基于模糊控制的客车烘房温控仪

卞云松 高龙琴

摘 要:针对工业控制过程中普遍存在的大惯性、纯滞后、非线性对象的控制问题,为求达到较好的调节效果,介绍一种较为实用的单片机模糊控制器。该控制器以AT89C55WDH为核心,外围采用ICL7135完成数模转换;通过光耦输出脉宽调制(PWM)信号,整流后形成标准信号,控制执行机构。样机采用全数字方式实现,具有测量精度高、控制速度快、实用性强等特点。控制程序采用一种实用的引入积分型模糊控制算法,弥补了常规模糊控制器的不足。控制参数可存储在AT93C66中,可现场调试整定参数,其应用具有普遍性。

关键词:模糊控制;单片机;温度控制;积分控制

中图分类号:TP23 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-204-03

Bus Drying Room Temperature Control Apparatus Based on Digital Fuzzy Control

BIAN Yunsong,GAO Longqin

(Mechanical Engineering Institute,Yangzhou University,Yangzhou,225009,China)

Abstract:In industrial control process,many problems as great inertial,large latency and nonlinear system.To achieve a fine control effect,a practical fuzzy controller with single chip microcomputer is introduced.The core of controller is AT89C55WDH,the peripheral are ICL7135 which is used as AD inverter,and light digital isolator which is used as output signal,after rectifying to control electric operator.It is of high precision,quick controlled speed and good practicability.It employs a practicability fuzzy algorithm with integrate control,which is offset the lack of common fuzzy algorithm.The control parameters are stored in AT93C66,which can be rectified at locale,and can be applied universally.

Keywords:fuzzy control algorithm;single chip microcomputer;temperature control;integrate control

0 引 言

目前,国内客车烘房有燃油、燃气(天然气)、电加热,以及蒸汽烘房等。烘房的温度是生产工艺的一项重要指标[1]。本课题研究的烘房类型为热风对流型烘房,热源为200 ℃的过热蒸汽,温度控制采用较为传统的PID类调节器,通过温控阀门调节蒸汽流量,控制烘房温度。由于PID类调节器具有原理简单,易于实现等优点,因而在过程控制中得到广泛的运用。始终占据过程控制的主导地位,但鲁棒性能不理想,对大滞后和强干扰的过程表现出明显的不足[2]。

模糊控制是一种无需建模、方便易懂、执行简便、开发成本低廉的非线性控制技术。由于具有这些优点,本文拟将模糊控制技术应用于客车烘房的温度控制,并做出了一些尝试。

1 温控仪原理框图

样机以AT89C55WD单片机为核心,由键盘和LED显示电路、单片机系统、控制信号隔离输出电路、热电阻、A/D转换电路等几部分组成,原理框图如图1所示。当系统工作时,通过键盘输入温度设定值,并在LED 上显示,然后单片机通过光耦控制输出脉宽调制(PWM)信号,经整流滤波形成0~10 mA电流,控制温控阀启闭,加热烘房。本机还有高、低限位输出,输出继电器触点可耐5 A电流,增强了本机的控制功能。

图1 温控仪原理框图

2 硬件电路设计

2.1 温度测量

由于目前国内客车涂装采用低温工艺,温度控制范围为100 ℃内,可使用具有较高测温精度及测温范围的热电阻PT100作测温元件。其与温度的线性关系好、稳定性好、可在200 ℃下长期使用等特点,足以满足控制要求[3]。

样机利用较为常见的ICL7135作A/D转换。热电阻信号通过三线制联接法接入直流不平衡电桥转换为电压信号,信号经差分放大器放大和滤波处理后,成为与ICL7135转换器相匹配的电平信号。详见图2信号输入电路图。

图2 信号输入电路图

ICL7135是一个较为常见的双积分型数字转换器芯片。为节约单片机I/O口,本机利用ICL7135的BUSY、POLAR脚,分别与单片机的两个I/O口相连,BUSY输出端高电平宽度等于积分与反积分时间之和,ICL7135内部规定积分固定时间为10 001个时钟脉冲,反积分时间与被测电压成正比,因此,可通过单片机一个定时器来测量BUSY脚脉宽,减去10 001个时钟脉冲后,得到与被测参数成正比的数值[4]。

本程序设计采用了数值滤波的方法,通过ICL7135多次转换后,将最大值、最小值舍弃,余值进行算术平均,保证了测量的准确。

2.2 温度控制

对加热温度的控制是采用模糊积分算法,经单片机逆模糊运算,得到输出值,通过光耦输出的PWM信号,经整流滤波形成0~10 mA的恒流信号,去控制温控阀的启闭,调节蒸汽,来实现对加热器加热,达到理想的温度控制效果。

2.3 人机接口

本机有4只触摸式按键和8位共阳显示数码管,可通过按键对各项控制参数进行调整,还可实现自动、手动操作的无扰切换。采用AT93C66的SPI总线E2PROM,可擦写100万次[5],用以保存设定温度值、报警温度、温度误差和温差变化率的量化因子,以及输出功能函数表、KI积分系数等,都可通过键盘进行调整,便于生产现场进行人工整定。

3 算法设计与实现

本系统温度控制中,散热是自然散发,所以在模糊控制中模糊表的建立应根据实际加热器散热的快慢来决定。

3.1 模糊化

设e为温度误差,即实际温度与给定温度之间的偏差。本机初始设定范围为-40～+40 ℃,划分为5个变量等级(PB,PS,O,NS,NB),ec为温度误差变化率,初始设定范围为-5～+5 ℃/min,划分为4个变量等级(PB,PS,NS,NB),本系统输入信号e,ec采用梯形隶属度函数,为获得速度上的提高,本样机把输入范围内的256个数据点存储在ROM中,供模糊运算程序查表,这样可避免进行数值计算。本机可通过按键调整温度误差、温度误差变化率的量化因子,方便进行现场整定。

3.2 模糊推理

根据操作者手动控制经验,本机采用以下形式制定规则,形如:“if A and B then C”。可得出20条模糊语句构成的控制规则。本系统采用了最大最小推理法,运算流程为:对应某个控制规则,分析条件时,把当前规则中的,e和ec两个隶属度值的大小进行比较,取小值。取小之后的值存放到名为“val”的变量中。条件检测结束后,开始估计结果,模糊控制函数通过比较“val”和当前输出的参考输出值来得出结果,取大值,作为的输出值。一旦结果分析完毕,开始一个新的规则查询。通过遍历规则基数组进行估计,当遍历完所有规则后相应的输出被保存在相应的数组中,用来解模糊[6]。

3.3 逆模糊化

对于单片机系统,考虑简化逆模糊处理的数学过程,解模糊化采用了重心法。温度输出控制为U,划分为5个变量等级(PB,PS,O,NS,NB),输出U隶属度函数采用单点法表示,每个输出隶属度函数用一个字节的单点值,存放在AT93C66中,以此作为参数,调整系统的输出[6,7]。

3.4 模糊与积分混合控制

由于以上基本模糊控制器只考虑对象的输出误差和误差变化率,相当于非线性PD调节器,加上其自身的多级继电器特性,所以它在本质上无法消除稳态余差,且易产生极限环振荡[8]。本系统加入了积分环节。

考虑本系统控制参数变化范围不大,可采用双模态分段控制算法进行控制,即当偏差大于某个阈值时用模糊控制,以提高系统阻尼性能,减小响应超调。偏差在小于某阈值时,引入积分环节。一般应在系统进入“稳态”后加入积分器[9]。

积分环节的引入,不仅要考虑引入的结构方式,还应该考虑引入的时机,因为常规积分控制作用有一个很大的缺点,就是积分作用的滞后效应。在偏差向着减小方向变化时,引入积分,对系统的动态品质不利,容易产生小范围的持续振荡和积分饱和现象,这些实质上都是由于加入的时机不恰当造成的。针对常规积分控制作用的上述缺陷及产生的根本原因,应在系统进入“稳态”后加入积分器,可以根据偏差及偏差变化趋势来改变积分器的作用,仅当在偏差向着增大方向变化时,积分起作用,抑制偏差继续增大,并可改善稳定性能[10]。模糊积分引入方式见图3,是由一常规积分器与二维模糊控制器相关联构成。

图3 模糊与积分混合控制方案

常规积分控制器输出Ui=KI∑ei和二维模糊控制器输出Uf相叠加,作为其总输出,即:Un=Ui+Uf,因引入了积分环节,本控制器可消除稳态误差,消除极限环震荡。

4 结 语

本温度控制系统结构简单,使用的主要芯片为AT89C55WD,ICL7135,AT93C66,CD4512。软件实现容易、编程量小、控制精度高、性能稳定。由于采用在系统可编程技术的单片机,该系统可在正常工作下进行调试,只需设定不同的参数,即可应用于不同的工作环境。该温控仪样机在扬州亚星客车烘房做了试验,结果表明可在一定程度上提高产品的涂装表面质量和生产效率。

参考文献

[1]邹锡金.客车烘干室简介[J].客车技术与研究,1997(1):38-39.

[2]黄小丽,吴中华.浅议模糊控制与PID控制性能对比[J].科教文汇,2008(36):281-282.

[3]Maxim Gert N Helles.PT100铂电阻变送器[J].传感器,2003(8):64-65.

[4]王存堂,陈刚,徐国芳.基于ICL7135的电子水平仪[J].仪表技术与传感器,2008(8):33-35.

[5]ATMEL AT93C66.PDF[EB/OL].http://www.atmel.com,2004.

[6]王雅生,杨毓强,符均.基于FPGA模糊控制芯片的设计[J].微计算机信息,2004,20(1):90-91.

[7]陈勇.单片机模糊控制技术[J].微电子学与计算机,1996(3):4-5.

[8]曾光奇,胡均安,王东,等.模糊控制理论及其应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2006.

[9]陈磊,谢文成,符慧林,等.基于模糊PID切换的过热蒸汽温度控制[J].长沙理工大学学报:自然科学版,2008,5(4):54-55.

[10]杨世勇.模糊与积分混合控制研究[J].自动化与仪表,2001(6):12-14.

作者简介

卞云松 男,1971年出生,从事多年锅炉、涂装等设备的热工控制系统设计、应用工作,现扬州大学机械工程学院在读工程硕士。研究方向为单片机、热工控制。