基于单片机的加热炉温度模糊控制系统

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1、基于单片机的加热炉温度模糊控制系统

2、第1摘 要:介绍了以单片机8098为核心,以加热炉为控制对象的智能模糊控制系统,深入研究了规则自寻优的模糊控制算法,仿真结果表明该系统控制效果好,稳态精度高,超调量小。  关键词:加热炉;模糊控制;单片机;仿真1引言  加热炉在冶金、化工等工业生产过程中广泛地使用,加热炉的温度是生产工艺的一项重要指标,温度控制的好坏将直接影响产品的质量。热处理加热炉是一种能改善金属材料及其制品(如机器零件、工具等)性能的工艺。根据不同的要求,将材料及其制品加热到适宜的温度并保温,随后用不同方法冷却

3、,改变其内部组织以获得所要求的性能。热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段之一。  热处理加热炉具有大惯性、纯滞后等非线性以及时变的特点,开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程,基于精确数学模型的常规控制例如PID控制难以保证加热工艺曲线要求。作为非线性控制的一大分支,模糊控制在上述温度控制系统中可以得到较好的应用。  模糊控制是智能控制的分支之一,他具有以下特点:  (1)是一种非线性控制方法,工作范围宽,适用范围广,特别适合于非线性系统的控制。  (2)不依赖于对象的数学模型,对无法建模或很

4、难建模的复杂对象,可以利用人的经验知识来设计模糊控制器,从而完成控制任务,而传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型才能设计控制器。  (3)他具有内在的并行处理机制,表现出极强的鲁棒性,对被控对象的特性变化不敏感。  模糊控制器的设计参数容易选择调整;算法简单、执行快、容易实现,不需要很多的控制理论知识[1]。2模糊控制器的设计  本控制系统主要完成数据采集、温度显示、炉温控制、故障检测以及报警等功能,智能模糊控制器由单片机完成,采用规则自寻优的控制算法进行过程控制。加热炉采用双向可控硅控制,由单片机输出通断率控制

5、信号,产生可控硅的过零触发脉冲。  整个系统的核心是模糊控制器,8098单片机是控制器的主体。他与若干扩展电路(程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译码器等)构成处理器模块。测温热电偶输出的mV信号经变送器芯片转换成0~10V的标准信号,再将此信号经A/D转换之后送入单片机,单片机根据输入的各种命令,通过模糊控制算法计算控制量,输出脉冲触发信号,通过过零触发电路驱动双向可控硅,从而控制热处理加热炉。此外,智能控制器还包括硬件看门狗电路故障检测电路、数码显示电路以及电源等。智能模糊控制器的硬件框图如图1所示。500

6、)this.style.ouseg(this)">  模糊控制器的主程序包括初始化、键盘管理及控制模块和显示模块的调用。温度信号的采集、数字滤波、标度变换、控制算法以及温度显示等功能的实现由各子程序完成。软件的主要流程是:利用8098单片机的定时器T0和软件计数产生采样周期,周期到,程序则转入控制模块,调用A/D转换、数字滤波及标度转换模块得到炉温的反馈信号,根据偏差和偏差的变化率计算控制量,输出脉冲信号控制过零触发器。启动、停止以及给定值通过键盘利用外部中断产生,有按键输入时则调用中断服务程序。程序流程如图2所示

7、。500)this.style.ouseg(this)">3模糊控制算法的研究  本系统的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统,用基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求。为此,选用模糊控制算法中的规则自寻优算法[2]。  算法的基本原理采用解析表达式描述的控制规则,简单方便,易于处理。二维控制规则自寻优算法可以用解析表达式概括:  500)this.style.ouseg(this)">其中,E,C,U为经过量化和模糊化的模糊变量,相应的论域分别为误差、误差变化率及控制量;a为调整因子。  由式

8、(1)描述的控制规则可看出,控制作用取决于误差及误差变化率,且通过调整a的大小,可以改变对误差和误差变化的不同加权程度,a值一旦确定,在整个控制过程中就不再改变。但在实际系统中,系统在不同的状态下,对控制规则中误差E与误差C的加权程度有不同的要求。如误差较大时,控制系统的主要任务是消除误差,此时对误差的加权应该大些;当误差小时,控制系统的主要任务是使系统尽快稳定,减小超调,此时要求在控制规则中误差变化率的加权大些。为了得到好的控制性能,就要求a值在控制过程中可调整,即控制规则可在控制过程中在线修正。式(2)采用优化设

9、计方法对a进行在线修正。  500)this.style.ouseg(this)">  该系统的控制原理如图3所示。500)this.style.ouseg(this)">4性能分析  本系统在仿真运行后,系统工作稳定,操作方便,各项指标都达到了设计要求,图4是某加热炉的温度曲线。从图中可以看出,曲线的跟踪性能好,稳态精度高,超调小。500)

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