中頻爐爐溫模糊控制系統

廠家：中頻爐爐溫模糊控制系統日期：：2020-02-01 瀏覽次數： 94

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 片 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。由于中頻電爐屬于大滯后控制對象 ,而且加熱功率大 ,因此有效地提高中頻電爐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 ,因而其自適應性和魯棒性差 ,對模型精確性要求高 ,抗干擾能力差 ,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 ,不僅可提高控制中頻爐溫度的精度 ,節約能源 ,而且功能齊全 ,操作方便 ,可靠性高。

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

中頻電爐管理系統是由主 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 ,包括各個中頻電爐爐區恒溫溫度和恒溫時間的設定 ,中頻爐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 段 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性 ,本系統采用靜態顯示法。

中頻爐控制系統是由 8051 及輸入輸出通道所組成 ,其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。其中采用了 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。

本系統采用 2 片 8051 單片機構成主從式雙機雙工控制系統。主、從 2 片 8051 的并行通訊是由共用數據存儲區 RAM 實現的 ,即主8051 將由鍵盤輸入的命令及參數放到 RAM ,從 8051 從 RAM 區中獲取命令及參數 ,完成相應的功能 ,并將溫度和時間等狀態傳送到 RAM 區 , 供 8051 管理。

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

中頻爐溫度的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統 ,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 和 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 和 EC。根據當前已求得的 E 和 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 ,即 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 ,須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。本系統中 ,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 ,若偏差變化為負 ,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 ,因此這時的控制量變化取為 0 級。當偏差為負中時 ,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。可見選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。

如何保證中頻爐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,抗干擾能力強。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