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中頻爐爐溫模糊控制系統(tǒng)
您的位置： 中頻爐|感應(yīng)加熱|熔鋼爐|熔鋁爐|熔銅爐|熔鉛爐|洛陽萬峰工業(yè)爐有限公司-技術(shù)支持中頻爐爐溫模糊控制系統(tǒng)
廠家：中頻爐爐溫模糊控制系統(tǒng) 日期：：2020-02-01 瀏覽次數(shù)： 94
給出了單片機(jī)中頻爐溫控制系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計方法 ,該系統(tǒng)是以 2 片 8051 單片機(jī)為 核心 ,采用模糊控制算法組成了一個主從式雙機(jī)雙工中頻爐溫控制系統(tǒng)。其特點是操作簡單、 控溫精度高和可靠性高 ,可用于很多場合。
中頻爐是工業(yè)熱處理生產(chǎn)中廣泛采用的一種設(shè) 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(tǒng)的基于 精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制 (PID 控制、Smit h 預(yù)估控 制和大林算法等) 都是基于參數(shù)模型的控制方法 ,因 而其自適應(yīng)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的要求。模糊 控制可以不需被控對象的數(shù)學(xué)模型即可實現(xiàn)較好的 控制 ,因而特別適用于那些具有純滯后、大慣性、參 數(shù)漂移大的非線性不確定復(fù)雜系統(tǒng) ,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(dá)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(jī)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(jié)約能源 ,而且功能齊全 ,操作 方便 ,可靠性高。
本系統(tǒng)是以 2 片 8051 單片機(jī)外圍接口電路構(gòu) 成的一個主從式雙工中頻電爐爐溫控系統(tǒng) ,硬件總體框圖如 圖 1 所示。
中頻電爐管理系統(tǒng)是由主 8051 與鍵盤、顯示器、打印機(jī) 及報警電路所組成。其功能是管理整個系統(tǒng)的運行 情況 ,包括各個中頻電爐爐區(qū)恒溫溫度和恒溫時間的設(shè)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(jié)省 CPU 的時間 ,鍵盤及顯示部分采用了可 編程鍵盤/ 顯示器 8279 ,打印機(jī)可任意定時及自動 打印。顯示器采用了 6 個共陰極 7 段 L ED ,為了在 不提高電源電壓的同時增強(qiáng)顯示器的亮度及穩(wěn)定 性 ,本系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示法。
中頻爐控制系統(tǒng)是由 8051 及輸入輸出通道所組成 ,其 功能是實現(xiàn)采樣通道的選擇及切換 ,各爐區(qū)溫度的 采集以及根據(jù)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(gòu)成開關(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(tǒng)采用 2 片 8051 單片機(jī)構(gòu)成主從式雙 機(jī)雙工控制系統(tǒng) 。主 、從 2 片 8051 的并行通訊 是由共用數(shù)據(jù)存儲區(qū) RAM 實現(xiàn)的 ,即主8051 將 由鍵盤輸入的命令及參數(shù)放到 RAM ,從 8051 從 RAM 區(qū)中獲取命令及參數(shù) ,完成相應(yīng)的功能 ,并 將 溫 度 和 時 間 等 狀 態(tài) 傳 送到 RAM 區(qū) , 供 8051 管理 。
中頻爐控溫系統(tǒng)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(shè)計 方法。
中頻爐溫度的模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心 ,它是一 種利用專家知識和操作者經(jīng)驗設(shè)計的專家控制系 統(tǒng) ,設(shè)計時不用數(shù)學(xué)解析模型來描述受控系統(tǒng)的 特性。在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)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。 在模糊控制過程中 ,同時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(tǒng)控制 的穩(wěn)定性 ,而且還可減少超調(diào)量和振蕩現(xiàn)象。根 據(jù)受控系統(tǒng)的實際情況 ,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(jù)當(dāng)前已求得的 E 和 EC ,直接查詢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(dāng)前的實際控制量增量Δu。再將該增量和前一采 樣時刻的實際控制量相加 ,就得到目前應(yīng)實施的 控制動作 ,即 uk = uk - 1 + Ku ·ΔU ,其模糊控制 程序框圖如圖 2 所示。
在單片機(jī)中對輸入的模糊量進(jìn)行模糊推理 ,須 將所有描述控制過程的控制規(guī)則存儲在單片機(jī)的 EPROM 中。把專家知識和現(xiàn)場經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為用語言 表達(dá)的模糊控制規(guī)則 ,即設(shè)計控制規(guī)則庫。本系統(tǒng) 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(fù) ,B、M、S 分別表示大、 中、小。
建立模糊控制規(guī)則表的基本思想 ,以偏差為 負(fù)的情況說明。當(dāng)偏差為負(fù)大時 ,若偏差變化為 負(fù) ,表明此時偏差有增大的趨勢 ,為盡快消除已有 的負(fù)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(dāng)偏差為負(fù)而偏差變化為正時 , 系統(tǒng)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(diào) ,應(yīng)取較小的控制量。故當(dāng)偏差 為負(fù)大且偏差變化為正小時 ,控制量的變化取為 正中。若偏差變化為正大或正中時 ,控制量不宜 增加 ,否則將會造成較大的超調(diào) ,出現(xiàn)正偏差 ,因 此這時的控制量變化取為 0 級。當(dāng)偏差為負(fù)中 時 ,控制量的變化應(yīng)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(fù)大時相同。 當(dāng)偏差為負(fù)小時 ,系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)。若偏差變化為 負(fù)時 ,選取控制量變化為正中 ,以抑制偏差往負(fù)方 向變化 ;若偏差變化為正 ,系統(tǒng)本身有消除負(fù)小偏 差的趨勢 ,選取控制量變化為正小即可?？梢娺x 取控制量變化的原則是 :當(dāng)偏差大或較大時 ,選擇 控制量的大小以盡快消除偏差為主 ;而當(dāng)偏差較 小時 ,選擇控制量要注意防止超調(diào) ,以使系統(tǒng)穩(wěn)定為主要出發(fā)點。
如何保證中頻爐控制系統(tǒng)的高可靠性是微機(jī)控制的 1 個重要方面。本系統(tǒng)除了采用魯棒性強(qiáng)、抗干擾能 力好的模糊控制算法外 ,還從以下 4 個方面增加了 一些抗干擾措施。 1) 采用三級穩(wěn)壓及電源干擾抑制器 ; 2) 主機(jī)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(shù)值濾波。
本控制系統(tǒng)硬件上采用了雙 CPU ,因此適當(dāng) 擴(kuò)充 I/ O 通道可實現(xiàn)更多區(qū)域的溫度控制。軟件 上采用模糊控制 ,不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型,抗 干擾能力強(qiáng)。以雙 CPU 為核心的爐溫度模糊控制 系統(tǒng)不僅控溫精度高 ,穩(wěn)定性好 ,而且降低能耗 10 %～20 %。本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于爐溫控制系 統(tǒng)中
中頻爐是工業(yè)熱處理生產(chǎn)中廣泛采用的一種設(shè) 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(tǒng)的基于 精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制 (PID 控制、Smit h 預(yù)估控 制和大林算法等) 都是基于參數(shù)模型的控制方法 ,因 而其自適應(yīng)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的要求。模糊 控制可以不需被控對象的數(shù)學(xué)模型即可實現(xiàn)較好的 控制 ,因而特別適用于那些具有純滯后、大慣性、參 數(shù)漂移大的非線性不確定復(fù)雜系統(tǒng) ,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(dá)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(jī)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(jié)約能源 ,而且功能齊全 ,操作 方便 ,可靠性高。
本系統(tǒng)是以 2 片 8051 單片機(jī)外圍接口電路構(gòu) 成的一個主從式雙工中頻電爐爐溫控系統(tǒng) ,硬件總體框圖如 圖 1 所示。
中頻電爐管理系統(tǒng)是由主 8051 與鍵盤、顯示器、打印機(jī) 及報警電路所組成。其功能是管理整個系統(tǒng)的運行 情況 ,包括各個中頻電爐爐區(qū)恒溫溫度和恒溫時間的設(shè)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(jié)省 CPU 的時間 ,鍵盤及顯示部分采用了可 編程鍵盤/ 顯示器 8279 ,打印機(jī)可任意定時及自動 打印。顯示器采用了 6 個共陰極 7 段 L ED ,為了在 不提高電源電壓的同時增強(qiáng)顯示器的亮度及穩(wěn)定 性 ,本系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示法。
中頻爐控制系統(tǒng)是由 8051 及輸入輸出通道所組成 ,其 功能是實現(xiàn)采樣通道的選擇及切換 ,各爐區(qū)溫度的 采集以及根據(jù)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(gòu)成開關(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(tǒng)采用 2 片 8051 單片機(jī)構(gòu)成主從式雙 機(jī)雙工控制系統(tǒng) 。主 、從 2 片 8051 的并行通訊 是由共用數(shù)據(jù)存儲區(qū) RAM 實現(xiàn)的 ,即主8051 將 由鍵盤輸入的命令及參數(shù)放到 RAM ,從 8051 從 RAM 區(qū)中獲取命令及參數(shù) ,完成相應(yīng)的功能 ,并 將 溫 度 和 時 間 等 狀 態(tài) 傳 送到 RAM 區(qū) , 供 8051 管理 。
中頻爐控溫系統(tǒng)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(shè)計 方法。
中頻爐溫度的模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心 ,它是一 種利用專家知識和操作者經(jīng)驗設(shè)計的專家控制系 統(tǒng) ,設(shè)計時不用數(shù)學(xué)解析模型來描述受控系統(tǒng)的 特性。在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)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。 在模糊控制過程中 ,同時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(tǒng)控制 的穩(wěn)定性 ,而且還可減少超調(diào)量和振蕩現(xiàn)象。根 據(jù)受控系統(tǒng)的實際情況 ,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(jù)當(dāng)前已求得的 E 和 EC ,直接查詢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(dāng)前的實際控制量增量Δu。再將該增量和前一采 樣時刻的實際控制量相加 ,就得到目前應(yīng)實施的 控制動作 ,即 uk = uk - 1 + Ku ·ΔU ,其模糊控制 程序框圖如圖 2 所示。
在單片機(jī)中對輸入的模糊量進(jìn)行模糊推理 ,須 將所有描述控制過程的控制規(guī)則存儲在單片機(jī)的 EPROM 中。把專家知識和現(xiàn)場經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為用語言 表達(dá)的模糊控制規(guī)則 ,即設(shè)計控制規(guī)則庫。本系統(tǒng) 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(fù) ,B、M、S 分別表示大、 中、小。
建立模糊控制規(guī)則表的基本思想 ,以偏差為 負(fù)的情況說明。當(dāng)偏差為負(fù)大時 ,若偏差變化為 負(fù) ,表明此時偏差有增大的趨勢 ,為盡快消除已有 的負(fù)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(dāng)偏差為負(fù)而偏差變化為正時 , 系統(tǒng)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(diào) ,應(yīng)取較小的控制量。故當(dāng)偏差 為負(fù)大且偏差變化為正小時 ,控制量的變化取為 正中。若偏差變化為正大或正中時 ,控制量不宜 增加 ,否則將會造成較大的超調(diào) ,出現(xiàn)正偏差 ,因 此這時的控制量變化取為 0 級。當(dāng)偏差為負(fù)中 時 ,控制量的變化應(yīng)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(fù)大時相同。 當(dāng)偏差為負(fù)小時 ,系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)。若偏差變化為 負(fù)時 ,選取控制量變化為正中 ,以抑制偏差往負(fù)方 向變化 ;若偏差變化為正 ,系統(tǒng)本身有消除負(fù)小偏 差的趨勢 ,選取控制量變化為正小即可?？梢娺x 取控制量變化的原則是 :當(dāng)偏差大或較大時 ,選擇 控制量的大小以盡快消除偏差為主 ;而當(dāng)偏差較 小時 ,選擇控制量要注意防止超調(diào) ,以使系統(tǒng)穩(wěn)定為主要出發(fā)點。
如何保證中頻爐控制系統(tǒng)的高可靠性是微機(jī)控制的 1 個重要方面。本系統(tǒng)除了采用魯棒性強(qiáng)、抗干擾能 力好的模糊控制算法外 ,還從以下 4 個方面增加了 一些抗干擾措施。 1) 采用三級穩(wěn)壓及電源干擾抑制器 ; 2) 主機(jī)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(shù)值濾波。
本控制系統(tǒng)硬件上采用了雙 CPU ,因此適當(dāng) 擴(kuò)充 I/ O 通道可實現(xiàn)更多區(qū)域的溫度控制。軟件 上采用模糊控制 ,不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型,抗 干擾能力強(qiáng)。以雙 CPU 為核心的爐溫度模糊控制 系統(tǒng)不僅控溫精度高 ,穩(wěn)定性好 ,而且降低能耗 10 %～20 %。本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于爐溫控制系 統(tǒng)中
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