電熱水箱溫度模糊控制方法

張景元

ZHANG Jing-yuan

（山東理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，淄博 255049）

0 引言

模糊控制是模仿人行為特性的控制技術(shù)，是智能控制領(lǐng)域的重要方法一，它不依賴系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，特別適合難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜控制系統(tǒng)，很多實際控制系統(tǒng)采用模糊控制方法取得了較理想的控制效果[1～7]。文獻[8]用遺傳算法對用于窯爐溫度控制的模糊控制規(guī)則進行優(yōu)化，使控制效果更好。文獻[9，10]利用單片機設(shè)計的熱水溫度測控器不具有恒溫效果，文獻[11]中提到用C語言模糊整定程序求出PID參數(shù)來提高PID控制效果，但沒介紹具體方法。蒸餾、干燥、濃縮、恒溫加熱等許多化學(xué)試驗要求在恒定的溫度下進行，實驗室中常用水箱為其提供恒溫環(huán)境。水箱的溫度控制有滯后性, 一般采用電加熱器加熱，水溫度達到設(shè)定溫度后，由于慣性和滯后原因，溫度會繼續(xù)增高，反之，溫度又會持續(xù)下降。一般的恒溫水箱不配備冷卻裝置，箱體、液面與空氣接觸散熱，熱平衡是瞬變的，用簡單的開關(guān)控制無法維持恒定溫度，傳統(tǒng)的閉環(huán)控制又因無法建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，控制效果不理想，為提高控制效果，采用模糊控制方法對水溫進行控制，介紹了控制系統(tǒng)的電路組成和工作原理，對控制系統(tǒng)進行了仿真實驗和實驗測試。

1 工作原理

恒溫水箱的箱體為(450×200×110)mm3的方形結(jié)構(gòu)，用有機玻璃或玻璃鋼粘合而成。電加熱器為220V交流供電的電熱棒，對箱內(nèi)的水液加熱，提高水溫。為了使箱內(nèi)水溫均衡，裝有電動攪拌輪，通過攪拌加強對流，達到水溫均衡的目的。不同的化學(xué)實驗對恒溫要求不同，水箱溫度必需在30℃～95℃范圍之間可控，控制精度為±0.5℃，箱內(nèi)溫度均勻度±1℃。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由STC單片機和水溫檢測、LED顯示、電加熱器驅(qū)動、鍵盤及電源六個模塊構(gòu)成。鍵盤主要用來設(shè)定溫度，顯示器同時顯示兩個溫度值，一個是被控溫度設(shè)定值，另一個是當(dāng)前水溫的實際測量值。攪拌器是由12伏直流電機帶動的攪拌輪。電加熱器的功率1000W的電熱棒，220V交流供電，根據(jù)水溫誤差及變化趨勢控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)電加熱器釋放的功能量，達到控制水溫的目的。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 控制器電路組成

2 電路組成

水箱的溫度控制不僅是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，是典型的無法建立精確數(shù)學(xué)模型的高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。又是一個典型的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。從計算機應(yīng)用的角度講，它又是一個典型的嵌入式系統(tǒng)。目前用于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的微處理器很多，作為低端應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，8位單片機的市場占有率還是比較高的，因此出現(xiàn)了原51核的高性能的51單片機，本控制器以STC為核心，進行了開發(fā)，整體電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 STC單片機

STC單片機是在原51核的基礎(chǔ)上開發(fā)出的新一代8位單片機，工作頻率比原來提高了很多，最高可達35MHz，是典型的單器周期微控制器，指令代碼完全與傳統(tǒng)8051兼容，但速度快8～12倍。不僅如此，它集成了8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換、4路PWM 、MAX810復(fù)位電路、看門狗電路等常用外設(shè)，集成了在線編程調(diào)試接口ISP，最大可達12K的內(nèi)部Flash。它的工作電壓范圍很寬，可在5.5V～3.8V范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，且有各種封裝，極大地方便了用戶。

2.2 測溫電路

DS18B20是美國DALLAS公司推出的智能化數(shù)字式溫度傳感器，工作電壓范圍較寬，為+3.0V～+5.5 V，可在一條總線上掛接多個實現(xiàn)多點溫度的檢測。DS18B20將熱敏感器件和A/D轉(zhuǎn)換電路集成在一起，溫度測量范圍-55℃～+125℃，A/D轉(zhuǎn)換精度9～12位，最高分辨率可達0.0625℃。封裝簡單，只有三極引腳，1腳接地，3腳接+5V電源，2腳為所測溫度的數(shù)字輸出，本控制器中該腳與STC單片機的P1.1相連，以串行方式讀入。本控制器測量是水箱內(nèi)的水溫，必需將傳感器放入水中，實際應(yīng)用時將其封裝在不銹鋼管中，用導(dǎo)線將管腳引出，如圖4所示。

圖4 DS18B20 傳感器

2.3 可控硅調(diào)壓電路

要通過雙向可控硅實現(xiàn)對電加熱器調(diào)壓，必需測得交流電過零（ωt=0o/180o/360o）時刻，然后根據(jù)當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度之間的誤差以及誤差變化趨勢修正導(dǎo)通角，延遲一定時間發(fā)出觸發(fā)脈沖，改變了導(dǎo)通時間，即改變了電加熱器的平均電壓。交流電由正半周到負半周或由負半周到正半周過零時，STC單片機的INT0會檢測到低電平信號而產(chǎn)生中斷，啟動延時程序，經(jīng)過延時后由P1.0發(fā)出觸發(fā)脈沖，延遲時間值由模糊控制器確定。

2.4 鍵盤與顯示模塊

控制器有四個功能鍵，用來設(shè)定水溫，分別為：設(shè)定、增值↑、減值↓、確認，通過P1.4、P1.5、P1.6 、P1.7四條口線擴展，如圖3中所示。按下設(shè)定鍵后，顯示器顯示當(dāng)前水溫值，可用增值鍵或減值鍵改變其值，每按一下在原來的數(shù)值基礎(chǔ)上增1或減1，當(dāng)達到預(yù)設(shè)定溫度數(shù)值后，按確認鍵完成設(shè)置。

顯示器由5位LED組成，2位顯示設(shè)定溫度，3位顯示當(dāng)前實測溫度，兩位整數(shù)，1位小數(shù)。P2口的P2.0～P2.7發(fā)送顯示值的段碼數(shù)據(jù)，P0口的P0.0～P0.4為位選線，擴展5位LED溫度顯示器，2位顯示設(shè)定溫度，用3位顯示當(dāng)前實測溫度，兩位整數(shù)，1位小數(shù)。P0.0～P0.7為各位的數(shù)據(jù)段線LED為高亮紅色共陰極數(shù)碼管，由7406進行位驅(qū)動。

3 模糊控制器

模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。T表示溫度設(shè)定值，R表示溫度當(dāng)前檢測值，e=T-R表示溫度誤差，e＞0表示水溫高于設(shè)定值，e＜0表示水溫低于設(shè)定[-0.5，+0.5]。為變化率，用當(dāng)前誤差與前一采樣溫度誤差的差值Δe= Tn? Tn?1來代替，若Δe＞0，表明水溫在升高，系統(tǒng)正進行的是升溫過程,若Δe＜0表明水溫在下降，定義論域為[-0.1，+0.1]。 u表示模糊控制器的輸出（晶閘管導(dǎo)通角），定義論域為[0，180]。為了兼顧模糊控制器的精度和反應(yīng)速度，以上三個論域均分為七檔[-3，-2，-1，0，1，2，3]，所對應(yīng)的模糊詞集為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，用符號{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}表示，隸屬函數(shù)采用三角形，如圖6所示。

圖5 模糊控制器

圖6 e、Δe、u的隸屬函數(shù)

有“if e and ec then u”形式的控制規(guī)則7×7=49條，對應(yīng)的模糊控制規(guī)則表如表1所示。

表1 控制規(guī)則表

由下式：

求得U的精確量值。式中ci為論域值，ui為模糊值。由下式：

計算出延遲時間，式中可控硅U導(dǎo)通角，單片機檢測到交流電過零信號后，啟動延遲程序，延遲Ty秒時間后，通過P1.0口發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，電加熱器通電工作。仿真效果如圖7所示，上升到最高點的時間為1.7秒，達到穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時間是6.5秒，響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時間短。

圖7 仿真效果

4 結(jié)束語

影響水箱溫度因素復(fù)雜多變，難以建立被控對象精確數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的控制方法效果不理想，用模糊控制技術(shù)是較好的選擇。仿真實驗和實際控制效果證明，控制系統(tǒng)一年運行穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快，溫度波動小，控制效果良好，可滿足化學(xué)實驗對環(huán)境恒定溫度的要求。

[1]馮冬青,張志娟.預(yù)估模糊免疫PID在房間溫度控制中的應(yīng)用[J].計算機工程與設(shè)計,2009,30(19):4479-4482.

[2]魯可,張曉東,俞盛愷.基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新. 2013,26(3):133-135.

[3]姚慶文.基于模糊控制的鍋爐溫度調(diào)控策略[J].計算機仿真.2011,28(12):188-190.

[4]薛雷,孫以澤,李培興,等.基于模糊PID的褲襪包裝機熱封切刀溫度控制的研究[J].包裝工程.2013,34(2):16-21.

[5]許克豹,趙朝霞.轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)煙氣溫度控制算法[J].冶金自動化,2013,37(2):15-19.

[6]盧萬銀.基于模糊控制技術(shù)的啤酒快速發(fā)酵控制[J].釀酒科技.2012,9:90-92.

[7]閆利,李克新,紀(jì)謙銘,等.鋁箔退火爐模糊控制應(yīng)用[J].自動化與儀表.2013,6:42-44.

[8]張景元.模糊控制規(guī)則優(yōu)化方法研究[J].計算機工程與設(shè)計,2005,26(11)2917-2919.

[9]胡洪波,章勇高.基于單片機控制的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 邯鄲學(xué)院學(xué)報.2009,19(3):81-84.

[10]馮洋.基于AT89C52 的水溫控制系統(tǒng)[J].渭南師范學(xué)院學(xué)報.2011,26(2):49-52.

[11]張越,張炎,趙延軍.基于單片機和模糊控制的水溫自動控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器.2007,4:71-72.

[12]李緯,沈勇.模糊控制在恒溫車間溫度控制中的應(yīng)用[J].計算機測量與控.2006,14(9):1191-1193.

[13]季寶杰,鄒彩虹,王永田.基于單片機的溫室自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制.2007,15(1):73-75.