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            中頻爐爐溫模糊控制系統

            作者:本站      時間:2019-07-11

            給出了單片機中頻爐溫控制系統軟、硬件的設計方法 ,該系統是以 2 8051 單片機為 核心 ,采用模糊控制算法組成了一個主從式雙機雙工中頻爐溫控制系統。其特點是操作簡單、 控溫精度高和可靠性高 ,可用于很多場合。

            中頻爐是工業熱處理生產中廣泛采用的一種設 備。由于工業爐屬于大滯后控制對象 ,而且加熱功 率大 ,因此有效地提高爐溫的控制精度不僅能保證 熱處理的質量 ,而且能大大降低能耗。傳統的基于 精確數學模型的常規控制 (PID 控制、Smit h 預估控 制和大林算法等) 都是基于參數模型的控制方法 , 而其自適應性和魯棒性差 ,對模型精確性要求高 , 干擾能力差 ,難以保證加熱工藝曲線的要求。模糊 控制可以不需被控對象的數學模型即可實現較好的 控制 ,因而特別適用于那些具有純滯后、大慣性、參 數漂移大的非線性不確定復雜系統 ,在魯棒性和抗 干擾能力方面有很大的優勢。用智能模糊控制中頻 爐可以達到較好的控制效果。本文提出的爐溫控制 方法是以 2 片單片機為核心 ,加上模糊控制算法 , 僅可提高控制精度 ,節約能源 ,而且功能齊全 ,操作 方便 ,可靠性高。

             

            本系統是以 2 8051 單片機外圍接口電路構 成的一個主從式雙工爐溫控系統 ,硬件總體框圖如 1 所示。

            中頻爐爐溫模糊控制系統(圖1)

             

            管理系統是由主 8051 與鍵盤、顯示器、打印機 及報警電路所組成。其功能是管理整個系統的運行 情況 ,包括各個爐區恒溫溫度和恒溫時間的設定 ,爐溫顯示和打印以及超溫、觸路和斷偶等報警功能。 為了節省 CPU 的時間 ,鍵盤及顯示部分采用了可 編程鍵盤/ 顯示器 8279 ,打印機可任意定時及自動 打印。顯示器采用了 6 個共陰極 7 L ED ,為了在 不提高電源電壓的同時增強顯示器的亮度及穩定 ,本系統采用靜態顯示法。

             

            控制系統是由 8051 及輸入輸出通道所組成 , 功能是實現采樣通道的選擇及切換 ,各爐區溫度的 采集以及根據輸出量控制電路加熱功率。其中采用 2 片可編程并行接口芯片 8255 ,構成開關量輸入 輸出通道 ,分別完成采樣通道的選擇及控制爐的通 斷電控制。


            中頻爐爐溫模糊控制系統(圖2)

             

            本系統采用 2 8051 單片機構成主從式雙 機雙工控制系統 。主 、從 2 8051 的并行通訊 是由共用數據存儲區 RAM 實現的 ,即主 8051 由鍵盤輸入的命令及參數放到 RAM , 8051 RAM 區中獲取命令及參數 ,完成相應的功能 , RAM , 8051 管理 。

             

            系統是由主從 2 8051 分別完成的管理及控 ,僅論述以從 8051 為核心的控制軟件的設計 方法。

             

            模糊控制器是模糊控制系統的核心 ,它是一 種利用專家知識和操作者經驗設計的專家控制系 ,設計時不用數學解析模型來描述受控系統的 特性。在本溫度控制系統設計中 ,采用二維模糊 控制器 ,即以偏差 e 和偏差變化率Δe 作為模糊控制器的輸入變量 ,把加熱操作量作為輸出變量。 在模糊控制過程中 ,同時把偏差和偏差的變化率 作為模糊輸入量 ,這種方法不僅能保證系統控制 的穩定性 ,而且還可減少超調量和振蕩現象。根 據受控系統的實際情況 ,確定輸入變量的測量范 圍和輸出變量的控制作用范圍 ,以確定每個變量 的論域 , Ke、Kec Ku 分別為輸入和輸出變量的 量化因子和比例因子。先經限幅處理 ,再經量化 處理就得到了 E EC。根據當前已求得的 E EC ,直接查詢模糊控制表就獲得控制量的變化值 ΔU ,將該變化值ΔU 乘以比例因子 Ku ,即可得到 當前的實際控制量增量Δu。再將該增量和前一采 樣時刻的實際控制量相加 ,就得到目前應實施的 控制動作 , uk = uk - 1 + Ku ·ΔU ,其模糊控制 程序框圖如圖 2 所示。

             

            在單片機中對輸入的模糊量進行模糊推理 , 將所有描述控制過程的控制規則存儲在單片機的 EPROM 中。把專家知識和現場經驗轉換為用語言 表達的模糊控制規則 ,即設計控制規則庫。本系統 ,偏差 E、偏差變化率 EC 和控制量的變化的模糊 子集定義為 E = {NB ,NM ,NS ,NO ,PO ,PS ,PM ,PB} EC = {NB ,NM ,NS ,O ,PS ,PM ,PB} ΔU = {NB ,NM ,NS ,O ,PS ,PM ,PB} P、N 分別表示正、負 ,B、M、S 分別表示大、 中、小。

             

            建立模糊控制規則表的基本思想 ,以偏差為 負的情況說明。當偏差為負大時 ,若偏差變化為 ,表明此時偏差有增大的趨勢 ,為盡快消除已有 的負大偏差并抑制偏差進一步增大 ,所以控制量 的變化取正大。當偏差為負而偏差變化為正時 , 系統本身已有減少偏差的趨勢 ,所以為盡快消除 偏差且又不超調 ,應取較小的控制量。故當偏差 為負大且偏差變化為正小時 ,控制量的變化取為 正中。若偏差變化為正大或正中時 ,控制量不宜 增加 ,否則將會造成較大的超調 ,出現正偏差 , 此這時的控制量變化取為 0 級。當偏差為負中 ,控制量的變化應該使偏差盡快消除 ,基于這種 原則 ,控制量的變化選擇同偏差為負大時相同。 當偏差為負小時 ,系統接近穩態。若偏差變化為 負時 ,選取控制量變化為正中 ,以抑制偏差往負方 向變化 ;若偏差變化為正 ,系統本身有消除負小偏 差的趨勢 ,選取控制量變化為正小即可??梢娺x 取控制量變化的原則是 :當偏差大或較大時 ,選擇 控制量的大小以盡快消除偏差為主 ;而當偏差較 小時 ,選擇控制量要注意防止超調 ,以使系統穩定為主要出發點。

             

            如何保證控制系統的高可靠性是微機控制的 1 個重要方面。本系統除了采用魯棒性強、抗干擾能 力好的模糊控制算法外 ,還從以下 4 個方面增加了 一些抗干擾措施。 1) 采用三級穩壓及電源干擾抑制器 ; 2) 主機板單獨供電 ; 3) I/ O 通道均采用光電隔離 ; 4) 軟件采用防尖峰數值濾波。

             

             

            本控制系統硬件上采用了雙 CPU ,因此適當 擴充 I/ O 通道可實現更多區域的溫度控制。軟件 上采用模糊控制 ,不需要建立精確的數學模型 , 干擾能力強。以雙 CPU 為核心的爐溫度模糊控制 系統不僅控溫精度高 ,穩定性好 ,而且降低能耗 10 %20 %。本系統可廣泛應用于爐溫控制系 統中

             

             

             


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