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摘要：討論了利用模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)的單片機(jī)模糊爐溫控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于退火爐爐溫控制上。試驗(yàn)表明，這種控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)精度高、速度快
關(guān)鍵詞：模糊控制 單片機(jī) 退火爐 爐溫
模糊控制技術(shù)是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一種新的控制技術(shù)。模糊控制方式是一種非線性控制方式，對(duì)無(wú)法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型相當(dāng)粗糙的系統(tǒng)可以取得令人滿意的控制效果。退火爐爐溫控制是一種非線性的時(shí)變的復(fù)雜過(guò)程，爐溫控制直接影響著工件的退火質(zhì)量。本文討論了利用模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)的單片機(jī)模糊爐溫控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)比傳的PID爐溫控制系統(tǒng)精度高、速度快。
1 單片機(jī)模糊爐溫控制系統(tǒng)的工作原理
單片機(jī)模糊爐溫控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。
該系統(tǒng)的被控對(duì)象是退火爐，被控參數(shù)是爐內(nèi)溫度γT，退火爐燃實(shí)為煤氣，改變閥門的開(kāi)度便可改變退火爐內(nèi)燃燒的煤氣流量，從而改變爐內(nèi)溫度。單片機(jī)模糊爐溫控制器�？刂破鞲鶕�(jù)系統(tǒng)給定溫度和爐內(nèi)實(shí)際溫度及爐內(nèi)實(shí)際溫度的變化率，利用模糊控制算法，求出控制系統(tǒng)的控制輸出量μk（數(shù)字量），經(jīng)D/A變換器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂颇M量以控制煤氣閥門的開(kāi)度，從而改變爐溫。
2 模糊控制器的設(shè)計(jì)
考慮到退火爐爐溫具有非線性、時(shí)變等特點(diǎn)，單片機(jī)模糊爐溫控制器采用模糊控制理論，通過(guò)總結(jié)操作人員對(duì)過(guò)程的操作和控制的經(jīng)驗(yàn)，用模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成控制規(guī)則，采用極大極小合成運(yùn)算原理，從而得到一個(gè)模糊爐溫控制模型。模糊控制器的控制步驟大體分三步：精確量模糊化、模糊控制規(guī)則推理模糊、模糊判決。
2.1 確定模糊變量
模糊控制器采用目前廣泛使用的二維模糊控制器。確定模糊變量為：
A：u—爐溫溫度偏差，
B：△u—爐溫溫度偏差變化率，
C：c—煤氣閥門開(kāi)度。
2.2 精確量的模糊化取
取爐溫溫度偏差u、爐溫溫度偏差變化率△μ作為控制器的輸入信息，二者皆可用模糊語(yǔ)言變量表示為負(fù)大（NL）、負(fù)中（NM）、負(fù)�。∟S）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PL）。模糊化是對(duì)模糊控制器的輸入變量求取相應(yīng)語(yǔ)言值的隸屬度。
對(duì)于輸入變量u，其隸屬度以圖2的圖線表示；對(duì)于輸入變量△u，其隸屬度以圖3的圖線表示。經(jīng)過(guò)模糊化后，可以得到u的隸屬度為：μN(yùn)L（u）、μN(yùn)M（u）、…、μPL（u）；△u的隸屬度為：μN(yùn)L（△u）、μN(yùn)M（△u）、…、μPL（△u）。
由上面的兩個(gè)隸屬函數(shù)圖可知，對(duì)于個(gè)給定的u或△u，至多有兩個(gè)對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言值為0。
2.3 模糊控制規(guī)則推理
在單片機(jī)模糊爐溫控制系統(tǒng)中，采用If Ai and Bi Then Ci為模糊控制規(guī)則。其中，Ai為誤差模糊子集，Bi為誤差變化模糊子集，Ci為輸出量模糊子集。
模糊關(guān)系采用
模糊推理采用Ci=(Ai×Bi)oRμμμ
利用式1、式2求出模糊控制規(guī)則，模糊規(guī)則揄按照模糊規(guī)則來(lái)完成，最后形成輸出變量的隸屬度。單片機(jī)爐溫模糊控制規(guī)則如表1所示。
表1 模糊控制規(guī)則
2.4 模糊判決
根據(jù)表1所列的模糊控制規(guī)則，可以求出每一條規(guī)則的模糊關(guān)系Ri,進(jìn)而求出每一條規(guī)則的模糊關(guān)系R。對(duì)于給定的A和B的值，通過(guò)合成推理規(guī)則可求出對(duì)應(yīng)的輸出量C，再經(jīng)過(guò)模糊判決可得到實(shí)際執(zhí)行量。
為了充分利用模糊控制量向量所取得的信息，本控制器系統(tǒng)采用加權(quán)平均法將模糊控制向量轉(zhuǎn)化為精確控制向量。
取Ki=μ(Ci)，則
3 模糊控制器在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)
3.1 硬件組成
如圖1所示，模糊控制器的CPU采用AT89C51單片機(jī)，它是一種低功耗、高速的八位CMOS芯片，具有4KB可編程ROM，128字節(jié)的RAM，32條 I/O線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)中斷源等資源�？刂破骺稍趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)控制軟件的支持睛，由鍵盤操作獨(dú)立工作，也可作為下位機(jī)方式工作。
退火爐的溫度選用鎳鉻—鎳鋁熱電偶采集，其輸出信號(hào)為0～41.32mV。變送器選用電動(dòng)單元組合儀表中的mV變送器，輸出信號(hào)為0～10mA。然后再經(jīng)過(guò)電流-電壓變換電路變換為0～2V的電壓信號(hào)，送到A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于ICL7135A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為兩萬(wàn)分之一，即控制器的分辨率為0.005℃，完成滿足系統(tǒng)要求。
控制器的控制輸出量μk（數(shù)字量），經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬控制量，以控制煤氣閥門的開(kāi)度。模糊控制器采用DAC0832作為D/A轉(zhuǎn)換器件，控制電路接成8位電壓輸出型DAC，從基礎(chǔ)運(yùn)放芯片μA741的第6引腳輸出單極性模擬電壓。輸出模擬控制電壓為：
VOUT=-D·VREF/256
式中，D為單片機(jī)輸出模糊控制數(shù)字量，VREF為基準(zhǔn)電壓�？刂破鞯耐ㄐ挪捎肦S-232通信方式，通信接口由一片ICL232完成從TTL電平到RS- 232標(biāo)準(zhǔn)電平的轉(zhuǎn)換，通過(guò)RS-232接口與上位微機(jī)通信；單片機(jī)控制電路中連接了一片串行E2PROM芯片24LC02，用來(lái)存儲(chǔ)智能運(yùn)算中必需的控制過(guò)程參數(shù)；鍵盤顯示電路與單片機(jī)AT89C51的P0口和P2口連接，采用定時(shí)口斷掃描方式工作，對(duì)8位數(shù)碼管諸位掃描顯示，鍵盤用組合功能鍵完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與修改。
3.2 軟件組成
模糊控制器是在應(yīng)用程序軟件控制下完成對(duì)退火爐爐溫控制的。系統(tǒng)控制軟件主要包括：主程序、顯示子程序、A/D轉(zhuǎn)換（數(shù)據(jù)采集）子程序、溫度設(shè)定調(diào)節(jié)子程充、按鍵中斷服務(wù)子程序、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序、打印子程序、數(shù)據(jù)采集誤差修正子程序、模糊推理子程序、模糊決策子程序、函數(shù)子程序、模糊關(guān)系R表格處理子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序等組成，其程序流程框圖如圖4所示。其它子程序由于篇幅所限，在此不再詳細(xì)介紹。
