基于模糊PID算法的电阻炉温度控制系统设计

引言
    电加热炉是典型工业过程控制对象，其温度控制具有升温单向性，大惯性，纯滞后，时变性等特点，很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。而PID控制因其成熟，容易实现，并具有可消除稳态误差的优点，在大多数情况下可以满足系统性能要求，但其性能取决于参数的整定情况。且快速性和超调量之间存在矛盾，使其不一定满足快速升温、超调小的技术要求。模糊控制在快速性和保持较小的超调量方面有着自身的优势，但其理论并不完善，算法复杂，控制过程会存在稳态误差。
    将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统，利用模糊控制规则自适应在线修改PID参数，构成模糊自整定：PID控制系统，借此提高其控制效果。 基于PID控制算法，以ADuC845单片机为主体，构成一个能处理较复杂数据和控制功能的智能控制器，使其既可作为独立的单片机控制系统，又可与微机配合构成两级控制系统。该控制器控制精度高，具有较高的灵活性和可靠性。

2 温度控制系统硬件设计
    该系统设计的硬件设计主要由单片机主控、前向通道、后向通道、人机接口和接口扩展等模块组成，如图l所示。由图1可见，以内含C52兼容单片机的ADuC845为控制核心．配有640 KB的非易失RAM数据存储器、外扩键盘输人、320x240点阵的图形液晶显示器进行汉字、图形、曲线和数据显示，超温报警装置等外围电路；预留微型打印机接口，可以现场打印输出结果；预留RS232接口，能和PC机联机，将现场检测的数据传输至PC机来进一步处理、显示、打印和存档。

    电阻炉的温度先由热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压放大后，由单片机内部A／D转换器将其转换成数字量。此数字量经数字滤波、误差校正、标度变换、线性拟合、查表等处理后。一方面将炉窑温度经人机面板上的LCD显示：另一方面将该温度值与被控制值(由键盘输入的设定温度值)比较，根据其偏差值的大小，提供给控制算法进行运算，最后输出移相控制脉冲，放大后触发可控硅导通(即控制电阻炉平均功率)。达到控制电炉温度的目的。如果实际测得的温度值超过了该系统所要求的温度范围，单片机就向报警装置发出指令，系统进行报警。
2．1 系统主控模块
    系统主控模块电路如图2所示，它主要由CPU及数据存储器，晶体振荡器、复位电路、图形液晶显示器(LCD)及控制电路、微型打印机接口控制电路、实时日历时钟，热电偶信号处理电路等构成。这里，该系统设计可测量3点温度。传感器选择K型(镍铬-镍硅)热电偶，可用于从室温到1 200°C的温度测量，测量范围宽，精度高。在温度测量范围内K型热电偶的输出热电势只有0～45．119 mV，为了和ADuC845的A／D转换器相匹配，采用ACl226和1B51作为信号调理电路，由AC1226、1B51构成热电偶冷端温度补偿及信号调理器电路。当热端距测温仪表较远时，需利用热电偶匹配导线将冷端延长。CD4051为多路模拟开关，由ABC控制接通，当5～3接通时，输入接地，UO输出UOmin，用于零点校准；当4～3接通时，单片机1．25 V稳定参考电压Uref，再经电阻R1、R2分压，得到毫伏级参考输入电压，UO输出UOmax，用于增益校准；当2～3、1～3、12～3分别分时接通时，依次输入3个热电偶正常测温所得变换电压，UO从而输出3个温度点所对应的电压UOA，UOB，UOC。在HI端与+UISO端之间串上一只220 MΩ上拉电阻，一旦热电偶开路，HI端即被偏置为+UISO，迫使1B51的输出电压超量程，由此判定热电偶已开路。多路模拟开关和测量数据采集过程在单片机协调下工作，每次数据采集都进行自动判断和校准阁。

2．2 控制输出驱动电路
    对温度的控制是通过可控硅调功器电路实现，如图3所示。双向可控硅管和硅碳棒串接在交流220 V、50 Hz交流市电回路中，图3中只给出了A相。移相触发脉冲由ADuC845用软件在P1．3引脚上产生的，零同步脉冲同步后，经光耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极。过零同步脉冲由过零触发电路产生，利用同步变压器和电压比较器LM311组成正弦交流电的正半波过零检测电路，它在交流电每一个正半周的起始零点处产生上升沿．并在正半周回零处产生一个下降沿，电压比较器LM311用于把50 Hz正弦交流电压变成方波。方波的正边沿和负边沿分别作为两个单稳态触发器的输入触发信号，单稳态触发器输出的2个窄脉冲经二极管或门混合后通过可重复触发集成单稳态触发器MC14528，单稳态输出的两路窄脉冲再叠加，就可得到对应于交流市电的100 Hz过零同步脉冲。脉冲宽度可由MC14528的外接电阻R4和外接电容C1、C2调节。此脉冲加到ADUC845的TO作为计数脉冲和INT1中断口触发INT1中断。可控硅的过流、过压保护采用一般阻容保护电路。R5是触发器输出限流电阻，R3用以消除漏电流，防止KP150的误触发。

3 温度控制系统软件设计
3．1 主程序及其功能
    软件设计采用模块化设计原则。控制程序主要由测量采样操作，温度参数设置界面的显示，操作按键的管理，测量过程，数据算法处理，输出控制的处理及测量结果显示等模块组成。主模块是为其他模块构建整体框架及初始化工作。调用运算和显示构成一个无限循环圈，温控的所有功能都在该循环圈中周而复始有选择执行。除非掉电或复位，否则系统程序不会跳出该循环圈。因浮点数运算占用时间较多，应将其作为单独模块。控制算法模块包括：PID运算模块和PID参数自整定模块两部分，主要是相应控制算法的初始化及运算程序。数学运算模块主要包括诸如带符号浮点数求补运算、带符号浮点数乘法、无符号浮点数除法以及浮点数加减法等运算子程序，供其他模块根据算法的需要随时调用。显示设定和操作界面由菜单显示，用INTO中断完成。界面中用线框框起来的符号和汉字表示当前起作用的按键，用“上下左右”按键移动光标和改变数据，按下确认键后选中有效，开始执行所选功能，按下返回键就回到上一级界面(菜单)。数据的采集及预处理模块由TO计数定时产生中断，包括数字滤波、标度变换、显示刷新等部分，完成数据预处理及人机交互功能。过零同步由交流过零触发产生INT1中断，并确定移相顺序，触发T1定时，产生移相脉冲，控制输出。一旦中断，首先判断具体的中断源。若是定时中断，则调用相应的模块完成定时服务；若是人机面板的按键中断，则在识别按键后，进入散转程序，随之调用相应的键盘处理服务模块。无论是哪一个中断源产生中断，执行完相应的程序后均返回主模块，必要时修改显示内容，并开始下一轮循环。图4所示为系统软件主程序流程。

3．2 模糊自整定PID算法程序
    模糊自整定PID算法程序程序的总流程为：首先模糊整定，然后根据误差和误差变化率对PID的3个参数进行在线调整，把经过模糊调整后的PID参数作为最终的控制参数进行PID控制。温度误差e和温度误差变化率△e的最坏情况值均取为100℃，在此建立的温度误差e和温度误差变化率△e的基本论域，数字量化确定e(k)的论域区间为[-128，128]。这样就必须对温度误差e和温度误差变化率△e超过100°C．变换后的e和△e其动态范围限幅压缩，这样就可以使温度误差和温度误差变化率△e在整个测控温度变化范围[0℃，1 112°C]内，控制量都可以起到作用。图5为模糊PID控制流程。

4 结语
    将系统温度设置不同的温度值，观测记录温度变化曲线。电加热炉温度控制系统实际输出的响应曲线如图6所示。

    从电加热炉温度控制的实际效果来看，Fuzzy-PID复合控制器具有以下特点：①系统具有较好动态特性。不仅升温速度快，而且超调量很小；②系统具有比较理想的稳态品质，稳态过程没有振荡，温度控制精度在±3℃以内；③系统的抗干扰能力增强，对生产现场的各种噪声和干扰具有较好的抑制作用；④当被控过程参数发生变化时，控制系统仍能保持较好的适应能力和鲁棒性。