智能軟化擊穿儀溫控系統的設計與實現

摘 要:針對目前漆包線行業出現的新特點，以提高檢測的智能化和適應新的檢測要求為目的，設計出新的智能檢測裝置。它以單片機為核心，采用開關控制并結合參數自整定的模糊PID的雙模控制算法，經Matlab仿真及實物驗證，能滿足給定定溫控制及給定升溫速度控制精度的要求，具有廣闊的市場前景。給出部分軟件流程圖、定溫法控制實驗溫度曲線，以及升溫速度Matlab仿真曲線圖。給定升溫速度控制屬第一次在實物上使用。

關鍵詞:模糊PID;單片機;智能檢測;升溫法

中圖分類號:TP273文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-174-03

Design and Realization of a New Temperature Intelligent Control Instrument

LEI Xiangxiao，XU Lijuan

(Changsha Social Work College，Changsha，410004，China)

Abstract:As to features of the enameled wire vocation，for the purpose of improving the detection intelligent and adapting to the newest requirement，a new type of intelligent detecting device is designed，which based on the microcomputer and dual-model control algorithm of self-tune fuzzy PID and switch control，by the Matlab simulation and physical verification，to meet the temperature control and speed control to set up precision，it has a bright future.Software flowchart are presented，experimental method is used to control temperature and speed temperature curve of Matlab simulation.This device can meet with the new detection requirement.

Keywords:fuzzy-PID;single chip microcomputer;intelligent detection;speed temperature control

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展，對漆包線的生產方和使用方都提出了新的要求，檢測方法增多，檢測范圍廣(50~500 ℃)，精度要求高(Ess≤2 ℃)。國內企業在打入國際市場前必須使其生產的產品滿足國際標準，在我國漆包線的檢測標準主要是檢測它在給定溫度點的耐壓性能(定溫法);而在國外一種新的檢測標準是既要檢測它在給定溫度點的耐壓性能(定溫法)，又要檢測它在給定電壓下按斜率升溫的擊穿溫度點(升溫法)。針對這種情況，本文介紹的軟化擊穿試驗儀是以MCS-51單片機為核心，對定溫法采用開關控制并結合參數自整定模糊PID控制的雙模控制算法。對升溫法采用模型參考模糊PI控制算法;在輸入通道上，以K分度號的熱電偶為測溫傳感器，通過電路補償校正及濾波處理來保證溫度測量的準確性;在輸出通道，依據溫度的不同階段，分別使用開關控制方式和模糊PID控制方式，來調節電阻爐的加熱功率，從而實現溫度的理想控制。本文主要介紹溫度的智能控制算法及仿真。

1 控制算法

一方面由于電阻爐具有時變性、非線性等特點，而常規的控制原理都是基于精確的數學模型，一般很難實現對終級溫度不時變化的精確控制[1-3]。 單一模糊控制在很大程度上改善了溫度控制效果，但由于選用的51系列的CPU資源有限，運算能力弱，使得模糊控制表只能取有限的量化等級，無法消除穩態誤差，而PI調節器的積分作用有著很好消除穩態誤差的作用。另一方面由于軟化擊穿試驗儀是針對所有型號的漆包線而研制的，不同型號的漆包線檢測的溫度點是不同的，電阻爐的特性會隨著工作溫度點和時間的變化而變化，為了滿足控制效果，試驗儀的參數也必須做相應的調整。因此，受工程上結構簡單的常規PID控制器的啟發，對定溫法利用參數在線自整定的模糊PID來構成試驗儀的溫度控制器。該算法無須給系統建立模型，只根據工作溫度點而自行得出PID參數，然后在線檢測過程誤差，從而形成自適應控制律，并通過對PID參數的在線調整來實現自學習功能。對升溫法采用前饋校正PID控制，其結構圖如圖1所示。

1.1 定溫法PID初始參數的自整定

參數自整定的模糊PID控制[4]結構如圖2所示。當開關指向b時，進行模糊PID控制;當開關指向d時，閉環系統產生等幅振蕩，記錄下等幅振蕩的振蕩幅度a和振蕩周期T，然后由Ziegler-Nichols法整定出一組PID參數。KP=0.6Kc;KI=0.5T;KD=0.125T。其中，Kc由下式得出;

Kc=Mπa2-2cos ωt1

式中:M為繼電器的輸出幅度;參數的具體整定步驟見文獻[5]。

圖1 前饋校正PID控制

圖2 參數自整定的模糊PID控制結構圖

1.2 定溫法PID參數的在線修正

由上述方法整定出來的參數只是一個大概的參數，在超調量、調節時間、穩態精度等方面離要求還有一定的差距，這就需要進行參數的在線模糊修正。根據實時采集得到的溫度值T(k)與目標溫度T進行比較，得到誤差E(k)=T-T(k)和溫度的誤差變化Ec，將E和Ec作為模糊控制器的輸入，ΔKP，ΔKI，ΔKD作為模糊控制器的輸出。

PID參數在線修正的規則為[6-8]:

KP(k+1)=KP(k)+ΔKP

KI(k+1)=KI(k)+ΔKI

KD(k+1)=KD(k)+ΔKD

誤差E，誤差變化Ec，ΔKP，ΔKI，ΔKD語言值詞集為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB};它們的論域分別為X1，X2，Y1，Y2，Y3均量化為7個等級，即{-3，-2，-1，0，1，2，3}。它們的隸屬函數采用三角形。

根據專家系統及現場工人的經驗，并結合工程上增量式PID形式，經過多次實驗，得到PID參數調整的模糊控制規則如下:

if E=NB and Ec=NB then ΔKP=PB ΔKI=NB ΔKD=PS

if E=NB and Ec=NM then ΔKP=PB ΔKI=NM ΔKD=NB

if E=NB and Ec=NS then ΔKP=PB ΔKI=NM ΔKD=NB

…

if E=0 and Ec=0 then ΔKP=0 ΔKI=0 ΔKP=0

…

if E=PB and Ec=PB then ΔKP=NB ΔKI=PB ΔKP=PS

根據上述模糊控制規則，利用y=ER，離線計算可得出模糊控制表。ΔKP的模糊控制表見表1;ΔKI和ΔKD的模糊控制表可用同樣的方法得出，這里省略。

1.3 升溫法控制的控制算法

為了解決跟隨性好的問題，升溫法采用前饋校正PID控制[9]。控制算法就是在普通PID控制的基礎上對偏差項加一修正因子α(α≥1，α的值在整個控制過程中隨偏差E和偏差的變化Ec而變化)[9]。也就是說將普通PID控制表達式中的偏差E改為αE。

表1 E，Ec，ΔKP的模糊控制表

Ec

E

NBNMNS0PSPMPB

ΔKP

NBPBPBPBPBPMPS0

NMPBPBPBPMPS00

NSPMPMPMPMPS0NS

0PMPSPS0NSNSNM

PSPS0NSNMNMNMNM

PM00NSNMNBNBNB

PB0NSNMNBNBNBNB

2 軟件設計

系統軟件采用單片機的C51語言編制，主要由初始化程序、主程序、中斷服務程序及一些必要的子程序組成。其中，中斷服務程序主要包括定時器中斷、擊穿報警中斷、電流超限中斷;各子程序主要包括控制算法子程序、升溫法子程序、定溫法子程序、顯示子程序及鍵盤管理子程序等。

初始化程序完成對各功能模塊的設置，對內部RAM預置初值，并對全局參數進行初始化。控制算法子程序完成數據采集，PID參數的整定和查表修正以及PID輸出控制。控制算法子程序流程圖如圖3所示。

圖3 控制流程圖

升(定)溫法子程序完成升(定)溫法實驗中的各種操作。鍵盤管理子程序完成各種輸入參數的處理和相應控制命令的執行。顯示子程序用于實時顯示爐體的溫度和實驗情況以及控制不同顯示界面之間的切換。

3 仿真結果

為了驗證定溫法控制算法的可操作性，將此控制算法應用于軟化擊穿實驗儀的溫控系統中。被控對象為-600 W的電阻加熱箱，由220 V的單相交流電源供電[10]。在實驗中選定目標溫度為200 ℃，內部繼電自整定點為160°。分別用文獻[5]介紹的單一繼電自整定PID控制和繼電自整定模糊PID控制仿真結果如圖4所示。

圖4 實驗曲線圖

對升溫法在Matlab中進行仿真分析，仿真對象為G(s)=e-80s60s+1，采樣時間為20 s，延遲時間為4個采樣時間，即80 s。仿真結果如圖5所示。從圖5可以看出，采用前饋校正控制后，響應時間變快，跟隨誤差小于2 ℃，滿足系統要求。

4 結 語

該裝置在實驗過程中取得了良好的效果。經過客戶試產、應用，取得了良好的市場反映。它具有以下優點:運行穩定，可靠性高;造價低，性價比高;可完成定溫控制和升溫控制，一機兩用;功耗低(小于900 W);檢測范圍廣(定溫控制:溫度50~500 ℃;升溫控制:升溫速度為2~5 ℃/min;導線直徑Φ0.02~2 mm)。

圖5 升溫法仿真曲線

參考文獻

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