模糊ＰＩＤ控制在電阻爐爐溫系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，加熱時(shí)均溫過(guò)程的測(cè)量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)，促使人們更加積極地研究控制熱加工工藝過(guò)程的方法。因此本文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)地在線對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行修改，借此提高其控制效果。

關(guān)鍵詞：電阻爐；自適應(yīng)控制；模糊控制；PID

Abstract：The resistance furnace is the most widely heating equipment in the heat treatment production ，heating process measurement and control has become a key technology，prompted people to take a more active studying the methods of the control hot-working technological process.Therefore ，In this paper the fuzzy control algorithm will be introduced traditional furnace control system to constitute of intelligent control system， using fuzzy control rules for on-line adaptive PID parameters change， thereby improving the control effect.

Keywords： resistance furnace，self-tuning control，fuzzy control，PID

1.引言。熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段。近年來(lái)隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)公害方向發(fā)展。

電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)爐門(mén)、加熱材料、溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。

但在實(shí)際熱力過(guò)程中，由于實(shí)際工況的復(fù)雜性(加工工件的材質(zhì)、初溫、升溫、幅度規(guī)格、裝爐量以及電氣環(huán)境等因素)，使得上述數(shù)學(xué)模型偏離實(shí)際情況相當(dāng)嚴(yán)重，本文將在具有在線自調(diào)整功能模糊自整定 PID 控制器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)爐溫控制系統(tǒng)，以期較理想地解決被加熱物件透燒過(guò)程的測(cè)量與控制。

2. PID 參數(shù)Fuzzy 自整定控制原理

并根據(jù)不同的在線自整定參數(shù)KP、KI 與KD 的Fuzzy 控制器。PID 參數(shù)Fuzzy自整定控制原理如圖1-1 所示。

2.2PID 參數(shù)Fuzzy 整定模型。一般情況下， 在不同、下被控過(guò)程對(duì)參數(shù)KP、KI 與KD 的自整定要求可歸結(jié)為: 當(dāng)較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有良好的快速跟蹤性能， 應(yīng)取較大的KP 與較小的KD ， 同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)， 應(yīng)對(duì)積分作用加以限制， 通常取KI = 0;當(dāng)處于中等大小時(shí)， 為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)， KP 應(yīng)取得小些; 在這種情況下， KD 的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大， KI的取值要適當(dāng);當(dāng)較小時(shí)， 為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能， KP 與KI 均應(yīng)取得大些， 同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩， K D 值的選擇是相當(dāng)重要的。對(duì)于Fuzzy 自整定PID 參數(shù)控制器， 在具體作法上， 根據(jù)語(yǔ)言變量偏差E 及偏差變化EC， 應(yīng)用Fuzzy 集合理論總

結(jié)出一套K P、K I與K D的Fuzzy 整定模型， 如表1-1、表1-2和表1-3 所示。

3. 爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)采用韓國(guó)三星公司的S3C44BOX(16/32位)作為CPU，并包括3*3鍵盤(pán)、LCD顯示、一個(gè)串口通信、A/D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)器采用FLASHROM， SDRAM、開(kāi)關(guān)量輸出等。外部CPU晶振為8M HZ，系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘為66MHZ。見(jiàn)圖2-1系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)框圖所示

由于溫度信號(hào)變化較慢，故采用3位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433，其轉(zhuǎn)換速度為1-10次/秒，它的時(shí)鐘頻率通常設(shè)置成工頻的整數(shù)倍，以提高抑制工頻干擾的能力。熱電偶信號(hào)經(jīng)多通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4051至3個(gè)運(yùn)算放大器組成的差動(dòng)放大電路，放大器采用低失調(diào)電壓、電流、高輸入電阻的567650。在放大電路部分采用數(shù)字電位器50K的X9312進(jìn)行多量程轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)可通過(guò)LCD動(dòng)態(tài)的顯示當(dāng)前溫度，并顯示溫度曲線，并通過(guò)RS232和其它設(shè)備通信。可通過(guò)JTAG調(diào)試程序。通過(guò)鍵盤(pán)可設(shè)定熱電偶型號(hào)、通道號(hào)，以及溫度上限值。

3.2程序主體結(jié)構(gòu)。程序框圖如圖 2-2 所在這個(gè)系統(tǒng)中，反映爐溫的熱電偶電勢(shì)經(jīng)冷端補(bǔ)償放大成 1-10 V 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換電路之后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令進(jìn)行智能算法得到控制量輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)過(guò)零觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)雙向可控硅，單片機(jī)通過(guò) I/O 口改變控制脈沖寬度，也即改變了可控硅在一個(gè)固定控制周期 Tc 內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，這樣電阻爐的溫度就隨著電阻爐的平均輸入功率改變而變化，也即達(dá)到了控溫目的。

程序主要流程是：利用定時(shí)器中斷，產(chǎn)生控制周期。控制周期一到，程序則轉(zhuǎn)入控制模塊，調(diào)A/D 轉(zhuǎn)換模塊及熱電偶線性化模塊得到爐溫的反饋信號(hào)，根據(jù)給定值和控制算法得到控制量，經(jīng)輸出口輸出脈沖控制過(guò)零觸發(fā)器。

4．總結(jié)。大量的理論研究和實(shí)踐也充分證明了用模糊自整定 PID 控制電阻爐溫度是一非常好的解決方法。它不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快和超調(diào)小的特點(diǎn)，又具有 PID 控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在溫度控制器設(shè)計(jì)中，采用 PID 參數(shù)模糊自整定復(fù)合控制，實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)的在線自調(diào)整功能，可以進(jìn)一步完善 PID 控制的自適應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。

本文提出的基于模糊的自整定 PID 控制算法的控制系統(tǒng)具有真正的智能化和靈活性，有自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理及控制結(jié)果顯示等功能，所獲控制精度高，對(duì)高質(zhì)量熱處理件的加工具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 李友善，李軍．模糊控制理論及其在過(guò)程中的應(yīng)用[M]．武漢：國(guó)防工業(yè)出版社，2002．

[2] 陶永華，尹恰欣，葛蘆生．新型PID控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003

[3] 曾瑋.Fuzzy-PlD復(fù)合控制在電加熱爐溫度控制中的應(yīng)用[J]. 龍巖學(xué)院學(xué)報(bào)2006.12(24-6)

[4]蔡建平.關(guān)于嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用合訂本(2001年1一6)

[5]馬忠梅等.ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[M]．北京航空航天大學(xué)出版社. 2002

[6] 馬江.濤單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制. 2004 . 12

作者簡(jiǎn)介：

劉凌云，男，1969年10月出生，湖南省衡陽(yáng)人，一級(jí)教師，廣東省中山市技師學(xué)院電工教研室主任，多年來(lái)一直從事電氣自動(dòng)化控制應(yīng)用技術(shù)方面的研究。

本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。