基于模糊控制的模溫機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

濮 輝，曾 碧，葉雄杰

(廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院 智能工程與軟計(jì)算研究所，廣東 廣州 510006)

在注塑工業(yè)中，注塑機(jī)配備了專(zhuān)用的模具溫度控制系統(tǒng)，一般稱(chēng)為模溫機(jī)，用來(lái)加熱或冷卻模具并保持它的工作溫度，保證注塑件品質(zhì)穩(wěn)定并優(yōu)化加工時(shí)間。模溫機(jī)由電器部分及流體輸送部分構(gòu)成，前者包括控制器、開(kāi)關(guān)/安全元件、溫度傳感器等，后者包括加熱器、冷卻器、主泵、安全元件等。其中，控制器作為模溫機(jī)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)安排模溫機(jī)的整個(gè)工作流程，并關(guān)系到其工作性能的好壞。因此，設(shè)計(jì)一套性能優(yōu)越、功能齊全、操作簡(jiǎn)便的控制系統(tǒng)，是模溫機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的核心和關(guān)鍵所在。

傳統(tǒng)模溫機(jī)的溫度控制模塊大多采用PID控制算法，雖然精度高且穩(wěn)定性好，但當(dāng)起始溫度與目標(biāo)溫度相差較大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。另外，PID參數(shù)的調(diào)整也比較困難，這將大大降低系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。鑒于此，本文著重從模糊控制的角度設(shè)計(jì)模溫機(jī)控制器的溫度控制模塊。問(wèn)題是由于模溫機(jī)可能需要替換不同功率的加熱器，而且各種注塑原料其熱學(xué)物理特性也存在差異，基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的模糊控制方法將不能很好地適應(yīng)這種控溫環(huán)境的變化。這使得在一種控溫環(huán)境下正常工作的模糊控制策略可能會(huì)在另一種控溫環(huán)境中導(dǎo)致超調(diào)的不良現(xiàn)象。對(duì)此，本文通過(guò)引入升溫速率因子，提出一種有效抑制超調(diào)的模糊控制方法，使系統(tǒng)在一定程度上能夠適應(yīng)控溫環(huán)境的變化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

綜合考慮產(chǎn)品成本、系統(tǒng)性能等因素，模溫機(jī)控制器選用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC10F12XE作為微控制器。STC10F12XE屬于STC11/10xx系列單片機(jī)，工作在單機(jī)器周期下，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，速度卻快了8～12倍，有效保證了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性，并具有低功耗和超強(qiáng)抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)芯片內(nèi)部還集成了12KB的Flash程序存儲(chǔ)器、512 KB的SRAM以及1 KB的EEPROM，足以存放實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法的程序代碼以及系統(tǒng)運(yùn)行所需的相關(guān)參數(shù)，完全能夠勝任本系統(tǒng)工業(yè)智能控制的應(yīng)用場(chǎng)合。圍繞STC10F12XE設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，模溫機(jī)控制器主要由以下幾個(gè)部分組成：電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、顯示電路、溫度采集電路、按鍵檢測(cè)電路、相位檢測(cè)電路等，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

為增強(qiáng)系統(tǒng)在工業(yè)控制場(chǎng)合的抗干擾性，在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)將控制器分成主板和控制板兩部分。主板主要包含以處理數(shù)字信號(hào)為主的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、數(shù)碼管、指示燈顯示電路及按鍵檢測(cè)電路?？刂瓢鍎t包括處理模擬信號(hào)為主的電源電路、相序檢測(cè)電路、溫度采集電路以及繼電器開(kāi)關(guān)電路等。由控制板的電源電路產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立電源，分別為兩塊板的相關(guān)電路模塊供電。由主板單片機(jī)向控制板發(fā)出的控制信號(hào)以及從控制板反饋回單片機(jī)的信號(hào)均通過(guò)光耦隔開(kāi)，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 溫度控制及相關(guān)模塊設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集模塊

本文采用外接A/D轉(zhuǎn)換芯片的方法實(shí)現(xiàn)模溫機(jī)控制器的溫度采集模塊，選用的芯片是德州儀器生產(chǎn)的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1549。該芯片可通過(guò)單片機(jī)串行控制，并以串行方式輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，只需占用單片機(jī)3個(gè)并行I/O引腳，最大誤差為±1 LSB，配合K型感溫線和信號(hào)放大電路就能夠很好地完成溫度采集。

按照TLC1549的工作時(shí)序要求，在STC10F12XE定時(shí)器T0的中斷控制下，取時(shí)序電平脈寬為1 ms，即可平均每25 ms讀取一次采樣數(shù)據(jù)量，從而每200 ms可連續(xù)采樣8次，最終對(duì)8次采樣值按算術(shù)平均值濾波后求得有效采樣值，而系統(tǒng)溫度控制周期為 6 s，因此5次/s的采樣速率可以滿(mǎn)足系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性要求。本文采用線性插值的方法將采樣數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值，具體做法為在存儲(chǔ)器中存放一張查找表，記錄了在 30℃～250℃的控溫范圍內(nèi)每隔5℃取一個(gè)溫度值所對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)量。這樣通過(guò)查表和簡(jiǎn)單的線性計(jì)算公式即可由采樣數(shù)據(jù)量求得對(duì)應(yīng)溫度值：

其中，Q為采樣數(shù)字量，TP為溫度值，qform為查找表，qform[i-1]＜Q＜qform[i]。

2.2 解析式法模糊控制的性能分析

在模溫機(jī)的控溫應(yīng)用場(chǎng)合中，環(huán)境噪聲較大，而且由于注塑原料物理特性的差異，以及模具容積與所要求的加熱器功率的不同，無(wú)法為受控對(duì)象定義統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型?？梢?jiàn)，PID控制方法用于模溫機(jī)的溫度控制存在較大的局限性。模糊控制具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢岳萌祟?lèi)的專(zhuān)家控制經(jīng)驗(yàn)來(lái)彌補(bǔ)受控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性中的非線性和不確定性，不依賴(lài)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的魯棒性[1]。為簡(jiǎn)化推理過(guò)程，模糊控制領(lǐng)域有學(xué)者提出拋開(kāi)控制表，引用簡(jiǎn)單解析式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則，如式(2)[2]所示：

其中，E為偏差，Ec為偏差變化率，U為控制量，a為權(quán)重因子。

實(shí)質(zhì)上，上式通過(guò)權(quán)系數(shù)a唯一決定了E與Ec的權(quán)重，因此可通過(guò)調(diào)整權(quán)系數(shù)a來(lái)調(diào)整控制規(guī)則，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的受控對(duì)象。為此，不少學(xué)者設(shè)計(jì)了權(quán)系數(shù)a的各種調(diào)整方法，其指導(dǎo)思想主要是根據(jù)特定受控對(duì)象在控制過(guò)程中的變化規(guī)律來(lái)定義權(quán)系數(shù)a與偏差E、偏差變化率Ec、偏差積分Ed的函數(shù)關(guān)系：

其中，有人對(duì)偏差E的變化范圍進(jìn)行劃分，分段指定權(quán)系數(shù)。而另一種較為典型的方法則是采用優(yōu)選法對(duì)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行在線修正，穩(wěn)態(tài)誤差小且控制效果較優(yōu)，所定義的解析式[3]如下：

這類(lèi)權(quán)系數(shù)調(diào)整方法側(cè)重于從微觀上捕捉受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)既定的受控對(duì)象有良好的控制效果。但無(wú)論是分段指定權(quán)系數(shù)還是在指定權(quán)系數(shù)初值后采用優(yōu)選法在線修正權(quán)系數(shù)，權(quán)系數(shù)的變化規(guī)律都是一定的。因此，當(dāng)受控對(duì)象變更時(shí)，其動(dòng)態(tài)特性必然有所變化，若只按某種特定規(guī)律選取權(quán)系數(shù)來(lái)跟蹤其動(dòng)態(tài)特性，將存在一定的局限性。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，按照上述優(yōu)選法解析式實(shí)現(xiàn)溫度模糊控制算法，并通過(guò)在模溫機(jī)控制器上外接功率分別為500 W和1 000 W的熔錫爐模擬模溫機(jī)加熱器對(duì)700 g錫進(jìn)行加熱控溫實(shí)驗(yàn)，初始溫度為室溫(20℃)，當(dāng)目標(biāo)溫度設(shè)置在120℃時(shí)，500 W錫爐的超調(diào)量為11℃，而1 000 W錫爐的超調(diào)量則達(dá)到了20℃。對(duì)于注塑機(jī)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，過(guò)高的超調(diào)量會(huì)對(duì)注塑件的品質(zhì)產(chǎn)生不良影響。

本文所述控制器通過(guò)在每個(gè)控制周期計(jì)算繼電器的閉合時(shí)間作為模糊控制的輸出量，考慮到繼電器的使用壽命，控制周期不能過(guò)短，本文中設(shè)為6 s。而優(yōu)選法權(quán)系數(shù)調(diào)整周期大致與系統(tǒng)控制周期一致，當(dāng)受控對(duì)象升溫速率較快(如 2～3℃/s)時(shí)，權(quán)系數(shù)的調(diào)整將明顯滯后。另一方面，由于論域過(guò)大會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度，因此在模糊控制中往往選擇大小合適的論域。這就意味著溫控系統(tǒng)必須在偏差值落入某個(gè)較小論域后才開(kāi)始模糊控制，此前加熱器將一直持續(xù)工作，而在這個(gè)階段系統(tǒng)并未對(duì)受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有效跟蹤，且初始溫度偏差越大，則此未受控階段越長(zhǎng)。因此，系統(tǒng)是在對(duì)受控對(duì)象變化趨勢(shì)一無(wú)所知的情況下進(jìn)入模糊控制階段的，這種滯后性很有可能導(dǎo)致模糊控制的失效并引起大幅度的超調(diào)。綜上所述，系統(tǒng)的滯后性是引起超調(diào)的重要原因，有必要在模糊控制算法中引入能夠全程調(diào)控受控對(duì)象的控制機(jī)制。

2.3 帶升溫速率因子的分層模糊控制方法

在傳統(tǒng)模糊控制中，盡管系統(tǒng)進(jìn)入模糊控制階段前的未受控階段較長(zhǎng)，但該階段未受控并不意味著不可控。為克服由此而直接引發(fā)的系統(tǒng)滯后性，本文通過(guò)引入分層模糊控制模型來(lái)延伸系統(tǒng)控制的覆蓋面，以消除未受控階段，該模型如圖2所示。其中升溫速率因子是一個(gè)模糊變量，用以描述受控對(duì)象的瞬時(shí)狀態(tài)。整個(gè)控溫過(guò)程可以分為兩個(gè)層次，系統(tǒng)控制上層利用升溫速率因子跟蹤受控對(duì)象升溫變化趨勢(shì)，并據(jù)此從模糊控制策略庫(kù)中提取控制策略；系統(tǒng)下層則根據(jù)所選控制策略實(shí)施控制子過(guò)程，完成后再回到系統(tǒng)控制上層繼續(xù)檢測(cè)升溫速率因子。如此循環(huán)往復(fù)，從宏觀和微觀上對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行全面調(diào)控。

圖2 分層模糊控制模型

升溫速率因子按溫度上升一定數(shù)值所經(jīng)歷的時(shí)間來(lái)定義模糊隸屬度speed。在定時(shí)器中斷處理例程中，speed計(jì)算過(guò)程如下列偽代碼所示：

本文取ΔT=2(℃)、T1=3(s)、T2=5(s)，T3=8(s)， 所得的speed越小則表示升溫速率越快，反之則越慢。由此，系統(tǒng)就能自始至終跟蹤受控對(duì)象的變化趨勢(shì)，而不再局限于某類(lèi)受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，且具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性?；谏鲜龇謱涌刂颇Ｐ停到y(tǒng)借助升溫速率因子在較大偏差范圍內(nèi)對(duì)受控對(duì)象實(shí)施全程控制，具體流程如圖3所示。

圖3 帶升溫速率因子的溫度控制流程圖

設(shè)定目標(biāo)溫度TP后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算升溫速率因子的模糊隸屬度，跟蹤升溫趨勢(shì)。當(dāng)溫度偏差e進(jìn)入一個(gè)較大閾值Emax(如60℃)范圍內(nèi)后，系統(tǒng)根據(jù) speed選擇控制策略。

(1)當(dāng) speed=1時(shí)，則認(rèn)為升溫速率正?；蚱?，加熱器可持續(xù)工作。

(2)當(dāng) speed=0時(shí)，則認(rèn)為升溫速率過(guò)快，可使加熱器隨機(jī)停止工作1或2個(gè)控制周期以緩沖升溫速率。

(3)當(dāng) speed=0.5時(shí)，則認(rèn)為升溫速率較快，若當(dāng)前溫度偏差e并未落入模糊控制論域Emin中，則可通過(guò)令TP0=當(dāng)前溫度+Emin，系統(tǒng)以TP0為子目標(biāo)進(jìn)行模糊控制，并按子目標(biāo)計(jì)算偏差e0。通過(guò)比較e0與閾值E0，當(dāng)溫度上升至靠近子目標(biāo)TP0時(shí)，則根據(jù)speed重新選擇宏觀控制策略。

(4)一旦偏差e落入模糊控制論域Emin中，則以TP為目標(biāo)進(jìn)入最后的模糊控制階段。

按照上述控制規(guī)則，系統(tǒng)結(jié)合升溫速率因子選擇控制策略，從較大的偏差開(kāi)始，在整個(gè)控制過(guò)程中將伴隨若干以TP0為子目標(biāo)的階段性模糊控制過(guò)程，從而合理協(xié)調(diào)了升溫速率，盡管可能會(huì)犧牲一些溫度上升的響應(yīng)時(shí)間，但由于有效抑制了超調(diào)，相應(yīng)地也減少了由于超調(diào)而花費(fèi)的回調(diào)時(shí)間。從總體上看，系統(tǒng)性能得到一定程度的優(yōu)化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在室溫 (20℃)下分別選用功率為500 W和1000 W的熔錫爐仿真模溫機(jī)加熱器對(duì)700 g錫進(jìn)行加熱控溫實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中分別采用了不帶升溫速率因子的普通模糊控制算法和帶升溫速率因子的分層模糊控制算法進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表1及表2所示。

表1 500 W熔錫爐加熱控溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 1 000 W熔錫爐加熱控溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)比較兩種不同功率熔錫爐的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用普通模糊控制方法進(jìn)行控溫，超調(diào)量將隨著熔錫爐功率變大而顯著變大，而帶升溫速率因子的分層模糊控制方法的超調(diào)量則幾乎沒(méi)有變化，且所需的控溫時(shí)間也并不比普通模糊控制方法長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶升溫速率因子的分層模糊控制方法能有效抑制超調(diào)，且對(duì)控溫環(huán)境的變化有良好的適應(yīng)能力。

本文針對(duì)模溫機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合控溫環(huán)境時(shí)有變化的情況，討論了普通權(quán)系數(shù)自調(diào)整的解析式模糊控制方法的局限性，指出系統(tǒng)控制的滯后性是引發(fā)超調(diào)的重要原因。為能更準(zhǔn)確地描述受控對(duì)象的變化趨勢(shì)，本文引入了實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的升溫速率因子，并結(jié)合該因子在較大偏差范圍內(nèi)合理選擇控制策略，使進(jìn)入最后模糊控制階段前相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)段不再成為控溫“盲區(qū)”，能針對(duì)不同受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化特性協(xié)調(diào)整個(gè)控溫過(guò)程。當(dāng)受控對(duì)象升溫速率過(guò)快時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)在控溫過(guò)程中插入若干控制子過(guò)程加以宏觀調(diào)控。當(dāng)受控對(duì)象升溫速率正常時(shí)，系統(tǒng)控溫過(guò)程則趨于普通的模糊控制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文提出的模糊控制方法有效抑制了超調(diào)現(xiàn)象，對(duì)控溫環(huán)境的變化有良好的適應(yīng)性。

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