基于模糊PID算法的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　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單片機為主體，構(gòu)成一個能處理較復雜數(shù)據(jù)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(tǒng)，又可與微機配合構(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，以內(nèi)含C52兼容單片機的ADuC845為控制核心．配有640KB的非易失RAM數(shù)據(jù)存儲器、外擴鍵盤輸人、320x240點陣的圖形液晶顯示器進行漢字、圖形、曲線和數(shù)據(jù)顯示，超溫報警裝置等外圍電路;預留微型打印機接口，可以現(xiàn)場打印輸出結(jié)果;預留RS232接口，能和PC機聯(lián)機，將現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)傳輸至PC機來進一步處理、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行非線性校正及電壓放大后，由單片機內(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，單片機就向報警裝置發(fā)出指令，系統(tǒng)進行報警。

　　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1200°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0～45．119mV，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償及信號調(diào)理器電路。當熱端距測溫儀表較遠時，需利用熱電偶匹配導線將冷端延長。CD4051為多路模擬開關(guān)，由ABC控制接通，當5～3接通時，輸入接地，UO輸出UOmin，用于零點校準;當4～3接通時，單片機1．25V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;當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)采集過程在單片機協(xié)調(diào)下工作，每次數(shù)據(jù)采集都進行自動判斷和校準閣。

　　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(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，就可得到對應于交流市電的100Hz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?？煽毓璧倪^流、過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(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。控制程序主要由測量采樣操作，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)圈中周而復始有選擇執(zhí)行。除非掉電或復位，否則系統(tǒng)程序不會跳出該循環(huán)圈。因浮點數(shù)運算占用時間較多，應將其作為單獨模塊?？刂扑惴K包括：PID運算模塊和PID參數(shù)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(shù)學運算模塊主要包括諸如帶符號浮點數(shù)求補運算、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前起作用的按鍵，用“上下左右”按鍵移動光標和改變數(shù)據(jù)，按下確認鍵后選中有效，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)的采集及預處理模塊由TO計數(shù)定時產(chǎn)生中斷，包括數(shù)字濾波、標度變換、顯示刷新等部分，完成數(shù)據(jù)預處理及人機交互功能。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)用相應的模塊完成定時服務(wù);若是人機面板的按鍵中斷，則在識別按鍵后，進入散轉(zhuǎn)程序，隨之調(diào)用相應的鍵盤處理服務(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。

　　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(jù)誤差和誤差變化率對PID的3個參數(shù)進行在線調(diào)整，把經(jīng)過模糊調(diào)整后的PID參數(shù)作為最終的控制參數(shù)進行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(shù)字量化確定e（k）的論域區(qū)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100°C．變換后的e和△e其動態(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在整個測控溫度變化范圍［0℃，1112°C］內(nèi)，控制量都可以起到作用。圖5為模糊PID控制流程。

　　4結(jié)語