基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 軍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710300)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于工業(yè)控制器的適應(yīng)能力以及高度智能化具有提升促進(jìn)作用。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，電阻爐是經(jīng)常使用的加熱設(shè)備，若電阻爐的爐溫控制效果出現(xiàn)問題，可直接影響工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的工件質(zhì)量及的電阻爐加熱效率。傳統(tǒng)工業(yè)電阻爐存在非線性、大慣性以及時(shí)滯等缺陷，對(duì)溫度控制效果無法達(dá)到預(yù)期。為此本研究利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出一種電阻爐溫度控制系統(tǒng)，對(duì)于爐溫的控制具有重要作用。

1 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本研究對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為保證該控制系統(tǒng)對(duì)電阻爐溫度的精準(zhǔn)控制，將AVR系列的單片機(jī)作為該系統(tǒng)的核心設(shè)備。該單片機(jī)主要以鉑電阻作為采溫元件，可使電阻爐溫度控制系統(tǒng)具有可靠性較高、控制效果明顯等優(yōu)勢(shì)，并且該控制系統(tǒng)支持手自動(dòng)切換以及高溫報(bào)警等功能，若電阻爐的溫度超過自身可承受的最大范圍，系統(tǒng)將采取報(bào)警模式提示工作人員做出相應(yīng)的調(diào)整。但是該單片機(jī)的計(jì)算能力及存儲(chǔ)空間存在一定局限性，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)通信接口，該通信接口主要負(fù)責(zé)與PC機(jī)建立通信，電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

1.1 控制芯片選型

AVR系列的單片機(jī)主要采用RISC結(jié)構(gòu)作為核心，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)吞吐率，通過存儲(chǔ)器分離的方式使控制系統(tǒng)可獨(dú)立尋址。為保證系統(tǒng)的控制功能，最終選用ATmega16作為該系統(tǒng)的控制芯片，該芯片的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHZ,含有可編程Flash的8位微控制器，可支持系統(tǒng)在線編程接口。同時(shí)該控制芯片內(nèi)部存在AD轉(zhuǎn)換器、PWM定時(shí)計(jì)數(shù)器等功能，有利于提升系統(tǒng)對(duì)溫度控制的精準(zhǔn)性。其內(nèi)部特有的I/O接口具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，在一定程度上可節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)成本，對(duì)于單片機(jī)的程序編寫部分，本研究主要通過C語言完成高級(jí)編程，便于系統(tǒng)后續(xù)移植[2]。

1.2 主控電路

該電路內(nèi)部主要包含ATmega16單片機(jī)、晶振電路以及復(fù)位電路，其中ATmega16單片機(jī)內(nèi)部包含多種時(shí)鐘源，可通過配置熔絲位實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘源的選擇。本研究時(shí)鐘源進(jìn)行選擇時(shí)，將石英晶體作該系統(tǒng)的時(shí)鐘，石英晶體的頻率為8 MHz。為保證ATmega16單片機(jī)的功能穩(wěn)定性，在其內(nèi)部設(shè)置上電復(fù)位POR電路，該電路可在系統(tǒng)電源超過一個(gè)安全電平的情況下完成各器件之間的運(yùn)行。當(dāng)電路處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部各處理器均處于初始狀態(tài)，此時(shí)對(duì)I/O寄存器進(jìn)行初始化，為避免控制系統(tǒng)被外界因素所干擾，需要在復(fù)位引腳處外加復(fù)位電路，并在復(fù)位電路中增加按鈕，通過該方式實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位，有利于操作者結(jié)合系統(tǒng)出現(xiàn)的突發(fā)狀況及時(shí)進(jìn)行處理[3]。

1.3 LED顯示電路

為保證用戶可實(shí)時(shí)觀察到電阻爐溫度的控制結(jié)果，本研究選用含有8位7段的LED數(shù)碼管作為該系統(tǒng)的核心顯示設(shè)備，用來對(duì)電阻爐的溫度值進(jìn)行顯示。該數(shù)碼管具有響應(yīng)速度快、成本低、亮度強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于系統(tǒng)中，有利于降低單片機(jī)I/O接口的占用面積。LED顯示電路選用MAX7219作為核心芯片，該芯片在連接過程中，只需3個(gè)I/O接口即可實(shí)現(xiàn)顯示電路的驅(qū)動(dòng)，對(duì)于控制系統(tǒng)的開發(fā)成本具有節(jié)約作用。

1.4 鍵盤接口電路

對(duì)鍵盤接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為最大限度地最大限度地降低鍵盤電路對(duì)I/O引腳的占用數(shù)量，選用專用芯片實(shí)現(xiàn)的按鍵接口電路作為該電路的核心，通過該電路可使控制系統(tǒng)在采用較少I/O接口的情況下實(shí)現(xiàn)多個(gè)按鍵功能，有利于降低鍵盤接口電路占用CPU的資源。結(jié)合控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，本研究選用ZLG7289作為該電路的控制芯片，該芯片主要采取串行和微處理器通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸送，可形成含有64鍵的鍵盤矩陣，對(duì)于8位共陰數(shù)碼管具有驅(qū)動(dòng)作用。當(dāng)鍵盤接口與單片機(jī)建立連接時(shí)，在按鍵處于被按下的狀態(tài)時(shí)，僅需要4個(gè)I/O接口即可完成INT引腳從高電平到低電平的轉(zhuǎn)換；當(dāng)按鍵處于彈開狀態(tài)時(shí)，INT引腳從低電平恢復(fù)為低電平。為此將INT引腳與單片機(jī)引腳建立連接，有利于系統(tǒng)在按鍵處于按下狀態(tài)時(shí)，第一時(shí)間觸發(fā)外部中斷1事件，并完成子程序中斷時(shí)按鍵數(shù)值的讀取[4]。

1.5 RS232接口電路

對(duì)于控制系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行較為復(fù)雜的控制算法時(shí)，可采用PC機(jī)完成控制數(shù)據(jù)的處理，并建立PC機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信，有利于促進(jìn)控制系統(tǒng)對(duì)電阻爐溫度控制的精確度。RS232屬于一種應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)19.2 kbps、傳送電纜長(zhǎng)達(dá)15 m。由于單片機(jī)內(nèi)部缺乏標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C接口，為此本研究對(duì)RS-232C接口進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用TTL/CMOS兼容電平實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平之間的電平匹配，利用MAX232芯片對(duì)輸入電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，滿足RS-232C電平實(shí)際需要的電壓范圍。

1.6 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)電路是電阻爐溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分，為此本研究對(duì)該電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用鉑電阻Pt100作為電阻爐溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。該傳感器具有良好的穩(wěn)定性以及體積小、測(cè)溫范圍寬等優(yōu)勢(shì)，其電阻值可隨電阻爐溫度的變化而變化，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的精準(zhǔn)檢測(cè)。但是鉑電阻Pt100存在非線性缺陷，阻值與溫度之間的關(guān)系式為

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

(-200 ℃

(1)

Rt=R0[1+At+Bt2] (0 ℃

(2)

式中:Rt為當(dāng)鉑電阻Pt100處于t℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值；R0為當(dāng)鉑電阻Pt100處于0 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值；A、B、C為常數(shù)，數(shù)值分別為

A=3.908 02×10-3/℃，B=-5.802×10-7/(℃)2，C=-4.273 5×10-12/(℃)4

由于采用鉑電阻Pt100對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果存在非線性限制，為此本研究通過硬件和軟件兩種方法對(duì)非線性進(jìn)行處理。但是相對(duì)來講軟件方法更具優(yōu)勢(shì)，有利于降低電路的復(fù)雜程度，在一定程度上可提升溫度檢測(cè)模塊的精準(zhǔn)度[5]。

結(jié)合上述分析結(jié)果，本研究選用軟件方法對(duì)溫度檢測(cè)模塊的非線性限制進(jìn)行處理，為最大限度地限度地簡(jiǎn)化硬件電路復(fù)雜程度，選擇2.56 V電壓作為系統(tǒng)的內(nèi)部參考電壓。電阻爐溫度控制系統(tǒng)利用溫度檢測(cè)模塊對(duì)實(shí)際溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要求溫度檢測(cè)模塊的測(cè)溫范圍可維持在0～250 ℃。其代表的含義為：當(dāng)測(cè)量電阻爐內(nèi)的溫度為0 ℃時(shí)，溫度檢測(cè)模塊的輸出電壓為0 V；當(dāng)測(cè)量電阻爐內(nèi)的溫度為250 ℃時(shí)，溫度檢測(cè)模塊的輸出電壓為2.56 V。但是在實(shí)際檢測(cè)過程中無法保證電阻爐內(nèi)的溫度為250 ℃時(shí)，溫度檢測(cè)模塊所對(duì)應(yīng)的輸出電壓一定為2.56 V。因此本研究的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：當(dāng)測(cè)量電阻爐內(nèi)的溫度為250 ℃時(shí)，溫度檢測(cè)模塊對(duì)應(yīng)的輸出電壓趨近于2.56 V，但該數(shù)值不可超過2.56 V[6]。

當(dāng)電阻爐內(nèi)溫度為0 ℃，R46=100 Ω，此時(shí)要求檢測(cè)電路內(nèi)U1=U2，利用分壓原理對(duì)U1和U2進(jìn)行計(jì)算，其公式為

(3)

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)，最終求得VR2=107.694 8。

式中:R41、R42、R46、R47、VR為可共同組成電橋檢測(cè)電路；R46為鉑電阻；R41=R42=2.4 kΩ,R47=VR=200 Ω；VR為滑動(dòng)變阻器，主要負(fù)責(zé)對(duì)變阻器進(jìn)行調(diào)零[7]。

當(dāng)電阻爐內(nèi)溫度為250 ℃，R46=194.07 Ω，此時(shí)溫度檢測(cè)模塊的輸出電壓趨近于2.56 V，但該數(shù)值不可超過2.56 V。令R43=R52=R，R44=R53=Rf,R45=R50=R′，放大電路的輸出電壓U0的公式為

(5)

(6)

最終求得U1-U2=0.27-0.192 31=0.077 69 V，即放大倍數(shù)為

(7)

取R=3 kΩ,Rf=12 kΩ,R′=6.8 kΩ,R48=2 kΩ,Av=31.2。

溫度檢測(cè)電路中由R49、C37共同組成一階濾波電路，BAV99由兩個(gè)二級(jí)經(jīng)過串聯(lián)而形成的器件，主要負(fù)責(zé)對(duì)溫度檢測(cè)電路進(jìn)行保護(hù)，工作原理為：當(dāng)輸出電壓U0≥Uref時(shí)，上端二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，下端二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)進(jìn)入單片機(jī)ADCO引腳的電壓鉗在Uref處；當(dāng)輸出電壓U0<0 V時(shí)，上端二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，下端二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)入單片機(jī)ADCO引腳的電壓鉗在零伏處，有利于維持單片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

2 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序工作流程

主程序部分屬于軟件程序的核心，可維持軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，主要工作任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化的架構(gòu)構(gòu)建。其工作流程為：首先完成對(duì)單片機(jī)、A/D芯片等部分的初始化，初始化任務(wù)執(zhí)行完畢后，啟動(dòng)溫度檢測(cè)程序，對(duì)電阻爐的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至顯示模塊，有利于操作者通過液晶顯示器觀察到電阻爐的運(yùn)行狀態(tài)。通過設(shè)置鍵對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)置，若溫度超過電阻爐可承受的最大范圍，系統(tǒng)自動(dòng)采取報(bào)警模式；若溫度不超過電阻爐可承受的最大范圍，系統(tǒng)采用模糊神經(jīng)算法完成電阻爐溫度的實(shí)時(shí)控制，并將控制數(shù)據(jù)輸出。將該程序無限循環(huán)，直至實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的控制為止[9]。

2.2 溫度檢測(cè)程序

本研究主要在0中斷子程序內(nèi)部完成溫度檢測(cè)程序的設(shè)計(jì)，并利用ATmega16單片機(jī)中定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/CO)完成溫度的檢測(cè)。溫度檢測(cè)程序設(shè)計(jì)過程中，通過分頻器對(duì)單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘頻率進(jìn)行分頻，并將分頻后的時(shí)鐘與計(jì)時(shí)器建立連接，在分頻器的支持下，有利于溫度檢測(cè)程序獲取不同頻率的技術(shù)脈沖信號(hào)。當(dāng)控制系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為8 MHz時(shí)，T/CO計(jì)時(shí)精度和時(shí)寬如表1所示。

表1 T/CO計(jì)時(shí)精度和時(shí)寬

結(jié)合T/CO計(jì)時(shí)精度和時(shí)寬數(shù)據(jù)，最終將溫度檢測(cè)程序的采樣周期控制為1 s。但是該周期大于T/CO的最大時(shí)寬，為解決采樣周期過長(zhǎng)的問題，將分頻器的頻率設(shè)置為64分頻，每1 ms執(zhí)行一次終端服務(wù)子程序，直到執(zhí)行1 s為止，而中斷響應(yīng)需為1 000次。對(duì)溫度檢測(cè)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先利用K型熱電偶和MAX6675芯片，使二者充分結(jié)合，以此達(dá)到溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的目的，溫度檢測(cè)程序流程如圖2所示[10]。

2.3 監(jiān)控軟件程序

為實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)爐溫?cái)?shù)據(jù)的精準(zhǔn)提取以及實(shí)時(shí)監(jiān)控，本研究利用LABVIEW虛擬器開發(fā)集成工具完成上位機(jī)監(jiān)控軟件的開發(fā)。電阻爐溫度控制系統(tǒng)要求上位機(jī)對(duì)爐溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行提取時(shí)，需要通過RS232出口，并將提取數(shù)據(jù)編寫完畢后上傳至顯示界面，由軟件界面窗口實(shí)時(shí)顯示讀取數(shù)據(jù)。為此對(duì)該部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化的方式將該程序劃分為數(shù)據(jù)處理顯示、存儲(chǔ)查詢、打印以及報(bào)警等模塊。其中數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)爐溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集和計(jì)算，采集完畢后將結(jié)果以曲線的方式實(shí)時(shí)顯示到前面板中，有利于用戶精確掌握電阻爐運(yùn)行情況。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)爐溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行保存，可作為用戶優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)的重要依據(jù)。打印模塊主要負(fù)責(zé)爐溫?cái)?shù)據(jù)以報(bào)表的形式完成打印。報(bào)警模塊對(duì)于系統(tǒng)的安全性具有重要保障作用，若爐溫達(dá)到上限時(shí)，該模塊可自動(dòng)采取報(bào)警模式，有利于工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的故障現(xiàn)象。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

為保證電阻爐溫度控制系統(tǒng)的精確度，本研究主要對(duì)SX2-4-10高溫箱式電阻爐進(jìn)行研究，該電阻爐的工作頻率為50 Hz、額定功率為4 kW、溫度范圍在0～1 000 ℃。利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法控制電阻爐的爐溫，并將控制系統(tǒng)的采樣時(shí)間設(shè)置為1 s、目標(biāo)爐溫900 ℃、爐溫上下限分別設(shè)置為905和895 ℃。

通過對(duì)爐溫的實(shí)際變化進(jìn)行分析可知，缺乏模糊PID算法控制下的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，可在較短的時(shí)間內(nèi)將爐溫升至目標(biāo)值，爐溫的穩(wěn)定時(shí)間僅能維持在200 s之內(nèi)。但是在模糊PID算法控制下的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間內(nèi)將爐溫升至目標(biāo)值，對(duì)電阻爐溫度的控制可達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié) 語

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的實(shí)時(shí)控制，本研究利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出一種電阻爐溫度控制系統(tǒng)，并完成電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)。為保證該控制系統(tǒng)對(duì)電阻爐溫度的精準(zhǔn)控制，將AVR系列的單片機(jī)作為硬件系統(tǒng)的核心設(shè)備，可使電阻爐溫度控制系統(tǒng)具有可靠性較高、控制效果明顯等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過驗(yàn)證可知，該系統(tǒng)的控制效果可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。