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中頻爐爐溫模糊控制系統
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廠(chǎng)家：中頻爐爐溫模糊控制系統 日期：：2020-02-01 瀏覽次數： 94
給出了單片機中頻爐溫控制系統軟、硬件的設計方法 ,該系統是以 2 片 8051 單片機為 核心 ,采用模糊控制算法組成了一個(gè)主從式雙機雙工中頻爐溫控制系統。其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、 控溫精度高和可靠性高 ,可用于很多場(chǎng)合。
中頻爐是工業(yè)熱處理生產(chǎn)中廣泛采用的一種設 備。由于中頻電爐屬于大滯后控制對象 ,而且加熱功 率大 ,因此有效地提高中頻電爐爐溫的控制精度不僅能保證 熱處理的質(zhì)量 ,而且能大大降低能耗。傳統的基于 精確數學(xué)模型的常規控制 (PID 控制、Smit h 預估控 制和大林算法等) 都是基于參數模型的控制方法 ,因 而其自適應性和魯棒性差 ,對模型精確性要求高 ,抗 干擾能力差 ,難以保證加熱工藝曲線(xiàn)的要求。模糊 控制可以不需被控對象的數學(xué)模型即可實(shí)現較好的 控制 ,因而特別適用于那些具有純滯后、大慣性、參 數漂移大的非線(xiàn)性不確定復雜系統 ,在魯棒性和抗 干擾能力方面有很大的優(yōu)勢。用智能模糊控制中頻 爐可以達到較好的控制效果。本文提出的爐溫控制 方法是以 2 片單片機為核心,加上模糊控制算法 ,不 僅可提高控制中頻爐溫度的精度 ,節約能源 ,而且功能齊全 ,操作 方便 ,可靠性高。
本系統是以 2 片 8051 單片機外圍接口電路構 成的一個(gè)主從式雙工中頻電爐爐溫控系統 ,硬件總體框圖如 圖 1 所示。
中頻電爐管理系統是由主 8051 與鍵盤(pán)、顯示器、打印機 及報警電路所組成。其功能是管理整個(gè)系統的運行 情況 ,包括各個(gè)中頻電爐爐區恒溫溫度和恒溫時(shí)間的設定 ,中頻爐爐溫顯示和打印以及超溫、觸路和斷偶等報警功能。 為了節省 CPU 的時(shí)間 ,鍵盤(pán)及顯示部分采用了可 編程鍵盤(pán)/ 顯示器 8279 ,打印機可任意定時(shí)及自動(dòng) 打印。顯示器采用了 6 個(gè)共陰極 7 段 L ED ,為了在 不提高電源電壓的同時(shí)增強顯示器的亮度及穩定 性 ,本系統采用靜態(tài)顯示法。
中頻爐控制系統是由 8051 及輸入輸出通道所組成 ,其 功能是實(shí)現采樣通道的選擇及切換 ,各爐區溫度的 采集以及根據輸出量控制電路加熱功率。其中采用 了 2 片可編程并行接口芯片 8255 ,構成開(kāi)關(guān)量輸入 輸出通道 ,分別完成采樣通道的選擇及控制爐的通 斷電控制。
本系統采用 2 片 8051 單片機構成主從式雙 機雙工控制系統 。主 、從 2 片 8051 的并行通訊 是由共用數據存儲區 RAM 實(shí)現的 ,即主8051 將 由鍵盤(pán)輸入的命令及參數放到 RAM ,從 8051 從 RAM 區中獲取命令及參數 ,完成相應的功能 ,并 將 溫 度 和 時(shí) 間 等 狀 態(tài) 傳 送到 RAM 區 , 供 8051 管理 。
中頻爐控溫系統是由主從 2 片 8051 分別完成的管理及控 制 ,僅論述以從 8051 為核心的控制軟件的設計 方法。
中頻爐溫度的模糊控制器是模糊控制系統的核心 ,它是一 種利用專(zhuān)家知識和操作者經(jīng)驗設計的專(zhuān)家控制系 統 ,設計時(shí)不用數學(xué)解析模型來(lái)描述受控系統的 特性。在本溫度控制系統設計中 ,采用二維模糊 控制器 ,即以偏差 e 和偏差變化率Δe 作為模糊控制器的輸入變量 ,把加熱操作量作為輸出變量。 在模糊控制過(guò)程中 ,同時(shí)把偏差和偏差的變化率 作為模糊輸入量 ,這種方法不僅能保證系統控制 的穩定性 ,而且還可減少超調量和振蕩現象。根 據受控系統的實(shí)際情況 ,確定輸入變量的測量范 圍和輸出變量的控制作用范圍 ,以確定每個(gè)變量 的論域 , Ke、Kec 和 Ku 分別為輸入和輸出變量的 量化因子和比例因子。先經(jīng)限幅處理 ,再經(jīng)量化 處理就得到了 E 和 EC。根據當前已求得的 E 和 EC ,直接查詢(xún)模糊控制表就獲得控制量的變化值 ΔU ,將該變化值ΔU 乘以比例因子 Ku ,即可得到 當前的實(shí)際控制量增量Δu。再將該增量和前一采 樣時(shí)刻的實(shí)際控制量相加 ,就得到目前應實(shí)施的 控制動(dòng)作 ,即 uk = uk - 1 + Ku ·ΔU ,其模糊控制 程序框圖如圖 2 所示。
在單片機中對輸入的模糊量進(jìn)行模糊推理 ,須 將所有描述控制過(guò)程的控制規則存儲在單片機的 EPROM 中。把專(zhuān)家知識和現場(chǎng)經(jīng)驗轉換為用語(yǔ)言 表達的模糊控制規則 ,即設計控制規則庫。本系統 中 ,偏差 E、偏差變化率 EC 和控制量的變化的模糊 子集定義為 E = {NB ,NM ,NS ,NO ,PO ,PS ,PM ,PB} EC = {NB ,NM ,NS ,O ,PS ,PM ,PB} ΔU = {NB ,NM ,NS ,O ,PS ,PM ,PB} P、N 分別表示正、負 ,B、M、S 分別表示大、 中、小。
建立模糊控制規則表的基本思想 ,以偏差為 負的情況說(shuō)明。當偏差為負大時(shí) ,若偏差變化為 負 ,表明此時(shí)偏差有增大的趨勢 ,為盡快消除已有 的負大偏差并抑制偏差進(jìn)一步增大 ,所以控制量 的變化取正大。當偏差為負而偏差變化為正時(shí) , 系統本身已有減少偏差的趨勢 ,所以為盡快消除 偏差且又不超調 ,應取較小的控制量。故當偏差 為負大且偏差變化為正小時(shí) ,控制量的變化取為 正中。若偏差變化為正大或正中時(shí) ,控制量不宜 增加 ,否則將會(huì )造成較大的超調 ,出現正偏差 ,因 此這時(shí)的控制量變化取為 0 級。當偏差為負中 時(shí) ,控制量的變化應該使偏差盡快消除 ,基于這種 原則 ,控制量的變化選擇同偏差為負大時(shí)相同。 當偏差為負小時(shí) ,系統接近穩態(tài)。若偏差變化為 負時(shí) ,選取控制量變化為正中 ,以抑制偏差往負方 向變化 ;若偏差變化為正 ,系統本身有消除負小偏 差的趨勢 ,選取控制量變化為正小即可?？梢?jiàn)選 取控制量變化的原則是 :當偏差大或較大時(shí) ,選擇 控制量的大小以盡快消除偏差為主 ;而當偏差較 小時(shí) ,選擇控制量要注意防止超調 ,以使系統穩定為主要出發(fā)點(diǎn)。
如何保證中頻爐控制系統的高可靠性是微機控制的 1 個(gè)重要方面。本系統除了采用魯棒性強、抗干擾能 力好的模糊控制算法外 ,還從以下 4 個(gè)方面增加了 一些抗干擾措施。 1) 采用三級穩壓及電源干擾抑制器 ; 2) 主機板單獨供電 ; 3) I/ O 通道均采用光電隔離 ; 4) 軟件采用防尖峰數值濾波。
本控制系統硬件上采用了雙 CPU ,因此適當 擴充 I/ O 通道可實(shí)現更多區域的溫度控制。軟件 上采用模糊控制 ,不需要建立精確的數學(xué)模型,抗 干擾能力強。以雙 CPU 為核心的爐溫度模糊控制 系統不僅控溫精度高 ,穩定性好 ,而且降低能耗 10 %～20 %。本系統可廣泛應用于爐溫控制系 統中
中頻爐是工業(yè)熱處理生產(chǎn)中廣泛采用的一種設 備。由于中頻電爐屬于大滯后控制對象 ,而且加熱功 率大 ,因此有效地提高中頻電爐爐溫的控制精度不僅能保證 熱處理的質(zhì)量 ,而且能大大降低能耗。傳統的基于 精確數學(xué)模型的常規控制 (PID 控制、Smit h 預估控 制和大林算法等) 都是基于參數模型的控制方法 ,因 而其自適應性和魯棒性差 ,對模型精確性要求高 ,抗 干擾能力差 ,難以保證加熱工藝曲線(xiàn)的要求。模糊 控制可以不需被控對象的數學(xué)模型即可實(shí)現較好的 控制 ,因而特別適用于那些具有純滯后、大慣性、參 數漂移大的非線(xiàn)性不確定復雜系統 ,在魯棒性和抗 干擾能力方面有很大的優(yōu)勢。用智能模糊控制中頻 爐可以達到較好的控制效果。本文提出的爐溫控制 方法是以 2 片單片機為核心,加上模糊控制算法 ,不 僅可提高控制中頻爐溫度的精度 ,節約能源 ,而且功能齊全 ,操作 方便 ,可靠性高。
本系統是以 2 片 8051 單片機外圍接口電路構 成的一個(gè)主從式雙工中頻電爐爐溫控系統 ,硬件總體框圖如 圖 1 所示。
中頻電爐管理系統是由主 8051 與鍵盤(pán)、顯示器、打印機 及報警電路所組成。其功能是管理整個(gè)系統的運行 情況 ,包括各個(gè)中頻電爐爐區恒溫溫度和恒溫時(shí)間的設定 ,中頻爐爐溫顯示和打印以及超溫、觸路和斷偶等報警功能。 為了節省 CPU 的時(shí)間 ,鍵盤(pán)及顯示部分采用了可 編程鍵盤(pán)/ 顯示器 8279 ,打印機可任意定時(shí)及自動(dòng) 打印。顯示器采用了 6 個(gè)共陰極 7 段 L ED ,為了在 不提高電源電壓的同時(shí)增強顯示器的亮度及穩定 性 ,本系統采用靜態(tài)顯示法。
中頻爐控制系統是由 8051 及輸入輸出通道所組成 ,其 功能是實(shí)現采樣通道的選擇及切換 ,各爐區溫度的 采集以及根據輸出量控制電路加熱功率。其中采用 了 2 片可編程并行接口芯片 8255 ,構成開(kāi)關(guān)量輸入 輸出通道 ,分別完成采樣通道的選擇及控制爐的通 斷電控制。
本系統采用 2 片 8051 單片機構成主從式雙 機雙工控制系統 。主 、從 2 片 8051 的并行通訊 是由共用數據存儲區 RAM 實(shí)現的 ,即主8051 將 由鍵盤(pán)輸入的命令及參數放到 RAM ,從 8051 從 RAM 區中獲取命令及參數 ,完成相應的功能 ,并 將 溫 度 和 時(shí) 間 等 狀 態(tài) 傳 送到 RAM 區 , 供 8051 管理 。
中頻爐控溫系統是由主從 2 片 8051 分別完成的管理及控 制 ,僅論述以從 8051 為核心的控制軟件的設計 方法。
中頻爐溫度的模糊控制器是模糊控制系統的核心 ,它是一 種利用專(zhuān)家知識和操作者經(jīng)驗設計的專(zhuān)家控制系 統 ,設計時(shí)不用數學(xué)解析模型來(lái)描述受控系統的 特性。在本溫度控制系統設計中 ,采用二維模糊 控制器 ,即以偏差 e 和偏差變化率Δe 作為模糊控制器的輸入變量 ,把加熱操作量作為輸出變量。 在模糊控制過(guò)程中 ,同時(shí)把偏差和偏差的變化率 作為模糊輸入量 ,這種方法不僅能保證系統控制 的穩定性 ,而且還可減少超調量和振蕩現象。根 據受控系統的實(shí)際情況 ,確定輸入變量的測量范 圍和輸出變量的控制作用范圍 ,以確定每個(gè)變量 的論域 , Ke、Kec 和 Ku 分別為輸入和輸出變量的 量化因子和比例因子。先經(jīng)限幅處理 ,再經(jīng)量化 處理就得到了 E 和 EC。根據當前已求得的 E 和 EC ,直接查詢(xún)模糊控制表就獲得控制量的變化值 ΔU ,將該變化值ΔU 乘以比例因子 Ku ,即可得到 當前的實(shí)際控制量增量Δu。再將該增量和前一采 樣時(shí)刻的實(shí)際控制量相加 ,就得到目前應實(shí)施的 控制動(dòng)作 ,即 uk = uk - 1 + Ku ·ΔU ,其模糊控制 程序框圖如圖 2 所示。
在單片機中對輸入的模糊量進(jìn)行模糊推理 ,須 將所有描述控制過(guò)程的控制規則存儲在單片機的 EPROM 中。把專(zhuān)家知識和現場(chǎng)經(jīng)驗轉換為用語(yǔ)言 表達的模糊控制規則 ,即設計控制規則庫。本系統 中 ,偏差 E、偏差變化率 EC 和控制量的變化的模糊 子集定義為 E = {NB ,NM ,NS ,NO ,PO ,PS ,PM ,PB} EC = {NB ,NM ,NS ,O ,PS ,PM ,PB} ΔU = {NB ,NM ,NS ,O ,PS ,PM ,PB} P、N 分別表示正、負 ,B、M、S 分別表示大、 中、小。
建立模糊控制規則表的基本思想 ,以偏差為 負的情況說(shuō)明。當偏差為負大時(shí) ,若偏差變化為 負 ,表明此時(shí)偏差有增大的趨勢 ,為盡快消除已有 的負大偏差并抑制偏差進(jìn)一步增大 ,所以控制量 的變化取正大。當偏差為負而偏差變化為正時(shí) , 系統本身已有減少偏差的趨勢 ,所以為盡快消除 偏差且又不超調 ,應取較小的控制量。故當偏差 為負大且偏差變化為正小時(shí) ,控制量的變化取為 正中。若偏差變化為正大或正中時(shí) ,控制量不宜 增加 ,否則將會(huì )造成較大的超調 ,出現正偏差 ,因 此這時(shí)的控制量變化取為 0 級。當偏差為負中 時(shí) ,控制量的變化應該使偏差盡快消除 ,基于這種 原則 ,控制量的變化選擇同偏差為負大時(shí)相同。 當偏差為負小時(shí) ,系統接近穩態(tài)。若偏差變化為 負時(shí) ,選取控制量變化為正中 ,以抑制偏差往負方 向變化 ;若偏差變化為正 ,系統本身有消除負小偏 差的趨勢 ,選取控制量變化為正小即可?？梢?jiàn)選 取控制量變化的原則是 :當偏差大或較大時(shí) ,選擇 控制量的大小以盡快消除偏差為主 ;而當偏差較 小時(shí) ,選擇控制量要注意防止超調 ,以使系統穩定為主要出發(fā)點(diǎn)。
如何保證中頻爐控制系統的高可靠性是微機控制的 1 個(gè)重要方面。本系統除了采用魯棒性強、抗干擾能 力好的模糊控制算法外 ,還從以下 4 個(gè)方面增加了 一些抗干擾措施。 1) 采用三級穩壓及電源干擾抑制器 ; 2) 主機板單獨供電 ; 3) I/ O 通道均采用光電隔離 ; 4) 軟件采用防尖峰數值濾波。
本控制系統硬件上采用了雙 CPU ,因此適當 擴充 I/ O 通道可實(shí)現更多區域的溫度控制。軟件 上采用模糊控制 ,不需要建立精確的數學(xué)模型,抗 干擾能力強。以雙 CPU 為核心的爐溫度模糊控制 系統不僅控溫精度高 ,穩定性好 ,而且降低能耗 10 %～20 %。本系統可廣泛應用于爐溫控制系 統中
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