的隸屬度。
對于輸入變量u,其隸屬度以圖2的圖線表示;對于輸入變量Δu,其隸屬度以圖3的圖線表示。經過模糊化后,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)。
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由上面的兩個隸屬函數圖可知,對一個給定的u或Δu,至多有兩個對應的模糊語言值為0。
2.3 模糊控制規則推理
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利用式1、式2求出模糊控制規則,模糊規則推理按照模糊規則來完成,最后形成輸出變量的隸屬度。單片機爐溫模糊控制規則如表1所示。
2.4 模糊判決
根據表1所列的模糊控制規則,可以求出每一條規則的模糊關系Ri,進而求出每一條規則的模糊關系
。對于給定的
和
的值,通過合成推理規則可求出對應的輸出量
,再經過模糊判決可得到實際執行量。
為了充分利用模糊控制量向量所取得的信息,本控制器系統采用加權平均法將模糊控制向量轉化為精確控制向量。
3 模糊控制器在單片機上的實現
3.1 硬件組成
如圖1所示,模糊控制器的CPU采用AT89C51單片機,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RAM,32條I/O線,2個16位定時/計數器和5個中斷源等資源。控制器可在單片機系統控制軟件的支持下,由鍵盤操作獨立工作,也可作為下位機方式工作。
退火爐的溫度選用鎳鉻—鎳鋁熱電偶采集,其輸出信號為0～41.32mV。變送器選用電動單元組合儀表中的mV變送器,輸出信號為0～10mA。然后再經過電流-電壓變換電路變換為0～2V的電壓信號，送到A/D轉換器ICL7135進行A/D轉換。由于ICL7135 A/D轉換器的分辨率為兩萬分之一,即控制器的分辨率為0.005°C,完全滿足系統要求。
控制器的控制輸出量μk(數字量),經D/A轉換器轉換為模擬控制量,以控制煤氣閥門的開度。模糊控制器采用DAC0832作為D/A轉換器件,控制電路接成8位電壓輸出型DAC,從基礎運放芯片μA741的第6引腳輸出單極性模擬電壓。輸出模擬控制電壓為:
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式中,D為單片機輸出模糊控制數字量,VREF為基準電壓。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標準電平的轉換,通過RS-232接口與上位微機通信;單片機控制電路中連接了一片串行E2PROM芯片24LC02,用來存儲智能運算中必需的控制過程參數;鍵盤顯示電路與單片機AT89C51的P0口和P2口連接,采用定時中斷掃描方式工作,對8位數碼管諸位掃描顯示,鍵盤用組合功能鍵完成系統參數的設置與修改。
3.2 軟件組成
模糊控制器是在應用程序軟件控制下完成對退火爐爐溫控制的。系統控制軟件主要包括:主程序、顯示子程序、A/D轉換(數據采集)子程序、溫度設定調節子程序、按鍵中斷服務子程序、定時器中斷服務子程序、打印子程序、數據采集誤差修正子程序、模糊推理子程序、模糊決策子程序、函數子程序、模糊關系R表格處理子程序、D/A轉換子程序等組成,其程序流程框圖如圖4所示。其它子程序由于篇幅所限,在此不再詳細介紹。
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參考文獻
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