基于模糊PID算法的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

引言
電加熱爐是典型工業(yè)過程控制對象，其溫度控制具有升溫單向性，大慣性，純滯后，時變性等特點，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)。而PID控制因其成熟，容易實現(xiàn)，并具有可消除穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)點，在大多數(shù)情況下可以滿足系統(tǒng)性能要求，但其性能取決于參數(shù)的整定情況。且快速性和超調(diào)量之間存在矛盾，使其不一定滿足快速升溫、超調(diào)小的技術(shù)要求。模糊控制在快速性和保持較小的超調(diào)量方面有著自身的優(yōu)勢，但其理論并不完善，算法復(fù)雜，控制過程會存在穩(wěn)態(tài)誤差。
將模糊控制算法引入傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)構(gòu)成智能模糊控制系統(tǒng)，利用模糊控制規(guī)則自適應(yīng)在線修改PID參數(shù)，構(gòu)成模糊自整定：PID控制系統(tǒng)，借此提高其控制效果。 基于PID控制算法，以ADuC845單片機(jī)為主體，構(gòu)成一個能處理較復(fù)雜數(shù)據(jù)和控制功能的智能控制器，使其既可作為獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)，又可與微機(jī)配合構(gòu)成兩級控制系統(tǒng)。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(tǒng)硬件設(shè)計
該系統(tǒng)設(shè)計的硬件設(shè)計主要由單片機(jī)主控、前向通道、后向通道、人機(jī)接口和接口擴(kuò)展等模塊組成，如圖l所示。由圖1可見，以內(nèi)含C52兼容單片機(jī)的ADuC845為控制核心．配有640 KB的非易失RAM數(shù)據(jù)存儲器、外擴(kuò)鍵盤輸人、320x240點陣的圖形液晶顯示器進(jìn)行漢字、圖形、曲線和數(shù)據(jù)顯示，超溫報警裝置等外圍電路；預(yù)留微型打印機(jī)接口，可以現(xiàn)場打印輸出結(jié)果；預(yù)留RS232接口，能和PC機(jī)聯(lián)機(jī)，將現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)來進(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(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，溫度變送器將此弱信號進(jìn)行非線性校正及電壓放大后，由單片機(jī)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波、誤差校正、標(biāo)度變換、線性擬合、查表等處理后。一方面將爐窯溫度經(jīng)人機(jī)面板上的LCD顯示：另一方面將該溫度值與被控制值(由鍵盤輸入的設(shè)定溫度值)比較，根據(jù)其偏差值的大小，提供給控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后輸出移相控制脈沖，放大后觸發(fā)可控硅導(dǎo)通(即控制電阻爐平均功率)。達(dá)到控制電爐溫度的目的。如果實際測得的溫度值超過了該系統(tǒng)所要求的溫度范圍，單片機(jī)就向報警裝置發(fā)出指令，系統(tǒng)進(jìn)行報警。
2．1 系統(tǒng)主控模塊
系統(tǒng)主控模塊電路如圖2所示，它主要由CPU及數(shù)據(jù)存儲器，晶體振蕩器、復(fù)位電路、圖形液晶顯示器(LCD)及控制電路、微型打印機(jī)接口控制電路、實時日歷時鐘，熱電偶信號處理電路等構(gòu)成。這里，該系統(tǒng)設(shè)計可測量3點溫度。傳感器選擇K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶，可用于從室溫到1 200°C的溫度測量，測量范圍寬，精度高。在溫度測量范圍內(nèi)K型熱電偶的輸出熱電勢只有0～45．119 mV，為了和ADuC845的A／D轉(zhuǎn)換器相匹配，采用ACl226和1B51作為信號調(diào)理電路，由AC1226、1B51構(gòu)成熱電偶冷端溫度補(bǔ)償及信號調(diào)理器電路。當(dāng)熱端距測溫儀表較遠(yuǎn)時，需利用熱電偶匹配導(dǎo)線將冷端延長。CD4051為多路模擬開關(guān)，由ABC控制接通，當(dāng)5～3接通時，輸入接地，UO輸出UOmin，用于零點校準(zhǔn)；當(dāng)4～3接通時，單片機(jī)1．25 V穩(wěn)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(zhǔn)；當(dāng)2～3、1～3、12～3分別分時接通時，依次輸入3個熱電偶正常測溫所得變換電壓，UO從而輸出3個溫度點所對應(yīng)的電壓UOA，UOB，UOC。在HI端與+UISO端之間串上一只220 MΩ上拉電阻，一旦熱電偶開路，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路。多路模擬開關(guān)和測量數(shù)據(jù)采集過程在單片機(jī)協(xié)調(diào)下工作，每次數(shù)據(jù)采集都進(jìn)行自動判斷和校準(zhǔn)閣。

2．2 控制輸出驅(qū)動電路
對溫度的控制是通過可控硅調(diào)功器電路實現(xiàn)，如圖3所示。雙向可控硅管和硅碳棒串接在交流220 V、50 Hz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(qū)動器輸出送到可控硅的控制極。過零同步脈沖由過零觸發(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零檢測電路，它在交流電每一個正半周的起始零點處產(chǎn)生上升沿．并在正半周回零處產(chǎn)生一個下降沿，電壓比較器LM311用于把50 Hz正弦交流電壓變成方波。方波的正邊沿和負(fù)邊沿分別作為兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的2個窄脈沖經(jīng)二極管或門混合后通過可重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14528，單穩(wěn)態(tài)輸出的兩路窄脈沖再疊加，就可得到對應(yīng)于交流市電的100 Hz過零同步脈沖。脈沖寬度可由MC14528的外接電阻R4和外接電容C1、C2調(diào)節(jié)。此脈沖加到ADUC845的TO作為計數(shù)脈沖和INT1中斷口觸發(fā)INT1中斷。可控硅的過流、過壓保護(hù)采用一般阻容保護(hù)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(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 主程序及其功能
軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計原則?？刂瞥绦蛑饕蓽y量采樣操作，溫度參數(shù)設(shè)置界面的顯示，操作按鍵的管理，測量過程，數(shù)據(jù)算法處理，輸出控制的處理及測量結(jié)果顯示等模塊組成。主模塊是為其他模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作。調(diào)用運(yùn)算和顯示構(gòu)成一個無限循環(huán)圈，溫控的所有功能都在該循環(huán)圈中周而復(fù)始有選擇執(zhí)行。除非掉電或復(fù)位，否則系統(tǒng)程序不會跳出該循環(huán)圈。因浮點數(shù)運(yùn)算占用時間較多，應(yīng)將其作為單獨(dú)模塊?？刂扑惴K包括：PID運(yùn)算模塊和PID參數(shù)自整定模塊兩部分，主要是相應(yīng)控制算法的初始化及運(yùn)算程序。數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊主要包括諸如帶符號浮點數(shù)求補(bǔ)運(yùn)算、帶符號浮點數(shù)乘法、無符號浮點數(shù)除法以及浮點數(shù)加減法等運(yùn)算子程序，供其他模塊根據(jù)算法的需要隨時調(diào)用。顯示設(shè)定和操作界面由菜單顯示，用INTO中斷完成。界面中用線框框起來的符號和漢字表示當(dāng)前起作用的按鍵，用“上下左右”按鍵移動光標(biāo)和改變數(shù)據(jù)，按下確認(rèn)鍵后選中有效，開始執(zhí)行所選功能，按下返回鍵就回到上一級界面(菜單)。數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理模塊由TO計數(shù)定時產(chǎn)生中斷，包括數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、顯示刷新等部分，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理及人機(jī)交互功能。過零同步由交流過零觸發(fā)產(chǎn)生INT1中斷，并確定移相順序，觸發(fā)T1定時，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。若是定時中斷，則調(diào)用相應(yīng)的模塊完成定時服務(wù)；若是人機(jī)面板的按鍵中斷，則在識別按鍵后，進(jìn)入散轉(zhuǎn)程序，隨之調(diào)用相應(yīng)的鍵盤處理服務(wù)模塊。無論是哪一個中斷源產(chǎn)生中斷，執(zhí)行完相應(yīng)的程序后均返回主模塊，必要時修改顯示內(nèi)容，并開始下一輪循環(huán)。圖4所示為系統(tǒng)軟件主程序流程。