基于模糊控制的锡炉温度控制管理系统的设计

　　环控制系统。 计算机将采集到的温度与设定值相比较,得到温度 误差 e,并通过微分环节得到温度误差的变化量 ec。 并对 e 和 ec 这两组数据来进行模糊化处理,确定其隶属度,从而得到模糊推理 的输入量 E 和 EC。根据熟练工人的经验,离线制定控制量查询 表。该表以 IF-THEN 的规则形式存储于规则库中,用于在系统 运行期间模糊推理过程中进行查询。推理所得到的输出量用加 权平均判决法进行模糊判决,从而得到相应的控制参数。 对这一 控制参数进行去模糊化的处理, 从而得到用于实际控制的精确 值,并用来对控制固态继电器开合的脉冲宽度进行调节,从而作 用于被控对象(即锡炉)的温度。这一温度同时又被温度传感器 加以采集,用以进行下一个周期的温度监测与控制。 2.2 模糊控制管理系统参数设计 要进行模糊控制,就必须对输入变量进行模糊化处理,对输 出变量进行非模糊化处理。设温度误差 e、温度误差的变化量 ec 及输出控制量 U 的量化等级都为 13 级,其论域都为{-6,-5,4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},模糊语言集分为七档,记为 NB(负大)、 NM(负中)、 NS(负小)、 Z(零)、 PS(正小) 、 PM(正中)、 PB(正大)。选择 适当的输入、 输出模糊隶属度函数是设计模糊控制器的关键,从 稳定性出发, 温度误差的输入模糊集隶属度函数选用连续型高 斯型函数 。

　　2.1 模糊控制管理系统的基本思想 基于工艺过程对炉温稳定性和精确度的要求, 并考虑到系 统的性价比,因此选择二维模糊控制器。 典型的二维模糊控制器 的设计通常包括以下四个步骤: 步骤 1:模糊化,采用正态分布确定模糊变量的赋值表,将温 度误差和误差变化量的精确量转化成模糊量。 步骤 2:模糊推理,按照 IF-THEN 语言规则进行模糊推理, 求出系统全部模糊关系所对应的控制规则并置于规则库。 步骤 3:模糊判决,用最大隶属度法、 加权平均判决法等方法 得到控制参数的模糊量。 步骤 4:去模糊化,把模糊判决后的结果由模糊量转化成为 能够适用于实际控制的精确量。 将这样的模糊控制器应用于炉温控制管理系统中, 形成一个闭

　　模糊推理采用 Mamdani 法,它本质上是一种合成推理方法, 对 if A and B then C 的推理句子,Mamdani 模糊蕴含关系矩阵 R 为 ,当已知输入为 和 时,则输出 为 C=(A× B)。结合锡炉加温操作经验及温度变量的特点,此温控系统的 模糊控制规则的设计原则是:当误差较大时,控制量应当尽可能 地减小误差;当误差较小时,除了消除误差以外,还考虑到系统的 稳定性, 以避免不期望出现的超调和振荡。以温度误差为负大 (NB)为例,当误差的变化也为负(NB、 或 NS)或等于零时,控制 NM

　　量应尽快消除误差,使控制量加大,故应选择 PB 为控制量;而误 差的变化为正时,应减小控制量的变化。 因此总结出模糊控制器 的控制规则表如表 1 所示。 表 1 模糊控制规则表

　　温度控制管理系统由主程序和若干子程序组成。有温度检测子 程序、 温度模糊控制子程序、 显示子程序和按键子程序。主程序 是整个程序的核心,它主要完成温度的检测及显示、 模糊控制推 理、 按键扫描及根据其按下时间转移到相应的执行程序。主程 《现场总线 系统硬件结构图

　　根据表 1 的控制规则,按式(1)、 (2)进行模糊推理: (1) (2) 通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合, 但在模糊控制 中,必须要有一个确定的值才能驱动执行机构。 在推理得到的模 糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确 值的过程称非模糊化过程, 采用加权平均判决法具有更平滑的 输出推理控制, 即对应于输入信号微小变化其推理的最终输出 也会发生一定的变化且这种变化较平滑。 于是用式(3)所示的加权平均判决法,对每个模糊子集 R 进 行清晰化,得出对应于每组 E、 的 U,并对计算值进行圆整优 EC 化,从而得出模糊控制表如表 2 所示。 (3) 表 2 模糊控制表

　　锡炉温度控制管理系统是以 STC89C52 单片机为核心, 采用模 糊控制的方法,使锡炉的温度得到较为理想的控制。 本系统所要控制的锡炉加热功率 680W,温度范围为常温~ 400℃,溶锡量为 8kg,使用电压范围 0~220V(AC),温度设定值在 250℃以下的控制精度达到±1℃, 温度设定值在 250℃以上的控 制精度达到±2℃。系统硬件结构图如图 1 所示。

　　整个系统由 4 部分所组成,即由铂热敏电阻、 放大器和 V/F 电 压频率转换器构成的温度检测通道;显示模块;设置温度设定值 和内部功能参数的按键模块; 由固态继电器构成的输出控制通 道。 当系统工作时,通过按键输入温度设定值,并在 LED 上显示, 铂热敏电阻把温度转换成电压信号, 通过 V/F 转换器把电压信 号转换为一定频率的方波信号,然后利用单片机的两个 16 位定 时/计数器进行数据处理,单片机计算出相应的温度后送由 LED 显示,同时与系统的温度设定值作比较,按照模糊控制算法进 行运算, 通过输出 PWM 信号去控制固态继电器的导通时间,从 而控制锡炉的平均输入功率,实现锡炉温度的控制。 3.1 温度检测通道 该 系 统 选 用 的 是 铂 热 敏 电 阻 ,V/F 电 压 频 率 转 换 器 由 通过热敏电阻把温度信号转换成电压信号输 VFC32 芯片构成。 入到 VIN 端,经过 V/F 转换器处理后输出一定频率的方波信号。 其输出电压频率转换公式如下: , 通过此公 式计算出热敏电阻在不一样的温度时的电压值对应的频率值。计算 出一定的对应值,得到对应表。 3.2 显示模块 此系统采用 8 位 LED 数码管来显示温度, 上排和下排各 4 个,在系统正常工作模式下,上排 LED 显示实际测量温度值,下 排 LED 显示温度设定值。 由于静态显示方式需要的元器件较多,体积大、 功耗大、 成 本高, 因此采用动态扫描方式。动态扫描方式显示图像的关键 是,解决发光亮度和图像显示的稳定性问题。 由于人眼的视觉暂 留效应,一个发光管在 1 秒内闪烁至少 24 次,人眼就感觉不到 它在闪烁, 因此要得到稳定的显示图像, 要求扫描周期小于 40 毫秒。 3.3 按键模块 为实现温度设定值和内部功能参数的设置, 本系统用三 个直接和控制器 I/O 口连接的按键来实现, 分别代表功能键 加 (SET 键)、 1 键(UP 键)和减 1 键(DOWN 键)。 功能键以其按下的时间长短来区分各种功能, 当功能键被 按下的时间为 0.5 秒时,系统进入修改设定值模式,上排 LED 显 示实际测量温度值,下排 LED 闪烁显示温度设定值,按加 1 或减 1 键修改下排温度设定值,修改后再按功能键 0.5 秒,系统返回 正常工作模式;当功能键被按下的时间为 5 秒时,系统进入修改 内部功能参数模式,上排 LED 显示内部功能参数,例如 T(模糊 控制周期),下排 LED 显示此参数值,按加 1 或减 1 键修改下排 参数值,此时按功能键 0.5 秒可以切换各内部功能参数,设定完 最后一个内部功能参数后, 再按功能键 5 秒或 1 分钟以上不按 任何键,系统便返回到正常工作模式。 上述修改后的值都会存储 到 EEPROM 中,单片机重新上电复位时,系统会使用最后修改的 温度设定值和内部功能参数。 3.4 输出通道 执行器件采用过零型固态继电器,它可以与 TTL 电平直接 联结,省去了 D/A 转换器,仅用一个 I/O 口,通过软件支持,输出 能改变占空比的 PWM 波信号, 就能改变固态继电器在一个 模糊控制周期内的通断时间,进而达到调节温度的目的。

　　在工业生产和实验研究中, 温度常常是表征对象和过程状 态的最重要的参数之一。本文主要是采用测温范围宽、 精度高的 铂热敏电阻进行温度系统的测量和控制。 温度控制管理系统具有非 线性、 时滞以及不确定性。单纯依靠传统的控制方式或现代控 制方式都很难达到高质量的控制效果。 而智能控制中的模糊控 制通过从实践的经验中总结的控制规则,对温度来控制,可能 有效地解决温度控制管理系统的非线性、 时滞以及不确定性。

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