模糊控制在真空熱處理爐溫度控制中的應(yīng)用

2013-10-08 王曉燕西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院

　　真空熱處理爐中的溫度參數(shù)是一個(gè)大時(shí)滯、非線性、時(shí)變的復(fù)雜控制對(duì)象，本論文利用單片計(jì)算機(jī)為控制核心，通過模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了真空熱處理爐的溫度控制，文中給出了硬件電路構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)流程，通過該控制系統(tǒng)提高了控制精度和動(dòng)態(tài)特性，優(yōu)化了整機(jī)的性能。

引言

　　真空熱處理爐在釬接、退火、烘干等方面應(yīng)用非常廣泛，其主要的電氣控制可分為真空系統(tǒng)的控制和爐內(nèi)溫度的控制，爐內(nèi)溫度的控制對(duì)被加工工件的質(zhì)量有重要的影響，目前真空熱處理爐溫控系統(tǒng)主要采用數(shù)字PID溫控儀進(jìn)行溫度控制，該系統(tǒng)存在的問題是控溫的動(dòng)態(tài)性能不好，溫度存在超調(diào)現(xiàn)象，針對(duì)存在的問題，設(shè)計(jì)了利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的真空熱處理爐溫度的模糊控制系統(tǒng)，較好地解決了該控制系統(tǒng)存在的缺陷，提高了系統(tǒng)的控制特性。

1、系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

　　真空熱處理爐是先把加工工件放入真空室，然后將真空室抽成真空狀態(tài)，此后控制真空室內(nèi)的溫度，使溫度按給定的曲線變化，完成工件加工。

2、控制系統(tǒng)硬件電路

　　2.1、磁性調(diào)壓器

　　磁性調(diào)壓器又稱可控變壓器，是一種無機(jī)械傳動(dòng)、無觸點(diǎn)調(diào)壓器，其顯著特點(diǎn)之一就是可帶負(fù)載進(jìn)行平滑無級(jí)調(diào)壓。輸出電壓的調(diào)節(jié)是用很小的直流電流來控制較大負(fù)載功率的變化。當(dāng)控制電流由小變大時(shí)，負(fù)載上就會(huì)得到由小變大的電壓。磁性調(diào)壓器在結(jié)構(gòu)上同普通調(diào)壓器一樣故障率非常低，由于以上原因在真空爐中的加熱電源一般選擇磁性調(diào)壓器調(diào)壓方式。該系統(tǒng)中磁性調(diào)壓器選擇蘇州華群電氣設(shè)備有限公司的TSGH-100KW/380V型調(diào)壓器，輸出(6-60)V，直流控制功率1150KW，10A。

　　2.2、磁性調(diào)壓器控制回路

　　磁性調(diào)壓器的控制電流由可控整流電路提供，其控制主回路如圖1所示，通過改變晶閘管G1G2G3G4的觸發(fā)角可改變電流Id的大小，從而控制磁性調(diào)壓器的輸出電壓。由于直流控制功率

　　慮晶閘管壓降等因素，取U 150V 2 = 則整流變壓器為220V/150V，1.5KVA，晶閘管為KP20-5，參數(shù)為500V，20A。

磁性調(diào)壓器控制主回路

圖1 磁性調(diào)壓器控制主回路

　　2.3、單片機(jī)控制系統(tǒng)

　　單片機(jī)控制系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后送入單片計(jì)算機(jī)，與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較后，通過控制算法，得出控制信號(hào)，通過單片機(jī)端口送出脈沖信號(hào)，改變整流輸出電壓的大小，控制磁性調(diào)壓器的輸出電壓，改變真空室內(nèi)的溫度。單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

單片機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 單片機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

　　2.4、同步檢測(cè)電路

　　同步檢測(cè)電路由同步變壓器、電壓比較器和光電隔離器件構(gòu)成。當(dāng)電源電壓正向過零后引起單片機(jī)系統(tǒng)的中斷，在單片機(jī)的中斷處理程序中，根據(jù)模糊控制所計(jì)算出的控制量設(shè)定出不同的時(shí)間，利用定時(shí)的方法，從單片機(jī)P1.0送出晶閘管觸發(fā)信號(hào)，達(dá)到控制晶閘管觸發(fā)角的目的。

　　2.5、晶閘管觸發(fā)電路

　　晶閘管觸發(fā)電路由單片機(jī)P1.0送出的控制信號(hào)經(jīng)光電隔離、晶體管放大、脈沖變壓器變換后形成晶閘管觸發(fā)信號(hào)，控制相應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通或者截止。

3、軟件設(shè)計(jì)

　　3.1、模糊控制器的設(shè)計(jì)

　　在本控制系統(tǒng)中選用如圖3所示的二維模糊控制器，二維控制器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)變化。

溫度模糊控制系統(tǒng)方框圖

圖3 溫度模糊控制系統(tǒng)方框圖

　　有較強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)對(duì)象的非線性特性不敏感，可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少響應(yīng)的超調(diào)量。

　　3.2、模糊控制語言變量

　　模糊控制器的輸入變量為溫差e和溫差的變化率△e，其輸出變量為移相控制電路的輸入變量u。

　　3.4、模糊控制查詢表的建立

　　表2所包含的控制規(guī)則為IF E=Ai AND EC=Bj THEN U=Cij(Ai,Bj,Cij分別為誤差，誤差變化，控制量變化在各自論域上的模糊子集)�？偟哪：P(guān)系為R=R1∨R2∨…R44∨R45,誤差、誤差變化分別取Ai、Bi時(shí)的輸出控制量為U=(E×EC)R 。針對(duì)論域X,Y全部元素的組合，求取相應(yīng)的控制量變化的模糊集合，并用最大隸屬度法對(duì)此模糊集合進(jìn)行模糊判斷。在離線計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立如表2的模糊控制查詢表，把它存放到單片機(jī)中，并編制一個(gè)查找查詢表的子程序。

表2：模糊控制器查詢表

模糊控制器查詢表

　　在實(shí)際的控制過程中，在每一個(gè)控制周期，將實(shí)測(cè)到的誤差e(k)(k=0,1,2…)和計(jì)算得到的誤差變化e(k) -e(k-1)分別乘以量化因子ke、ki，取得以相應(yīng)論域元素表征的查找查詢所需的Ai,Bj后，通過查找表2的相應(yīng)行和列，立即可輸出所需的控制量變化Uij，再乘以比例因子ku，便得到加到被控對(duì)象上的實(shí)際控制量變化值。