基于PIC16F877單片機的加熱爐模糊控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

王紅兵

〓〓1. 引言

〓〓PIC16F877是由Microchip公司所生產(chǎn)開發(fā)的新產(chǎn)品，屬于PICmicro系列單片微機，具有Flash program程序內(nèi)存功能，可以重復(fù)燒錄程序，適合教學(xué)、開發(fā)新產(chǎn)品等用途；而其內(nèi)建ICD(In Circuit Debug)功能，可以讓使用者直接在單片機電路或產(chǎn)品上，進行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器內(nèi)容等，讓使用者能快速地進行程序除錯與開發(fā)。

〓〓模糊控制可以被認(rèn)為是在總結(jié)采用人類自然語言概念操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上升華而發(fā)展起來的模仿人類智能的一類控制方法，即Fuzzy控制。這類控制的核心是Fuzzy控制器，其作用是將控制誤差等精確量模糊數(shù)學(xué)化為模糊量，然后根據(jù)基于語言控制規(guī)則或操作經(jīng)驗提取的模糊控制規(guī)則推理得到控制作用的模糊量，最后采用一定的清晰化（去模糊）算法將模糊控制量換算為精確控制量輸入給執(zhí)行機構(gòu)，從而完成系統(tǒng)的Fuzzy控制調(diào)節(jié)過程。這個過程實質(zhì)上包含了精確數(shù)字與模糊數(shù)學(xué)集合的變換，語言變量的推理，即模糊邏輯推理過程。

〓〓模糊控制是智能控制的分支之一，它具有以下特點：它是一種非線性控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合于非線性系統(tǒng)的控制；它不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型，對無法建模或很難建模的復(fù)雜對象，可以利用人的經(jīng)驗知識來設(shè)計模糊控制器，從而完成控制任務(wù)，而傳統(tǒng)的控制方法都要已知被控對象的數(shù)學(xué)模型才能設(shè)計控制器；它具有內(nèi)在的并行處理機制，表現(xiàn)出極強的魯棒性，對被控對象的特性變化不敏感，模糊控制器的設(shè)計參數(shù)容易選擇調(diào)整；算法簡單、執(zhí)行快、容易實現(xiàn)，不需要很多的控制理論知識。

〓〓加熱爐在冶金、化工等工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛地使用，加熱爐的溫度是生產(chǎn)工藝的一項重要指標(biāo)，溫度控制的好壞將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。熱處理加熱爐是一種改善金屬材料及其制品(如機器零件、工具等)性能的工藝。根據(jù)不同的目的，將材料及其制品加熱到適宜的溫度、保溫，隨后用不同方法冷卻，改變其內(nèi)部組織以獲得所要求的性能。熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段之一。

〓〓熱處理加熱爐具有大慣性、純滯后等非線性以及時變的特點，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過程，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制例如PID控制難以保證加熱工藝曲線要求。作為非線性控制的一大分支，模糊控制在上述溫度控制系統(tǒng)中可以得到較好的應(yīng)用，本文介紹的即為基于PIC16F877單片機的加熱爐模糊控制系統(tǒng)。

〓〓2. 模糊控制器的設(shè)計

〓〓本控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、溫度顯示、爐溫控制、故障檢測以及報警等功能，智能模糊控制器由單片機完成，采用規(guī)則自尋優(yōu)的控制算法進行過程控制。加熱爐采用雙向可控硅控制，由單片機輸出通斷率控制信號，產(chǎn)生可控硅的過零觸發(fā)脈沖。

〓〓整個系統(tǒng)的核心是模糊控制器，PIC16F877單片機是控制器的主體。它與若干擴展電路(程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、地址鎖存器、地址譯碼器等)構(gòu)成處理器模塊。測溫?zé)犭娕驾敵龅膍V信號經(jīng)變送器芯片轉(zhuǎn)換成0～10V的標(biāo)準(zhǔn)信號，再將此信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后進入單片機，單片機根據(jù)輸入的各種命令，通過模糊控制算法計算控制量，輸出脈沖觸發(fā)信號，通過過零觸發(fā)電路驅(qū)動雙向可控硅，從而控制熱處理加熱爐。此外,智能控制器還包括硬件看門狗電路、故障檢測電路、數(shù)碼顯示電路以及電源等。

〓〓模糊控制器的主程序包括初始化、鍵盤管理及控制模塊和顯示模塊的調(diào)用。溫度信號的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、控制算法以及溫度顯示等功能的實現(xiàn)由各子程序完成。軟件的主要流程是：利用PIC16F877單片機的定時器T0和軟件計數(shù)產(chǎn)生采樣周期，周期到，程序則轉(zhuǎn)入控制模塊，調(diào)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波及標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊得到爐溫的反饋信號，根據(jù)偏差和偏差的變化率計算控制量，輸出脈沖信號控制過零觸發(fā)器。啟動、停止以及給定值通過鍵盤利用外部中斷產(chǎn)生，有按鍵輸入時則調(diào)用中斷服務(wù)程序。

〓〓3. 模糊控制算法的研究

〓〓模糊控制算法，是對手動操作者的手動控制策略、經(jīng)驗的總結(jié)。模糊控制算法有多種實現(xiàn)形式，采用應(yīng)用最早、最廣泛的查表法，可大大提高模糊控制的時效性，節(jié)省內(nèi)存空間。

〓〓本系統(tǒng)的對象熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，用基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱工藝曲線要求。為此，選用模糊控制算法中的規(guī)則自尋優(yōu)算法。算法的基本原理采用解析表達式描述的控制規(guī)則，它簡單方便，易于處理。二維控制規(guī)則自尋優(yōu)算法可以用解析表達式概括：

〓〓U=-[αE+(1-α)C]（1）

〓〓其中：E、C、U為經(jīng)過量化和模糊化的模糊變量，相應(yīng)的論域分別為誤差、誤差變化率及控制量。α為調(diào)整因子。由式(1)描述的控制規(guī)則可看出，控制作用取決于誤差及誤差變化率，且通過調(diào)整α的大小，可以改變對誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度，α值一旦確定,在整個控制過程中就不再改變。但在實際系統(tǒng)中，系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下，對控制規(guī)則中誤差E與誤差C的加權(quán)程度有不同的要求。如誤差較大時,控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差,此時對誤差的加權(quán)應(yīng)該大些；當(dāng)誤差小時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小超調(diào)，此時要求在控制規(guī)則中誤差變化率的加權(quán)大些。為了得到好的控制性能，就要求α值在控制過程中可調(diào)整，即控制規(guī)則可在控制過程中在線修正。采用優(yōu)化設(shè)計方法對α進行在線修正，如式（2）所示：

〓〓α(k+1)=α(k)+0.618[1-α(k)]|E|≥3

〓〓0.618α(k) |E|<3 （2）

〓〓4. 性能分析

〓〓本系統(tǒng)在仿真運行后，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作方便，各項指標(biāo)都達到了設(shè)計要求。

〓〓5. 結(jié)束語

〓〓本文系統(tǒng)介紹了用單片機實現(xiàn)的熱處理加熱爐溫度控制系統(tǒng)，由于控制對象是一種具有純滯后的大慣性環(huán)節(jié)，采用智能模糊控制器可以達到理想的控制效果。經(jīng)實驗運行結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有以下特點：

〓〓（1）控制方案合理，穩(wěn)態(tài)精度高，超調(diào)小。

〓〓（2）結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便、抗干擾性強、魯棒性好。

責(zé)任編輯〓潘孟良