基于PIC16F877單片機的加熱爐模糊控制系統設計與研究

王紅兵

〓〓1. 引言

〓〓PIC16F877是由Microchip公司所生產開發的新產品，屬于PICmicro系列單片微機，具有Flash program程序內存功能，可以重復燒錄程序，適合教學、開發新產品等用途；而其內建ICD(In Circuit Debug)功能，可以讓使用者直接在單片機電路或產品上，進行如暫停微處理器執行、觀看緩存器內容等，讓使用者能快速地進行程序除錯與開發。

〓〓模糊控制可以被認為是在總結采用人類自然語言概念操作經驗的基礎上升華而發展起來的模仿人類智能的一類控制方法，即Fuzzy控制。這類控制的核心是Fuzzy控制器，其作用是將控制誤差等精確量模糊數學化為模糊量，然后根據基于語言控制規則或操作經驗提取的模糊控制規則推理得到控制作用的模糊量，最后采用一定的清晰化（去模糊）算法將模糊控制量換算為精確控制量輸入給執行機構，從而完成系統的Fuzzy控制調節過程。這個過程實質上包含了精確數字與模糊數學集合的變換，語言變量的推理，即模糊邏輯推理過程。

〓〓模糊控制是智能控制的分支之一，它具有以下特點：它是一種非線性控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合于非線性系統的控制；它不依賴于對象的數學模型，對無法建?；蚝茈y建模的復雜對象，可以利用人的經驗知識來設計模糊控制器，從而完成控制任務，而傳統的控制方法都要已知被控對象的數學模型才能設計控制器；它具有內在的并行處理機制，表現出極強的魯棒性，對被控對象的特性變化不敏感，模糊控制器的設計參數容易選擇調整；算法簡單、執行快、容易實現，不需要很多的控制理論知識。

〓〓加熱爐在冶金、化工等工業生產過程中廣泛地使用，加熱爐的溫度是生產工藝的一項重要指標，溫度控制的好壞將直接影響產品的質量。熱處理加熱爐是一種改善金屬材料及其制品(如機器零件、工具等)性能的工藝。根據不同的目的，將材料及其制品加熱到適宜的溫度、保溫，隨后用不同方法冷卻，改變其內部組織以獲得所要求的性能。熱處理是提高金屬材料及其制品質量的重要手段之一。

〓〓熱處理加熱爐具有大慣性、純滯后等非線性以及時變的特點，開關爐門、加熱材料、環境溫度以及電網電壓等都影響控制過程，基于精確數學模型的常規控制例如PID控制難以保證加熱工藝曲線要求。作為非線性控制的一大分支，模糊控制在上述溫度控制系統中可以得到較好的應用，本文介紹的即為基于PIC16F877單片機的加熱爐模糊控制系統。

〓〓2. 模糊控制器的設計

〓〓本控制系統主要完成數據采集、溫度顯示、爐溫控制、故障檢測以及報警等功能，智能模糊控制器由單片機完成，采用規則自尋優的控制算法進行過程控制。加熱爐采用雙向可控硅控制，由單片機輸出通斷率控制信號，產生可控硅的過零觸發脈沖。

〓〓整個系統的核心是模糊控制器，PIC16F877單片機是控制器的主體。它與若干擴展電路(程序存儲器、數據存儲器、地址鎖存器、地址譯碼器等)構成處理器模塊。測溫熱電偶輸出的mV信號經變送器芯片轉換成0～10V的標準信號，再將此信號經A/D轉換之后進入單片機，單片機根據輸入的各種命令，通過模糊控制算法計算控制量，輸出脈沖觸發信號，通過過零觸發電路驅動雙向可控硅，從而控制熱處理加熱爐。此外,智能控制器還包括硬件看門狗電路、故障檢測電路、數碼顯示電路以及電源等。

〓〓模糊控制器的主程序包括初始化、鍵盤管理及控制模塊和顯示模塊的調用。溫度信號的采集、數字濾波、標度變換、控制算法以及溫度顯示等功能的實現由各子程序完成。軟件的主要流程是：利用PIC16F877單片機的定時器T0和軟件計數產生采樣周期，周期到，程序則轉入控制模塊，調A/D轉換、數字濾波及標度轉換模塊得到爐溫的反饋信號，根據偏差和偏差的變化率計算控制量，輸出脈沖信號控制過零觸發器。啟動、停止以及給定值通過鍵盤利用外部中斷產生，有按鍵輸入時則調用中斷服務程序。

〓〓3. 模糊控制算法的研究

〓〓模糊控制算法，是對手動操作者的手動控制策略、經驗的總結。模糊控制算法有多種實現形式，采用應用最早、最廣泛的查表法，可大大提高模糊控制的時效性，節省內存空間。

〓〓本系統的對象熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統，用基于精確數學模型的常規控制難以保證加熱工藝曲線要求。為此，選用模糊控制算法中的規則自尋優算法。算法的基本原理采用解析表達式描述的控制規則，它簡單方便，易于處理。二維控制規則自尋優算法可以用解析表達式概括：

〓〓U=-[αE+(1-α)C]（1）

〓〓其中：E、C、U為經過量化和模糊化的模糊變量，相應的論域分別為誤差、誤差變化率及控制量。α為調整因子。由式(1)描述的控制規則可看出，控制作用取決于誤差及誤差變化率，且通過調整α的大小，可以改變對誤差和誤差變化的不同加權程度，α值一旦確定,在整個控制過程中就不再改變。但在實際系統中，系統在不同的狀態下，對控制規則中誤差E與誤差C的加權程度有不同的要求。如誤差較大時,控制系統的主要任務是消除誤差,此時對誤差的加權應該大些；當誤差小時，控制系統的主要任務是使系統盡快穩定，減小超調，此時要求在控制規則中誤差變化率的加權大些。為了得到好的控制性能，就要求α值在控制過程中可調整，即控制規則可在控制過程中在線修正。采用優化設計方法對α進行在線修正，如式（2）所示：

〓〓α(k+1)=α(k)+0.618[1-α(k)]|E|≥3

〓〓0.618α(k) |E|<3 （2）

〓〓4. 性能分析

〓〓本系統在仿真運行后，系統工作穩定，操作方便，各項指標都達到了設計要求。

〓〓5. 結束語

〓〓本文系統介紹了用單片機實現的熱處理加熱爐溫度控制系統，由于控制對象是一種具有純滯后的大慣性環節，采用智能模糊控制器可以達到理想的控制效果。經實驗運行結果表明，本系統具有以下特點：

〓〓（1）控制方案合理，穩態精度高，超調小。

〓〓（2）結構簡單，調試方便、抗干擾性強、魯棒性好。

責任編輯〓潘孟良