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基于单片机的加热炉温度模糊控制系统
杨宏丽
(深圳职业技术学院电子通信工程系广东深圳518055)
摘要:介绍了以单片机8098为核心,以加热炉为控制对象的智能模糊控制系统,深入研究了规则自寻优的模糊控制
算法,仿真结果表明该系统控制效果好,稳态精度高,超调量小。
关键词:加热炉;模糊控制;单片机;仿真
中图分类号:TP36文献标识码:B文章编号:1004373X(2005)0208102
TemperatureFuzzyControlofHeatingFuranceBasedonSingleChip
YANGHongli
(DepartmentofElectronicandCommunicationEngineering,ShenzhenPolytechnicCollege,Shenzhen,518055,China)
Abstract:Aintelligentfuzzycontrolsystemofheatingfuranceispresented1Basedonsinglechipcomputer8098,theruleself
seekingoptimizationfuzzycontrolalgorithmisstudiedinthispaper1Thesimulationresultsindicatethatthesystemhashighstatic
accuracyandsmallovershoot1
Keywords:heatingfurance;fuzzycontrol;singlechip;simulation
收稿日期:20040918
1引言
加热炉在冶金、化工等工业生产过程中广泛地使用,
加热炉的温度是生产工艺的一项重要指标,温度控制的好
坏将直接影响产品的质量。热处理加热炉是一种能改善金
属材料及其制品(如机器零件、工具等)性能的工艺。根
据不同的要求,将材料及其制品加热到适宜的温度并保
温,随后用不同方法冷却,改变其内部组织以获得所要求
的性能。热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段
之一。
热处理加热炉具有大惯性、纯滞后等非线性以及时变
的特点,开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都
影响控制过程,基于精确数学模型的常规控制例如PID控
制难以保证加热工艺曲线要求。作为非线性控制的一大分
支,模糊控制在上述温度控制系统中可以得到较好的应用。
模糊控制是智能控制的分支之一,他具有以下特点:
(1)是一种非线性控制方法,工作范围宽,适用范围
广,特别适合于非线性系统的控制。
(2)不依赖于对象的数学模型,对无法建模或很难建
模的复杂对象,可以利用人的经验知识来设计模糊控制
器,从而完成控制任务,而传统的控制方法都要已知被控
对象的数学模型才能设计控制器。
(3)他具有内在的并行处理机制,表现出极强的鲁棒
性,对被控对象的特性变化不敏感。
模糊控制器的设计参数容易选择调整;算法简单、执
行快、容易实现,不需要很多的控制理论知识[1]。
2模糊控制器的设计
本控制系统主要完成数据采集、温度显示、炉温控制、
故障检测以及报警等功能,智能模糊控制器由单片机完
成,采用规则自寻优的控制算法进行过程控制。加热炉采
用双向可控硅控制,由单片机输出通断率控制信号,产生
可控硅的过零触发脉冲。
整个系统的核心是模糊控制器,8098单片机是控制
器的主体。他与若干扩展电路(程序存储器、数据存储器、
地址锁存器、地址译码器等)构成处理器模块。测温热电
偶输出的mV信号经变送器芯片转换成0～10V的标准
信号,再将此信号经AD转换之后送入单片机,单片机根
据输入的各种命令,通过模糊控制算法计算控制量,输出
脉冲触发信号,通过过零触发电路驱动双向可控硅,从而
控制热处理加热炉。此外,智能控制器还包括硬件看门狗
电路故障检测电路、数码显示电路以及电源等。智能模糊
控制器的硬件框图如图1所示。
图1温度模糊控制器硬件框图
模糊控制器的主程序包括初始化、键盘管理及控制模
块和显示模块的调用。温度信号的采集、数字滤波、标度
变换、控制算法以及温度显示等功能的实现由各子程序完
成。软件的主要流程是:利用8098单片机的定时器T0和
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《现代电子技术》2005年第2期总第193期嵌入式与单片机
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软件计数产生采样周期,周期到,程序则转入控制模块,调
用AD转换、数字滤波及标度转换模块得到炉温的反馈
信号,根据偏差和偏差的变化率计算控制量,输出脉冲信
号控制过零触发器。启动、停止以及给定值通过键盘利用
外部中断产生,有按键输入时则调用中断服务程序。程序
流程如图2所示。
图2温度模糊控制器程序流程图
3模糊控制算法的研究
本系统的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大
惯性系统,用基于精确数学模型的常规控制难以保证加热
工艺曲线要求。为此,选用模糊控制算法中的规则自寻优
算法[2]。
算法的基本原理采用解析表达式描述的控制规则,简
单方便,易于处理。二维控制规则自寻优算法可以用解析
表达式概括:
U=-[aE+(1-a)C](1)
其中,E,C,U为经过量化和模糊化的模糊变量,相应的论
域分别为误差、误差变化率及控制量;a为调整因子。
由式(1)描述的控制规则可看出,控制作用取决于误
差及误差变化率,且通过调整a的大小,可以改变对误差
和误差变化的不同加权程度,a值一旦确定,在整个控制过
程中就不再改变。但在实际系统中,系统在不同的状态下,
对控制规则中误差E与误差C的加权程度有不同的要求。
如误差较大时,控制系统的主要任务是消除误差,此时对
误差的加权应该大些;当误差小时,控制系统的主要任务
是使系统尽快稳定,减小超调,此时要求在控制规则中误
差变化率的加权大些。为了得到好的控制性能,就要求a
值在控制过程中可调整,即控制规则可在控制过程中在线
修正。式(2)采用优化设计方法对a进行在线修正。
a(k+1)=a(k)+01618[1-a(k)],?E?≥301618a(k),?E?<3
(2)
该系统的控制原理如图3所示。
图3加热炉温度模糊控制系统原理图
4性能分析
本系统在仿真运行后,系统工作稳定,操作方便,各项
指标都达到了设计要求,图4是某加热炉的温度曲线。从图
中可以看出,曲线的跟踪性能好,稳态精度高,超调小。
图4某加热炉温度曲线
5结语
本文系统介绍了用单片机实现的热处理加热炉温度
控制系统,由于控制对象是一种具有纯滞后的大惯性环
节,采用智能模糊控制器可以达到理想的控制效果。经实
验运行结果表明,本系统具有以下特点:
(1)控制方案合理、稳态精度高、超调小。
(2)结构简单、调试方便、抗干扰性强、鲁棒性好。
参考文献
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作者简介杨宏丽女,1970年出生,河北省石家庄市人,深圳职业技术学院电子通信工程系讲师,河北工业大学电器专业硕
士毕业。1994～1997年在信息产业部通信测控技术研究所(54所)工作,从事散射通信和扩频通信的相关研究。1997
年至今深圳职业技术学院从事教学研究工作,承担课程为单片机技术、数字电子技术、模拟电子技术等,主要研究
方向为单片机应用。
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嵌入式技术杨宏丽:基于单片机的加热炉温度模糊控制系统
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