单片机在退火炉炉温模糊控制中的应用

2006-05-07 15:49:38来源: 电子技术应用

单片机模糊炉温控制系统,并将其应用于退火炉炉温控制上。试验表明,这种控制系统比传统的PID调节控制系统精度高、速度快

该系统的被控对象是退火炉,被控参数是炉内温度γT,退火炉燃实为煤气,改变阀门的开度便可改变退火炉内燃烧的煤气流量,从而改变炉内温度。单片机模糊炉温控制器。控制器根据系统给定温度和炉内实际温度及炉内实际温度的变化率,利用模糊控制算法,求出控制系统的控制输出量μk(数字量),经D/A变换器转变为控制模拟量以控制煤气阀门的开度,从而改变炉温。

2 模糊控制器的设计

考虑到退火炉炉温具有非线性、时变等特点,单片机模糊炉温控制器采用模糊控制理论,通过总结操作人员对过程的操作和控制的经验,用模糊条件语句构成控制规则,采用极大极小合成运算原理,从而得到一个模糊炉温控制模型。模糊控制器的控制步骤大体分三步:精确量模糊化、模糊控制规则推理模糊、模糊判决。

2.1 确定模糊变量

模糊控制器采用目前广泛使用的二维模糊控制器。确定模糊变量为:

A:u—炉温温度偏差,

B:△u—炉温温度偏差变化率,

C:c—煤气阀门开度。

2.2 精确量的模糊化取

取炉温温度偏差u、炉温温度偏差变化率△μ作为控制器的输入信息,二者皆可用模糊语言变量表示为负大(NL)、负中(NM)、负小(NS)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)。模糊化是对模糊控制器的输入变量求取相应语言值的隶属度。

对于输入变量u,其隶属度以图2的图线表示;对于输入变量△u,其隶属度以图3的图线表示。经过模糊化后,可以得到u的隶属度为:μNL(u)、μNM(u)、…、μPL(u);△u的隶属度为:μNL(△u)、μNM(△u)、…、μPL(△u)。

由上面的两个隶属函数图可知,对于个给定的u或△u,至多有两个对应的模糊语言值为0。

2.3 模糊控制规则推理

在单片机模糊炉温控制系统中,采用If Ai and Bi Then Ci为模糊控制规则。其中,Ai为误差模糊子集,Bi为误差变化模糊子集,Ci为输出量模糊子集。

模糊关系采用

模糊推理采用Ci=(Ai×Bi)oRμμμ

利用式1、式2求出模糊控制规则,模糊规则揄按照模糊规则来完成,最后形成输出变量的隶属度。单片机炉温模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊控制规则



2.4 模糊判决

根据表1所列的模糊控制规则,可以求出每一条规则的模糊关系Ri,进而求出每一条规则的模糊关系R。对于给定的A和B的值,通过合成推理规则可求出对应的输出量C,再经过模糊判决可得到实际执行量。

为了充分利用模糊控制量向量所取得的信息,本控制器系统采用加权平均法将模糊控制向量转化为精确控制向量。

    取Ki=μ(Ci),则

3 模糊控制器在单片机上的实现

3.1 硬件组成

如图1所示,模糊控制器的CPU采用AT89C51单片机,它是一种低功耗、高速的八位CMOS芯片,具有4KB可编程ROM,128字节的RAM,32条I/O线,2个16位定时/计数器和5个中断源等资源。控制器可在单片机系统控制软件的支持睛,由键盘操作独立工作,也可作为下位机方式工作。

退火炉的温度选用镍铬—镍铝热电偶采集,其输出信号为0~41.32mV。变送器选用电动单元组合仪表中的mV变送器,输出信号为0~10mA。然后再经过电流-电压变换电路变换为0~2V的电压信号,送到A/D转换器ICL7135进行A/D转换。由于ICL7135A/D转换器的分辨率为两万分之一,即控制器的分辨率为0.005℃,完成满足系统要求。

控制器的控制输出量μk(数字量),经D/A转换器转换为模拟控制量,以控制煤气阀门的开度。模糊控制器采用DAC0832作为D/A转换器件,控制电路接成8位电压输出型DAC,从基础运放芯片μA741的第6引脚输出单极性模拟电压。输出模拟控制电压为:

VOUT=-D·VREF/256

式中,D为单片机输出模糊控制数字量,VREF为基准电压。控制器的通信采用RS-232通信方式,通信接口由一片ICL232完成从TTL电平到RS-232标准电平的转换,通过RS-232接口与上位微机通信;单片机控制电路中连接了一片串行E2PROM芯片24LC02,用来存储智能运算中必需的控制过程参数;键盘显示电路与单片机AT89C51的P0口和P2口连接,采用定时口断扫描方式工作,对8位数码管诸位扫描显示,键盘用组合功能键完成系统参数的设置与修改。

3.2 软件组成

模糊控制器是在应用程序软件控制下完成对退火炉炉温控制的。系统控制软件主要包括:主程序、显示子程序、A/D转换(数据采集)子程序、温度设定调节子程充、按键中断服务子程序、定时器中断服务子程序、打印子程序、数据采集误差修正子程序、模糊推理子程序、模糊决策子程序、函数子程序、模糊关系R表格处理子程序、D/A转换子程序等组成,其程序流程框图如图4所示。其它子程序由于篇幅所限,在此不再详细介绍。

关键字:单片机  应用

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