基于模糊PID算法的電阻爐溫度控制系統設計與實(shí)現

　　引言

　　電加熱爐是典型工業(yè)過(guò)程控制對象，其溫度控制具有升溫單向性，大慣性，純滯后，時(shí)變性等特點(diǎn)，很難用數學(xué)方法建立精確的模型和確定參數。而PID控制因其成熟，容易實(shí)現，并具有可消除穩態(tài)誤差的優(yōu)點(diǎn)，在大多數情況下可以滿(mǎn)足系統性能要求，但其性能取決于參數的整定情況。且快速性和超調量之間存在矛盾，使其不一定滿(mǎn)足快速升溫、超調小的技術(shù)要求。模糊控制在快速性和保持較小的超調量方面有著(zhù)自身的優(yōu)勢，但其理論并不完善，算法復雜，控制過(guò)程會(huì )存在穩態(tài)誤差。

　　將模糊控制算法引入傳統的加熱爐控制系統構成智能模糊控制系統，利用模糊控制規則自適應在線(xiàn)修改PID參數，構成模糊自整定：PID控制系統，借此提高其控制效果?；赑ID控制算法，以ADuC845單片機為主體，構成一個(gè)能處理較復雜數據和控制功能的智能控制器，使其既可作為獨立的單片機控制系統，又可與微機配合構成兩級控制系統。該控制器控制精度高，具有較高的靈活性和可靠性。

　　2溫度控制系統硬件設計

　　該系統設計的硬件設計主要由單片機主控、前向通道、后向通道、人機接口和接口擴展等模塊組成，如圖l所示。由圖1可見(jiàn)，以?xún)群珻52兼容單片機的ADuC845為控制核心．配有640KB的非易失RAM數據存儲器、外擴鍵盤(pán)輸人、320x240點(diǎn)陣的圖形液晶顯示器進(jìn)行漢字、圖形、曲線(xiàn)和數據顯示，超溫報警裝置等外圍電路;預留微型打印機接口，可以現場(chǎng)打印輸出結果;預留RS232接口，能和PC機聯(lián)機，將現場(chǎng)檢測的數據傳輸至PC機來(lái)進(jìn)一步處理、顯示、打印和存檔。

　　電阻爐的溫度先由熱電偶溫度傳感器檢測并轉換成微弱的電壓信號，溫度變送器將此弱信號進(jìn)行非線(xiàn)性校正及電壓放大后，由單片機內部A／D轉換器將其轉換成數字量。此數字量經(jīng)數字濾波、誤差校正、標度變換、線(xiàn)性擬合、查表等處理后。一方面將爐窯溫度經(jīng)人機面板上的LCD顯示：另一方面將該溫度值與被控制值（由鍵盤(pán)輸入的設定溫度值）比較，根據其偏差值的大小，提供給控制算法進(jìn)行運算，最后輸出移相控制脈沖，放大后觸發(fā)可控硅導通（即控制電阻爐平均功率）。達到控制電爐溫度的目的。如果實(shí)際測得的溫度值超過(guò)了該系統所要求的溫度范圍，單片機就向報警裝置發(fā)出指令，系統進(jìn)行報警。

　　2．1系統主控模塊

　　系統主控模塊電路如圖2所示，它主要由CPU及數據存儲器，晶體振蕩器、復位電路、圖形液晶顯示器（LCD）及控制電路、微型打印機接口控制電路、實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘，熱電偶信號處理電路等構成。這里，該系統設計可測量3點(diǎn)溫度。傳感器選擇K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶，可用于從室溫到1200°C的溫度測量，測量范圍寬，精度高。在溫度測量范圍內K型熱電偶的輸出熱電勢只有0～45．119mV，為了和ADuC845的A／D轉換器相匹配，采用ACl226和1B51作為信號調理電路，由AC1226、1B51構成熱電偶冷端溫度補償及信號調理器電路。當熱端距測溫儀表較遠時(shí)，需利用熱電偶匹配導線(xiàn)將冷端延長(cháng)。CD4051為多路模擬開(kāi)關(guān)，由ABC控制接通，當5～3接通時(shí)，輸入接地，UO輸出UOmin，用于零點(diǎn)校準;當4～3接通時(shí)，單片機1．25V穩定參考電壓Uref，再經(jīng)電阻R1、R2分壓，得到毫伏級參考輸入電壓，UO輸出UOmax，用于增益校準;當2～3、1～3、12～3分別分時(shí)接通時(shí)，依次輸入3個(gè)熱電偶正常測溫所得變換電壓，UO從而輸出3個(gè)溫度點(diǎn)所對應的電壓UOA，UOB，UOC。在HI端與+UISO端之間串上一只220MΩ上拉電阻，一旦熱電偶開(kāi)路，HI端即被偏置為+UISO，迫使1B51的輸出電壓超量程，由此判定熱電偶已開(kāi)路。多路模擬開(kāi)關(guān)和測量數據采集過(guò)程在單片機協(xié)調下工作，每次數據采集都進(jìn)行自動(dòng)判斷和校準閣。

　　2．2控制輸出驅動(dòng)電路

　　對溫度的控制是通過(guò)可控硅調功器電路實(shí)現，如圖3所示。雙向可控硅管和硅碳棒串接在交流220V、50Hz交流市電回路中，圖3中只給出了A相。移相觸發(fā)脈沖由ADuC845用軟件在P1．3引腳上產(chǎn)生的，零同步脈沖同步后，經(jīng)光耦合管和驅動(dòng)器輸出送到可控硅的控制極。過(guò)零同步脈沖由過(guò)零觸發(fā)電路產(chǎn)生，利用同步變壓器和電壓比較器LM311組成正弦交流電的正半波過(guò)零檢測電路，它在交流電每一個(gè)正半周的起始零點(diǎn)處產(chǎn)生上升沿．并在正半周回零處產(chǎn)生一個(gè)下降沿，電壓比較器LM311用于把50Hz正弦交流電壓變成方波。方波的正邊沿和負邊沿分別作為兩個(gè)單穩態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號，單穩態(tài)觸發(fā)器輸出的2個(gè)窄脈沖經(jīng)二極管或門(mén)混合后通過(guò)可重復觸發(fā)集成單穩態(tài)觸發(fā)器MC14528，單穩態(tài)輸出的兩路窄脈沖再疊加，就可得到對應于交流市電的100Hz過(guò)零同步脈沖。脈沖寬度可由MC14528的外接電阻R4和外接電容C1、C2調節。此脈沖加到ADUC845的TO作為計數脈沖和INT1中斷口觸發(fā)INT1中斷?？煽毓璧倪^(guò)流、過(guò)壓保護采用一般阻容保護電路。R5是觸發(fā)器輸出限流電阻，R3用以消除漏電流，防止KP150的誤觸發(fā)。

　　3溫度控制系統軟件設計

　　3．1主程序及其功能

　　軟件設計采用模塊化設計原則?？刂瞥绦蛑饕蓽y量采樣操作，溫度參數設置界面的顯示，操作按鍵的管理，測量過(guò)程，數據算法處理，輸出控制的處理及測量結果顯示等模塊組成。主模塊是為其他模塊構建整體框架及初始化工作。調用運算和顯示構成一個(gè)無(wú)限循環(huán)圈，溫控的所有功能都在該循環(huán)圈中周而復始有選擇執行。除非掉電或復位，否則系統程序不會(huì )跳出該循環(huán)圈。因浮點(diǎn)數運算占用時(shí)間較多，應將其作為單獨模塊?？刂扑惴K包括：PID運算模塊和PID參數自整定模塊兩部分，主要是相應控制算法的初始化及運算程序。數學(xué)運算模塊主要包括諸如帶符號浮點(diǎn)數求補運算、帶符號浮點(diǎn)數乘法、無(wú)符號浮點(diǎn)數除法以及浮點(diǎn)數加減法等運算子程序，供其他模塊根據算法的需要隨時(shí)調用。顯示設定和操作界面由菜單顯示，用INTO中斷完成。界面中用線(xiàn)框框起來(lái)的符號和漢字表示當前起作用的按鍵，用“上下左右”按鍵移動(dòng)光標和改變數據，按下確認鍵后選中有效，開(kāi)始執行所選功能，按下返回鍵就回到上一級界面（菜單）。數據的采集及預處理模塊由TO計數定時(shí)產(chǎn)生中斷，包括數字濾波、標度變換、顯示刷新等部分，完成數據預處理及人機交互功能。過(guò)零同步由交流過(guò)零觸發(fā)產(chǎn)生INT1中斷，并確定移相順序，觸發(fā)T1定時(shí)，產(chǎn)生移相脈沖，控制輸出。一旦中斷，首先判斷具體的中斷源。若是定時(shí)中斷，則調用相應的模塊完成定時(shí)服務(wù);若是人機面板的按鍵中斷，則在識別按鍵后，進(jìn)入散轉程序，隨之調用相應的鍵盤(pán)處理服務(wù)模塊。無(wú)論是哪一個(gè)中斷源產(chǎn)生中斷，執行完相應的程序后均返回主模塊，必要時(shí)修改顯示內容，并開(kāi)始下一輪循環(huán)。圖4所示為系統軟件主程序流程。

　　3．2模糊自整定PID算法程序

　　模糊自整定PID算法程序程序的總流程為：首先模糊整定，然后根據誤差和誤差變化率對PID的3個(gè)參數進(jìn)行在線(xiàn)調整，把經(jīng)過(guò)模糊調整后的PID參數作為最終的控制參數進(jìn)行PID控制。溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的最壞情況值均取為100℃，在此建立的溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的基本論域，數字量化確定e（k）的論域區間為［-128，128］。這樣就必須對溫度誤差e和溫度誤差變化率△e超過(guò)100°C．變換后的e和△e其動(dòng)態(tài)范圍限幅壓縮，這樣就可以使溫度誤差和溫度誤差變化率△e在整個(gè)測控溫度變化范圍［0℃，1112°C］內，控制量都可以起到作用。圖5為模糊PID控制流程。

　　4結語(yǔ)