单片机模糊温度控制系统设计

1993年 第 5期 电子 与 自动 化 单片机模糊温度控制系统设计 武汉水运工程学院 何小于 但永红 弋P 摘要 本文介绍单片机热处理炉多路温度控制系统的设计。设计中使用分温度区段作多种控 制决帮，并在控制点附近应用侧重不同的模糊控制技术，保证了良好的控制特性。 关键词 模糊控制，单片机茸赳系统，温度控制 ． 。一 ” 。 发器翻转，同步信号使可控硅可以导通，从而 ⋯ q 控制可控硅的通断比来控制炉温。 在工业控制过程 中，经常遇到难 以获得 准确数学模型的非线性的复杂工业对象控制 过程(如控温过程)。对这些过程 ，目前多采用 PID式控制，而这种控制方式需在 良好的 P、 I、D参数整定条件下，才能达到预期的控制 效果。P、I、D参数 的整定是一项较麻烦的工 作。近年来，人们开始研究建立在模糊控制理 论基础上 的实用的工业温度控制系统。 我们在设计单片机热处理炉多路温度控 制系统中，应用了模糊控制理论原理 ，避开 了 P、I、D参数的整定 ，并利用软件变化灵活的 特点，采用分温度 区段作多种控制决策的控 制方法，保证了良好的控制特性 。 图 1 系统框图 臣 2．硬件环境 3．分区决策 系统主机 为 8031，并作相应的扩展，组 成一个系统如图 l。 软件固化在4K EPROM2732中。3÷位 BCD 码 MC14433作为 A／D转换器。扩展 8155作拨盘输入显示的接 口，并利用其存放 多台炉子的工艺参数，扩展 8253作 D／A输 出控制可控硅的导通比，从而控制炉子的输 入功率来控制炉温。可控硅线路如图 2。 用热电偶测温后 ，温度值经 MC14433A／ D转换器变换后送入主机 。主机比较测量值 和给定值得到温度误差 ，经温度分区决策获 得控制量 Cn，送入计数器。每一过零脉冲使 计数器减 1。计数器 回零后，送一脉冲使触发 器翻转 ，同步电路无法使可控硅导通 。每一控 制周期后计算机通过 P1．3口送一脉冲使触 图 2 可控硅线路 热处理炉的温度控制 ，总是离不开 升温 一 恒温一降温 三个基本状态。分析炉温总的 变化曲线 ：在升温过程中远离控制点时，要求 的是实现大幅度的迅速的升温，以减少设备 的升温时间，提高设备的使用效率；而在控制 点附近时 ，要求的是减少超调量，使升温尽可 能平滑地接近并稳定于控制点，提高温度的 控制品质。针对这不同的控制要求，显然应当 采取不同的控制决策方法。以 为界，远离控 制点时，采用全功率或比例控制决策；在接近 控制点时，采用模糊控制推理决策(见图 3)。 在远离控制点时(1山 l>At。)，以全功率 加热的形式尽量提高升温速 率，它不影响控 制品质。在靠近模糊控制区时(1山 l>山：)， 为使升温快速 ，并与模糊控制区平滑接近， 维普资讯 http://www.cqvip.com 电子 与 自动 化 1993年第 5期 图 3 升温示意曲钱 以比例控制的形式，使控制量与温度误差成 比例 。 在控制点 附近的模糊控制区时(}血 l< 血：)，为了提高和保证 系统的控制品质，要抓 住两个因素：一是变温过程的速度 ，二是恒温 过程的稳定。偏重变温时，就要考虑超调和过 冲的问题 ；偏重恒温时，就要考虑达到温度点 的速度问题。由此 ，在模糊控制区内，外区注 重变温的速度 ，内 区注重 恒温的稳定 ，t，为 界。 整个控温过程采取分区段多种决策。利 用程序判断分流是很容易的。实验证明，引进 分区多种决策的方法，可以有效地克服滞后 情况严重的炉温超调现象 ，升温快速 ，控制效 果较好。各分区界 t ，t。，t 依具体炉子 自身特 性而定。 4．模糊控制方法 模糊控制方法是把人类的知识 (包括经 验)用模糊规则来表示，按模糊推理来决定操 作量 。原理示意图见图 4，其中x 、x。是监测 到的被控 系统的状态，【厂是为保证被控系统 处于最佳状态而输入到被 控系统的操作量。 模糊控制装置将从被控系统来的信息作为输 入，按规则库 中的模糊规则进行模糊推理来 决定操作量并输出。 在炉温控制系统中 ，输入量是炉温在采 样时得到的温度误差值 血。以及相应的温度 误差的变化 AV 。输出量是由两个输入量为 因子 ，经模糊控制推理决策出的控制量 dC。 输 ^ 最 x x 图 4 模糊控制原理示意图 首 先要将精确量转换为模糊量，把两个输入 和一个输 出都采用 7个模糊语言变量表示， 即 PB(正 大)，PM (正 中)，PS(正 小)，NO (零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)。根 据具体的控制设备的情况，列 出 血、AV、△c 的变化范 围和对应关 系，再引用操作者的经 验和控制原理，根据误差在设定点以上或 以 下以及偏差变化是朝向设定点或离开设定点 来确定控制量，这样建立一个相应的模糊控 制表 ，并存入计算机。工作时将测量计算后的 血、AV经量化处理 ，得到两个模糊等级量，然 后利用控制规律 f， X and X： then 【厂，用查表法在控制表 中找到相应的模糊控 制量 ，再经 比例运算后算 出控制量 z3C，加入 到控制对象中击。 表 1是一个两因子同等作用的模糊控制 规则表。为提高控温系统的控制特性，采用带 修正因子 的控制规则，U=a×X +(1--a) ×x。，其中 在 O～1之间。选用不同的系数， 即选择了温度误差与温度误差变化的偏重程 度。当误差较大时，要求变温速度， 应取大 些，偏重于误差因子 I当误差较小时 ，要求恒 温的稳定，n应取小一些，偏重于 误差变化。 依据实验可确定两个不同 值的控制规则 表，分别用于模糊控制的内外区。 的大小显 然与炉子的滞后温度特性和控温周期有关。 控制量 △c实际是在 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 控温 周期 丁 内可控硅导通周期 所占比例，即 c=丁。／ n 依据过零调功的图形 ，To=Ts×导通比。 这样在工频 50Hz的情况下，计算机送给计数 器 计算 导 通 半 波 的数 字 为 N 一100T。一 lOOTs×△c。 (下转第 46页) 一墓塞 维普资讯 http://www.cqvip.com 电 子 与 自 动 化 1993年第 5期 斜巷道矿车运输中一种理想的安全装置，在 国内同类产品中处于先进水平，已通过了技 术鉴定 。 这种装置采用红外光电开关作为控制开 关 ，控制着装置内电路触点的闭与合 ，避免了 原有的旧式装置的机械碰撞，提高了抗干扰 能力，还可 与各类绞车及防跑车设备相配 套，并实现 自动控制 。该装置具有分辨跑车及 跑车闭锁的功能；当矿车以超出正常速度下 滑时，便自动控制防跑车设备闭锁 ，使矿车无 法通过 ，避免了事故的发生。其主要技术指标 如下 车辆允许最大下放速度为 1．61m／s，跑 车或超速时挡车器动作；挡车器从关闭到打 开翻转时 间为 1．44s；挡车器从打开到关 闭 自动翻转时间为 3s 该装置适应性强，保护 齐全，满足了矿山1匾斜巷道防跑车设备 自动 控制的需要 ，有推广应用价值。(李剑锋) (上接第 12页) 表 1 模糊控制规则表 NB NM Ns Zo PS PM PB NB PB PB PB PB PM PS Zo NM PB PB PB PM PS ZO NS NS PB PB PM PS ∞ NS NM ZO PB PM PS Z0 NS NM NB PS PM PS Z0 NS NM NB NB PM PS Zo NS NM NB B NB PB ∞ NS NM NB NB NB NB 5．程序软件 模糊表和三个量的精确量与模糊量对应 关系都采用顺序表存放 模糊 表的查找是 ( ．-4)×(△ +3)为地址，其内存的内容 是相对应的模糊控制量。 控 制软件首先是计算温度误差，依其作 温度区间分段 一是垒功率加热 ：Ⅳ一100T ； 二为 比例加热：Ⅳ=100kT 旺 为与温度误差 有关的比例系数)；三为模糊控制区，分 内外 区进行模糊控制。 在模糊控制区时，计算机计算温度变化 误差 △ =△ +。一△ ，再作量化计算，确 定两输入量的模糊等级 ， ，依内外区的 不同 ，在不同的表中查找控制表值 ，再经比例 运算 ，算出相应的导通半波数 N 值迭入计数 图 5 分 区计算程序框图 器 ，作温度控制。分区计算程序框图见图 5。 参考文献 It]敖国利 r模糊控制技术，电子与 自动化 ，1989(3) The Destgu of Temperature Fury c0Ⅱtro】system in the Single-chip M icrocom puter He Xiaoyu，Dan Yon ong (W uhan University 0f W ater Transportation En ing) Abstract This paper introduces the d ．esign 0f multi—way temperature control system of heat treatment Bfove hy u-一 ing 8031 single—ch ㈣ 。mpu“ ．The system ine|udes different control deelslon in different temperature region and fuzzy—control technique n ar control point． Keywords Fuzzy—eontro]， Contml of sing]e hip mi computer，Tempersture control 维普资讯 http://www.cqvip.com