基于模糊PID的電阻爐溫度控制系統

摘要：采用AT89C52單片機做為控制核心，利用三位按鍵結構和液晶顯示屏進(jìn)行給定溫度值的設定和實(shí)際爐溫的顯示，由固態(tài)繼電器構成執行單元，驅動(dòng)加溫裝置的運行。同時(shí)，將模糊控制算法引入傳統的電阻爐溫度控制系統，構成模糊PID控制系統。仿真結果表明，該方法具有較好的動(dòng)靜態(tài)響應特性和較強的魯棒性，適用于具有非線(xiàn)性、時(shí)變和延遲等特征的控制對象。
關(guān)鍵詞：電阻爐；單片機；PID控制；模糊控制

電阻爐是熱處理工業(yè)中常用的設備，具有大滯后、參數時(shí)變、非線(xiàn)性等特點(diǎn)。各個(gè)領(lǐng)域對電阻爐溫度控制的精度、穩定性、可靠性要求越來(lái)越高。提高該類(lèi)對象的控制品質(zhì)具有廣泛的應用價(jià)值。常規PID控制算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現，適用于可建立精確數學(xué)模型的確定性控制系統。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線(xiàn)性和時(shí)變性，難以建立精確的數學(xué)模型，因此常規PID控制器不能達到理想的控制效果。模糊控制不需要被控對象的精確數學(xué)模型，而且控制靈活、魯棒性強，但模糊控制器的積分作用較弱，導致系統的動(dòng)態(tài)品質(zhì)較差。將模糊控制和PID控制兩者結合起來(lái)的復合型控制器，對復雜控制系統具有良好的控制效果。
文中在深入研究先進(jìn)PID控制理論及其智能優(yōu)化控制策略的基礎上，以電阻爐為被控對象，建立一種溫度控制系統。由前端溫度傳感器及溫度檢測模塊實(shí)時(shí)檢測電阻爐溫度，并轉換成電壓信號，該電壓信號經(jīng)過(guò)溫度檢測電路轉換成與爐溫相對應的數字信號進(jìn)入單片機，單片機進(jìn)行數據處理后，通過(guò)液晶顯示屏顯示溫度并判斷是否報警，同時(shí)將得到的溫度偏差和偏差變化率進(jìn)行模糊化，建立模糊控制規則表，由設定的模糊控制算法計算出控制量，通過(guò)控制固態(tài)繼電器的導通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導通時(shí)間，以實(shí)現對爐溫的控制。

1 系統的硬件設計
1．1 總體設計
系統中，控制對象為電阻爐，被控量為爐溫，控制目標是使爐溫在常壓下恒定在一個(gè)設定值允許的誤差之內。需要檢測的輸入信號是爐溫，需要輸出的信號主要是PWM，通過(guò)調整其占空比的大小來(lái)控制固態(tài)繼電器的導通與關(guān)閉，繼而來(lái)控制電加熱設備的導通與關(guān)閉，從而實(shí)現爐溫的控制。同時(shí)設計了報警電路，以提高系統的安全性?？刂葡到y以AT89C52單片機為控制核心，采用閉環(huán)控制的工作方式，系統總體結構如圖1所示。

1．2 溫度檢測部分設計
根據系統控制對象的特性，溫度傳感器采用K型熱電偶WRN-130，將檢測到的信號通過(guò)SBWR系列溫度變送器及A／D轉換器等溫度檢測電路處理后轉換成數字信號，供單片機處理。
1．3 人機接口部分設計
人機接口部分采用三位按鍵結構和LCD12864液晶顯示屏完成溫度給定值的設定、顯示以及爐溫的實(shí)時(shí)顯示(如圖2所示)。3個(gè)按鍵分別是選擇鍵、調整鍵和確認鍵。由選擇鍵在三位溫度顯示值之間循環(huán)選擇，當位于任意一位時(shí)，可以用調整鍵進(jìn)行該位數據量的調整(0～9)，當設置好需要設定的溫度值后，按確認鍵，系統將啟動(dòng)，并按照新的溫度值進(jìn)行工作，同時(shí)液晶屏顯示當前的溫度值。