基于模糊控制的客車烘房溫控儀

0 引 言
    目前，國(guó)內(nèi)客車烘房有燃油、燃?xì)?天然氣)、電加熱，以及蒸汽烘房等。烘房的溫度是生產(chǎn)工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本課題研究的烘房類型為熱風(fēng)對(duì)流型烘房，熱源為200℃的過熱蒸汽，溫度控制采用較為傳統(tǒng)的PID類調(diào)節(jié)器，通過溫控閥門調(diào)節(jié)蒸汽流量，控制烘房溫度。由于PID類調(diào)節(jié)器具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因而在過程控制中得到廣泛的運(yùn)用。始終占據(jù)過程控制的主導(dǎo)地位，但魯棒性能不理想，對(duì)大滯后和強(qiáng)干擾的過程表現(xiàn)出明顯的不足。模糊控制是一種無需建模、方便易懂、執(zhí)行簡(jiǎn)便、開發(fā)成本低廉的非線性控制技術(shù)。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，本文擬將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于客車烘房的溫度控制，并做出了一些嘗試。

1 溫控儀原理框圖
    樣機(jī)以AT89C55WD單片機(jī)為核心，由鍵盤和LED顯示電路、單片機(jī)系統(tǒng)、控制信號(hào)隔離輸出電路、熱電阻、A／D轉(zhuǎn)換電路等幾部分組成，原理框圖如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，通過鍵盤輸入溫度設(shè)定值，并在LED上顯示，然后單片機(jī)通過光耦控制輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，經(jīng)整流濾波形成0～10 mA電流，控制溫控閥啟閉，加熱烘房。本機(jī)還有高、低限位輸出，輸出繼電器觸點(diǎn)可耐5 A電流，增強(qiáng)了本機(jī)的控制功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 溫度測(cè)量
    由于目前國(guó)內(nèi)客車涂裝采用低溫工藝，溫度控制范圍為100℃內(nèi)，可使用具有較高測(cè)溫精度及測(cè)溫范圍的熱電阻PT100作測(cè)溫元件。其與溫度的線性關(guān)系好、穩(wěn)定性好、可在200℃下長(zhǎng)期使用等特點(diǎn)，足以滿足控制要求。

    樣機(jī)利用較為常見的ICL7135作A／D轉(zhuǎn)換。熱電阻信號(hào)通過三線制聯(lián)接法接入直流不平衡電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，信號(hào)經(jīng)差分放大器放大和濾波處理后，成為與ICL7135轉(zhuǎn)換器相匹配的電平信號(hào)。詳見圖2信號(hào)輸入電路圖。

    ICL7135是一個(gè)較為常見的雙積分型數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片。為節(jié)約單片機(jī)I／O口，本機(jī)利用ICL7135的BUSY、POLAR腳，分別與單片機(jī)的兩個(gè)I／O口相連，BUSY輸出端高電平寬度等于積分與反積分時(shí)間之和，ICL7135內(nèi)部規(guī)定積分固定時(shí)間為10 001個(gè)時(shí)鐘脈沖，反積分時(shí)間與被測(cè)電壓成正比，因此，可通過單片機(jī)一個(gè)定時(shí)器來測(cè)量BUSY腳脈寬，減去10 001個(gè)時(shí)鐘脈沖后，得到與被測(cè)參數(shù)成正比的數(shù)值。
    本程序設(shè)計(jì)采用了數(shù)值濾波的方法，通過ICL7135多次轉(zhuǎn)換后，將最大值、最小值舍棄，余值進(jìn)行算術(shù)平均，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確。
2．2 溫度控制
    對(duì)加熱溫度的控制是采用模糊積分算法，經(jīng)單片機(jī)逆模糊運(yùn)算，得到輸出值，通過光耦輸出的PWM信號(hào)，經(jīng)整流濾波形成0～10 mA的恒流信號(hào)，去控制溫控閥的啟閉，調(diào)節(jié)蒸汽，來實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器加熱，達(dá)到理想的溫度控制效果。
2．3 人機(jī)接口
    本機(jī)有4只觸摸式按鍵和8位共陽(yáng)顯示數(shù)碼管，可通過按鍵對(duì)各項(xiàng)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)操作的無擾切換。采用AT93C66的SPI總線E2PROM，可擦寫100萬(wàn)次，用以保存設(shè)定溫度值、報(bào)警溫度、溫度誤差和溫差變化率的量化因子，以及輸出功能函數(shù)表、KI積分系數(shù)等，都可通過鍵盤進(jìn)行調(diào)整，便于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)講行人工整定。

3 算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)溫度控制中，散熱是自然散發(fā)，所以在模糊控制中模糊表的建立應(yīng)根據(jù)實(shí)際加熱器散熱的快慢來決定。
3．1 模糊化
    設(shè)e為溫度誤差，即實(shí)際溫度與給定溫度之間的偏差。本機(jī)初始設(shè)定范圍為-40～+40℃，劃分為5個(gè)變量等級(jí)(PB，PS，O，NS，NB)，ec為溫度誤差變化率，初始設(shè)定范圍為-5～+5℃／min，劃分為4個(gè)變量等級(jí)(PB，PS，NS，NB)，本系統(tǒng)輸入信號(hào)e，ec采用梯形隸屬度函數(shù)，為獲得速度上的提高，本樣機(jī)把輸入范圍內(nèi)的256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)在ROM中，供模糊運(yùn)算程序查表，這樣可避免進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。本機(jī)可通過按鍵調(diào)整溫度誤差、溫度誤差變化率的量化因子，方便進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定。
3．2 模糊推理
    根據(jù)操作者手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)，本機(jī)采用以下形式制定規(guī)則，形如：“if A and B then C”?？傻贸?0條模糊語(yǔ)句構(gòu)成的控制規(guī)則。本系統(tǒng)采用了最大最小推理法，運(yùn)算流程為：對(duì)應(yīng)某個(gè)控制規(guī)則，分析條件時(shí)，把當(dāng)前規(guī)則中的，e和ec兩個(gè)隸屬度值的大小進(jìn)行比較，取小值。取小之后的值存放到名為“val”的變量中。條件檢測(cè)結(jié)束后，開始估計(jì)結(jié)果，模糊控制函數(shù)通過比較“val”和當(dāng)前輸出的參考輸出值來得出結(jié)果，取大值，作為的輸出值。一旦結(jié)果分析完畢，開始一個(gè)新的規(guī)則查詢。通過遍歷規(guī)則基數(shù)組進(jìn)行估計(jì)，當(dāng)遍歷完所有規(guī)則后相應(yīng)的輸出被保存在相應(yīng)的數(shù)組中，用來解模糊。
3．3 逆模糊化
    對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)，考慮簡(jiǎn)化逆模糊處理的數(shù)學(xué)過程，解模糊化采用了重心法。溫度輸出控制為U，劃分為5個(gè)變量等級(jí)(PB，PS，O，NS，NB)，輸出U隸屬度函數(shù)采用單點(diǎn)法表示，每個(gè)輸出隸屬度函數(shù)用一個(gè)字節(jié)的單點(diǎn)值，存放在AT93C66中，以此作為參數(shù)，調(diào)整系統(tǒng)的輸出。
3．4 模糊與積分混合控制
    由于以上基本模糊控制器只考慮對(duì)象的輸出誤差和誤差變化率，相當(dāng)于非線性PD調(diào)節(jié)器，加上其自身的多級(jí)繼電器特性，所以它在本質(zhì)上無法消除穩(wěn)態(tài)余差，且易產(chǎn)生極限環(huán)振蕩。本系統(tǒng)加入了積分環(huán)節(jié)。
    考慮本系統(tǒng)控制參數(shù)變化范圍不大，可采用雙模態(tài)分段控制算法進(jìn)行控制，即當(dāng)偏差大于某個(gè)閾值時(shí)用模糊控制，以提高系統(tǒng)阻尼性能，減小響應(yīng)超調(diào)。偏差在小于某閾值時(shí)，引入積分環(huán)節(jié)。一般應(yīng)在系統(tǒng)進(jìn)入“穩(wěn)態(tài)”后加入積分器。
    積分環(huán)節(jié)的引入，不僅要考慮引入的結(jié)構(gòu)方式，還應(yīng)該考慮引入的時(shí)機(jī)，因?yàn)槌Ｒ?guī)積分控制作用有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是積分作用的滯后效應(yīng)。在偏差向著減小方向變化時(shí)，引入積分，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不利，容易產(chǎn)生小范圍的持續(xù)振蕩和積分飽和現(xiàn)象，這些實(shí)質(zhì)上都是由于加入的時(shí)機(jī)不恰當(dāng)造成的。針對(duì)常規(guī)積分控制作用的上述缺陷及產(chǎn)生的根本原因，應(yīng)在系統(tǒng)進(jìn)入“穩(wěn)態(tài)”后加入積分器，可以根據(jù)偏差及偏差變化趨勢(shì)來改變積分器的作用，僅當(dāng)在偏差向著增大方向變化時(shí)，積分起作用，抑制偏差繼續(xù)增大，并可改善穩(wěn)定性能。模糊積分引入方式見圖3，是由一常規(guī)積分器與二維模糊控制器相關(guān)聯(lián)構(gòu)成。

    常規(guī)積分控制器輸出Ui=KI∑ei和二維模糊控制器輸出Uf相疊加，作為其總輸出，即：Un=Ui+Uf，因引入了積分環(huán)節(jié)，本控制器可消除穩(wěn)態(tài)誤差，消除極限環(huán)震蕩。

4 結(jié) 語(yǔ)
    本溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用的主要芯片為AT89C55WD，ICL7135，AT93C66，CD4512。軟件實(shí)現(xiàn)容易、編程量小、控制精度高、性能穩(wěn)定。由于采用在系統(tǒng)可編程技術(shù)的單片機(jī)，該系統(tǒng)可在正常工作下進(jìn)行調(diào)試，只需設(shè)定不同的參數(shù)，即可應(yīng)用于不同的工作環(huán)境。該溫控儀樣機(jī)在揚(yáng)州亞星客車烘房做了試驗(yàn)，結(jié)果表明可在一定程度上提高產(chǎn)品的涂裝表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。