基于模糊控制的客車烘房溫控儀

卞云松 高龍琴

摘 要:針對(duì)工業(yè)控制過(guò)程中普遍存在的大慣性、純滯后、非線性對(duì)象的控制問(wèn)題,為求達(dá)到較好的調(diào)節(jié)效果,介紹一種較為實(shí)用的單片機(jī)模糊控制器。該控制器以AT89C55WDH為核心,外圍采用ICL7135完成數(shù)模轉(zhuǎn)換;通過(guò)光耦輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào),整流后形成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。樣機(jī)采用全數(shù)字方式實(shí)現(xiàn),具有測(cè)量精度高、控制速度快、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。控制程序采用一種實(shí)用的引入積分型模糊控制算法,彌補(bǔ)了常規(guī)模糊控制器的不足。控制參數(shù)可存儲(chǔ)在AT93C66中,可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試整定參數(shù),其應(yīng)用具有普遍性。

關(guān)鍵詞:模糊控制;單片機(jī);溫度控制;積分控制

中圖分類號(hào):TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-204-03

Bus Drying Room Temperature Control Apparatus Based on Digital Fuzzy Control

BIAN Yunsong,GAO Longqin

(Mechanical Engineering Institute,Yangzhou University,Yangzhou,225009,China)

Abstract:In industrial control process,many problems as great inertial,large latency and nonlinear system.To achieve a fine control effect,a practical fuzzy controller with single chip microcomputer is introduced.The core of controller is AT89C55WDH,the peripheral are ICL7135 which is used as AD inverter,and light digital isolator which is used as output signal,after rectifying to control electric operator.It is of high precision,quick controlled speed and good practicability.It employs a practicability fuzzy algorithm with integrate control,which is offset the lack of common fuzzy algorithm.The control parameters are stored in AT93C66,which can be rectified at locale,and can be applied universally.

Keywords:fuzzy control algorithm;single chip microcomputer;temperature control;integrate control

0 引 言

目前,國(guó)內(nèi)客車烘房有燃油、燃?xì)?天然氣)、電加熱,以及蒸汽烘房等。烘房的溫度是生產(chǎn)工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。本課題研究的烘房類型為熱風(fēng)對(duì)流型烘房,熱源為200 ℃的過(guò)熱蒸汽,溫度控制采用較為傳統(tǒng)的PID類調(diào)節(jié)器,通過(guò)溫控閥門調(diào)節(jié)蒸汽流量,控制烘房溫度。由于PID類調(diào)節(jié)器具有原理簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),因而在過(guò)程控制中得到廣泛的運(yùn)用。始終占據(jù)過(guò)程控制的主導(dǎo)地位,但魯棒性能不理想,對(duì)大滯后和強(qiáng)干擾的過(guò)程表現(xiàn)出明顯的不足[2]。

模糊控制是一種無(wú)需建模、方便易懂、執(zhí)行簡(jiǎn)便、開(kāi)發(fā)成本低廉的非線性控制技術(shù)。由于具有這些優(yōu)點(diǎn),本文擬將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于客車烘房的溫度控制,并做出了一些嘗試。

1 溫控儀原理框圖

樣機(jī)以AT89C55WD單片機(jī)為核心,由鍵盤和LED顯示電路、單片機(jī)系統(tǒng)、控制信號(hào)隔離輸出電路、熱電阻、A/D轉(zhuǎn)換電路等幾部分組成,原理框圖如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí),通過(guò)鍵盤輸入溫度設(shè)定值,并在LED 上顯示,然后單片機(jī)通過(guò)光耦控制輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào),經(jīng)整流濾波形成0~10 mA電流,控制溫控閥啟閉,加熱烘房。本機(jī)還有高、低限位輸出,輸出繼電器觸點(diǎn)可耐5 A電流,增強(qiáng)了本機(jī)的控制功能。

圖1 溫控儀原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度測(cè)量

由于目前國(guó)內(nèi)客車涂裝采用低溫工藝,溫度控制范圍為100 ℃內(nèi),可使用具有較高測(cè)溫精度及測(cè)溫范圍的熱電阻PT100作測(cè)溫元件。其與溫度的線性關(guān)系好、穩(wěn)定性好、可在200 ℃下長(zhǎng)期使用等特點(diǎn),足以滿足控制要求[3]。

樣機(jī)利用較為常見(jiàn)的ICL7135作A/D轉(zhuǎn)換。熱電阻信號(hào)通過(guò)三線制聯(lián)接法接入直流不平衡電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),信號(hào)經(jīng)差分放大器放大和濾波處理后,成為與ICL7135轉(zhuǎn)換器相匹配的電平信號(hào)。詳見(jiàn)圖2信號(hào)輸入電路圖。

圖2 信號(hào)輸入電路圖

ICL7135是一個(gè)較為常見(jiàn)的雙積分型數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片。為節(jié)約單片機(jī)I/O口,本機(jī)利用ICL7135的BUSY、POLAR腳,分別與單片機(jī)的兩個(gè)I/O口相連,BUSY輸出端高電平寬度等于積分與反積分時(shí)間之和,ICL7135內(nèi)部規(guī)定積分固定時(shí)間為10 001個(gè)時(shí)鐘脈沖,反積分時(shí)間與被測(cè)電壓成正比,因此,可通過(guò)單片機(jī)一個(gè)定時(shí)器來(lái)測(cè)量BUSY腳脈寬,減去10 001個(gè)時(shí)鐘脈沖后,得到與被測(cè)參數(shù)成正比的數(shù)值[4]。

本程序設(shè)計(jì)采用了數(shù)值濾波的方法,通過(guò)ICL7135多次轉(zhuǎn)換后,將最大值、最小值舍棄,余值進(jìn)行算術(shù)平均,保證了測(cè)量的準(zhǔn)確。

2.2 溫度控制

對(duì)加熱溫度的控制是采用模糊積分算法,經(jīng)單片機(jī)逆模糊運(yùn)算,得到輸出值,通過(guò)光耦輸出的PWM信號(hào),經(jīng)整流濾波形成0~10 mA的恒流信號(hào),去控制溫控閥的啟閉,調(diào)節(jié)蒸汽,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器加熱,達(dá)到理想的溫度控制效果。

2.3 人機(jī)接口

本機(jī)有4只觸摸式按鍵和8位共陽(yáng)顯示數(shù)碼管,可通過(guò)按鍵對(duì)各項(xiàng)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)操作的無(wú)擾切換。采用AT93C66的SPI總線E2PROM,可擦寫100萬(wàn)次[5],用以保存設(shè)定溫度值、報(bào)警溫度、溫度誤差和溫差變化率的量化因子,以及輸出功能函數(shù)表、KI積分系數(shù)等,都可通過(guò)鍵盤進(jìn)行調(diào)整,便于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工整定。

3 算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)溫度控制中,散熱是自然散發(fā),所以在模糊控制中模糊表的建立應(yīng)根據(jù)實(shí)際加熱器散熱的快慢來(lái)決定。

3.1 模糊化

設(shè)e為溫度誤差,即實(shí)際溫度與給定溫度之間的偏差。本機(jī)初始設(shè)定范圍為-40～+40 ℃,劃分為5個(gè)變量等級(jí)(PB,PS,O,NS,NB),ec為溫度誤差變化率,初始設(shè)定范圍為-5～+5 ℃/min,劃分為4個(gè)變量等級(jí)(PB,PS,NS,NB),本系統(tǒng)輸入信號(hào)e,ec采用梯形隸屬度函數(shù),為獲得速度上的提高,本樣機(jī)把輸入范圍內(nèi)的256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)在ROM中,供模糊運(yùn)算程序查表,這樣可避免進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。本機(jī)可通過(guò)按鍵調(diào)整溫度誤差、溫度誤差變化率的量化因子,方便進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定。

3.2 模糊推理

根據(jù)操作者手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn),本機(jī)采用以下形式制定規(guī)則,形如:“if A and B then C”。可得出20條模糊語(yǔ)句構(gòu)成的控制規(guī)則。本系統(tǒng)采用了最大最小推理法,運(yùn)算流程為:對(duì)應(yīng)某個(gè)控制規(guī)則,分析條件時(shí),把當(dāng)前規(guī)則中的,e和ec兩個(gè)隸屬度值的大小進(jìn)行比較,取小值。取小之后的值存放到名為“val”的變量中。條件檢測(cè)結(jié)束后,開(kāi)始估計(jì)結(jié)果,模糊控制函數(shù)通過(guò)比較“val”和當(dāng)前輸出的參考輸出值來(lái)得出結(jié)果,取大值,作為的輸出值。一旦結(jié)果分析完畢,開(kāi)始一個(gè)新的規(guī)則查詢。通過(guò)遍歷規(guī)則基數(shù)組進(jìn)行估計(jì),當(dāng)遍歷完所有規(guī)則后相應(yīng)的輸出被保存在相應(yīng)的數(shù)組中,用來(lái)解模糊[6]。

3.3 逆模糊化

對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng),考慮簡(jiǎn)化逆模糊處理的數(shù)學(xué)過(guò)程,解模糊化采用了重心法。溫度輸出控制為U,劃分為5個(gè)變量等級(jí)(PB,PS,O,NS,NB),輸出U隸屬度函數(shù)采用單點(diǎn)法表示,每個(gè)輸出隸屬度函數(shù)用一個(gè)字節(jié)的單點(diǎn)值,存放在AT93C66中,以此作為參數(shù),調(diào)整系統(tǒng)的輸出[6,7]。

3.4 模糊與積分混合控制

由于以上基本模糊控制器只考慮對(duì)象的輸出誤差和誤差變化率,相當(dāng)于非線性PD調(diào)節(jié)器,加上其自身的多級(jí)繼電器特性,所以它在本質(zhì)上無(wú)法消除穩(wěn)態(tài)余差,且易產(chǎn)生極限環(huán)振蕩[8]。本系統(tǒng)加入了積分環(huán)節(jié)。

考慮本系統(tǒng)控制參數(shù)變化范圍不大,可采用雙模態(tài)分段控制算法進(jìn)行控制,即當(dāng)偏差大于某個(gè)閾值時(shí)用模糊控制,以提高系統(tǒng)阻尼性能,減小響應(yīng)超調(diào)。偏差在小于某閾值時(shí),引入積分環(huán)節(jié)。一般應(yīng)在系統(tǒng)進(jìn)入“穩(wěn)態(tài)”后加入積分器[9]。

積分環(huán)節(jié)的引入,不僅要考慮引入的結(jié)構(gòu)方式,還應(yīng)該考慮引入的時(shí)機(jī),因?yàn)槌Ｒ?guī)積分控制作用有一個(gè)很大的缺點(diǎn),就是積分作用的滯后效應(yīng)。在偏差向著減小方向變化時(shí),引入積分,對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不利,容易產(chǎn)生小范圍的持續(xù)振蕩和積分飽和現(xiàn)象,這些實(shí)質(zhì)上都是由于加入的時(shí)機(jī)不恰當(dāng)造成的。針對(duì)常規(guī)積分控制作用的上述缺陷及產(chǎn)生的根本原因,應(yīng)在系統(tǒng)進(jìn)入“穩(wěn)態(tài)”后加入積分器,可以根據(jù)偏差及偏差變化趨勢(shì)來(lái)改變積分器的作用,僅當(dāng)在偏差向著增大方向變化時(shí),積分起作用,抑制偏差繼續(xù)增大,并可改善穩(wěn)定性能[10]。模糊積分引入方式見(jiàn)圖3,是由一常規(guī)積分器與二維模糊控制器相關(guān)聯(lián)構(gòu)成。

圖3 模糊與積分混合控制方案

常規(guī)積分控制器輸出Ui=KI∑ei和二維模糊控制器輸出Uf相疊加,作為其總輸出,即:Un=Ui+Uf,因引入了積分環(huán)節(jié),本控制器可消除穩(wěn)態(tài)誤差,消除極限環(huán)震蕩。

4 結(jié) 語(yǔ)

本溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用的主要芯片為AT89C55WD,ICL7135,AT93C66,CD4512。軟件實(shí)現(xiàn)容易、編程量小、控制精度高、性能穩(wěn)定。由于采用在系統(tǒng)可編程技術(shù)的單片機(jī),該系統(tǒng)可在正常工作下進(jìn)行調(diào)試,只需設(shè)定不同的參數(shù),即可應(yīng)用于不同的工作環(huán)境。該溫控儀樣機(jī)在揚(yáng)州亞星客車烘房做了試驗(yàn),結(jié)果表明可在一定程度上提高產(chǎn)品的涂裝表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

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作者簡(jiǎn)介

卞云松 男,1971年出生,從事多年鍋爐、涂裝等設(shè)備的熱工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用工作,現(xiàn)揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在讀工程碩士。研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)、熱工控制。