基于模糊PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)

摘要：采用AT89C52單片機(jī)做為控制核心，利用三位按鍵結(jié)構(gòu)和液晶顯示屏進(jìn)行給定溫度值的設(shè)定和實(shí)際爐溫的顯示，由固態(tài)繼電器構(gòu)成執(zhí)行單元，驅(qū)動(dòng)加溫裝置的運(yùn)行。同時(shí)，將模糊控制算法引入傳統(tǒng)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，構(gòu)成模糊PID控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該方法具有較好的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)特性和較強(qiáng)的魯棒性，適用于具有非線性、時(shí)變和延遲等特征的控制對(duì)象。
關(guān)鍵詞：電阻爐；單片機(jī)；PID控制；模糊控制

電阻爐是熱處理工業(yè)中常用的設(shè)備，具有大滯后、參數(shù)時(shí)變、非線性等特點(diǎn)。各個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄娮锠t溫度控制的精度、穩(wěn)定性、可靠性要求越來越高。提高該類對(duì)象的控制品質(zhì)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。常規(guī)PID控制算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性和時(shí)變性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此常規(guī)PID控制器不能達(dá)到理想的控制效果。模糊控制不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而且控制靈活、魯棒性強(qiáng)，但模糊控制器的積分作用較弱，導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)較差。將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來的復(fù)合型控制器，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)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(chǔ)上，以電阻爐為被控對(duì)象，建立一種溫度控制系統(tǒng)。由前端溫度傳感器及溫度檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)電阻爐溫度，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過溫度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過液晶顯示屏顯示溫度并判斷是否報(bào)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(guī)則表，由設(shè)定的模糊控制算法計(jì)算出控制量，通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1．1 總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中，控制對(duì)象為電阻爐，被控量為爐溫，控制目標(biāo)是使?fàn)t溫在常壓下恒定在一個(gè)設(shè)定值允許的誤差之內(nèi)。需要檢測(cè)的輸入信號(hào)是爐溫，需要輸出的信號(hào)主要是PWM，通過調(diào)整其占空比的大小來控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)閉，繼而來控制電加熱設(shè)備的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)爐溫的控制。同時(shí)設(shè)計(jì)了報(bào)警電路，以提高系統(tǒng)的安全性?？刂葡到y(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為控制核心，采用閉環(huán)控制的工作方式，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 溫度檢測(cè)部分設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)控制對(duì)象的特性，溫度傳感器采用K型熱電偶WRN-130，將檢測(cè)到的信號(hào)通過SBWR系列溫度變送器及A／D轉(zhuǎn)換器等溫度檢測(cè)電路處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)處理。
1．3 人機(jī)接口部分設(shè)計(jì)
人機(jī)接口部分采用三位按鍵結(jié)構(gòu)和LCD12864液晶顯示屏完成溫度給定值的設(shè)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(diào)整鍵和確認(rèn)鍵。由選擇鍵在三位溫度顯示值之間循環(huán)選擇，當(dāng)位于任意一位時(shí)，可以用調(diào)整鍵進(jìn)行該位數(shù)據(jù)量的調(diào)整(0～9)，當(dāng)設(shè)置好需要設(shè)定的溫度值后，按確認(rèn)鍵，系統(tǒng)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(dāng)前的溫度值。