自適應(yīng)模糊PID控制的工業(yè)電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付 裕，盧嘉怡

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展日益增強(qiáng)，人們對(duì)于產(chǎn)品的品質(zhì)要求處于持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)，而溫度控制器的出現(xiàn)可增強(qiáng)安全性，在一定程度上具有降低功耗的作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，電阻爐是最普遍的加熱設(shè)備，但是該設(shè)備存在慣性大、滯后嚴(yán)重等問(wèn)題，為此，本文在電阻爐溫度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，融合自適應(yīng)模糊PID算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，具有重要意義。

1 工業(yè)電阻爐溫度控制系統(tǒng)模型建立

1.1 電阻爐數(shù)學(xué)模型的研究

通過(guò)研究可知，電熱體元件通電后可發(fā)出一定熱量，而電阻爐溫度控制系統(tǒng)針對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的主要實(shí)現(xiàn)方式是：改變電熱體元件的加熱功率，使該元件的加熱功率與電阻爐溫度控制系統(tǒng)的功率相符合，即電阻爐溫度控制系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)節(jié)電熱體供電電壓的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的總體控制。而熱能主要通過(guò)熱能場(chǎng)的方式進(jìn)行能量傳遞，但熱能在傳遞過(guò)程中存在十分明顯的時(shí)變性以及非線性，該現(xiàn)象造成電阻爐溫度控制系統(tǒng)在模型建立過(guò)程中易出現(xiàn)偏差，為此，本文采用實(shí)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)模型的建立，模型建立過(guò)程中將溫度作為被控參數(shù)，并通過(guò)與外界進(jìn)行熱交換的方式控制電阻爐的溫度，該過(guò)程中可假設(shè)電阻爐在某個(gè)時(shí)間段發(fā)出的總熱量為Q，當(dāng)電阻爐的溫度值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，某一時(shí)刻加熱元件發(fā)出的熱量Q=Q1+Q2，其中Q1為電阻爐中積累的熱量，而Q2為爐體散失的熱量，其公式為

Q=Q1+Q2

(1)

(2)

(3)

式中：T0為外界溫度，℃。若電阻爐內(nèi)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外界溫度，此時(shí)的T0可忽略不計(jì)，此時(shí)公式為

(4)

將式(4)的兩邊通過(guò)拉普拉斯雙曲型方程進(jìn)行變換可得：

(5)

(6)

通過(guò)研究可知，該模型易出現(xiàn)時(shí)間上的滯后，從而造成電阻爐的溫度反應(yīng)輸出和輸入響應(yīng)時(shí)間存在問(wèn)題，為此，應(yīng)針對(duì)電阻爐模型參數(shù)進(jìn)行確定[1]。

1.2 電阻爐模型參數(shù)的確定

針對(duì)電阻爐的參數(shù)進(jìn)行研究時(shí)，以1 000 ℃系列且型號(hào)為SX2-4-10箱式的電阻爐作為研究對(duì)象，該電阻爐的額定功率為4 kW，外形尺寸為735 mm×495 mm×480 mm,而爐膛尺寸為300 mm×200 mm×120 mm，質(zhì)量約為55 kg，可承受的極限溫度為1 050 ℃，并且該電阻爐可在1 h內(nèi)完成升溫，在該型號(hào)電阻爐的基礎(chǔ)上，利用飛升曲線法獲取該模型的參數(shù)，其實(shí)現(xiàn)方法是：在飛升曲線的斜率轉(zhuǎn)折處做切線，可求出純滯后時(shí)間τ為30，慣性時(shí)間常數(shù)T為150[2]。給電阻爐輸入電壓U0,直至溫度處于恒定狀態(tài)即可停止輸入電壓，此時(shí)T0=274 ℃，在此基礎(chǔ)上，利用調(diào)節(jié)器調(diào)高電阻爐的電壓，電壓U1=U0+ΔU，其中ΔU=50 V，此時(shí)U1對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)溫度為364 ℃，其公式為

(7)

(8)

2 自適應(yīng)模糊PID 控制的工業(yè)電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 工業(yè)電阻爐溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要利用自適應(yīng)模糊PID 控制算法作為該系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成包括單片機(jī)處理器、系統(tǒng)控制單元以及通信轉(zhuǎn)換單元，其中針對(duì)單片機(jī)處理器進(jìn)行選擇時(shí)，可采用STC89C516RD+芯片，而控制單元具有控制溫度的功能，可針對(duì)電阻爐的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且內(nèi)部包含CAN總線通信電路，也可當(dāng)做被控單元，通過(guò)MAX6675AD轉(zhuǎn)換器可將熱電偶輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量溫度值，數(shù)值轉(zhuǎn)換完畢后，系統(tǒng)可將該溫度值反饋至單片機(jī)中，并利用模糊PID 控制算法針對(duì)電阻絲兩端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度 的控制。而通信轉(zhuǎn)換單元可完成CAN總線與USB之間的信息轉(zhuǎn)換，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐的控制，電阻爐溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 電阻爐溫度控制單元硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 單片機(jī)基本電路設(shè)計(jì)

針對(duì)單片機(jī)基本電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可針對(duì)時(shí)鐘、復(fù)位、鍵盤(pán)顯示以及電源電路進(jìn)行系統(tǒng)性研究，其中時(shí)鐘電路是單片機(jī)電路中最重要的部分，具有控制單片機(jī)運(yùn)作以及CPU處理速度的作用，因此，本文針對(duì)該電路的振蕩晶體進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選用22.118 4 MHz；復(fù)位電路在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，將系統(tǒng)的程序恢復(fù)至起始地址的作用，因此，復(fù)位電路設(shè)計(jì)中將引腳保持高電平狀態(tài)，且持續(xù)時(shí)間控制在10 s以上；鍵盤(pán)電路僅設(shè)置5個(gè)按鍵，在參數(shù)設(shè)定功能方面主要通過(guò)軟件程序識(shí)別按鍵進(jìn)行控制；顯示電路采用1602液晶顯示器；電源電路中主要輸入12 V直流電，并由二極管、濾波電容以及7805穩(wěn)壓芯片共同組成[4]。

抗菌藥說(shuō)明書(shū)藥理毒理學(xué)不符合抗菌藥說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)技術(shù)指導(dǎo)原則的主要表現(xiàn)為：藥效學(xué)小項(xiàng)（包括電生理學(xué)）缺失；抗菌譜沒(méi)有嚴(yán)格按照該指導(dǎo)原則規(guī)范的描述；敏感性試驗(yàn)方法和折點(diǎn)資料缺失；耐藥機(jī)制資料缺失。

2.2.2 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

針對(duì)溫度檢測(cè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)主要采用K型熱電偶AD轉(zhuǎn)換芯片MAX6675作為該電路的核心部分，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的檢測(cè)，通過(guò)分析可知，MAX6675可將1 023 ℃以?xún)?nèi)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為SPI接口的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換完畢后，可將該信號(hào)進(jìn)行輸出，該芯片具有較好的線性度，其價(jià)格方面具有超強(qiáng)的性?xún)r(jià)比，其實(shí)現(xiàn)原理是將低電平產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，以此形成相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，溫度檢測(cè)電路如圖2所示[5]。

圖2 溫度檢測(cè)電路圖

2.2.3 可控硅溫控電路設(shè)計(jì)

通過(guò)研究可知，可控硅是一種調(diào)功控溫器件，該器件憑借良好的性能，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，可控硅在實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制時(shí)，主要包括兩種方法，分別是過(guò)零觸發(fā)以及移相觸發(fā)，其中過(guò)零觸發(fā)方式可有效解決電路設(shè)計(jì)復(fù)雜的問(wèn)題，針對(duì)可控硅溫控電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用MOC3061作為該電路的控制器，具有體積小且功耗低等優(yōu)勢(shì)。

2.2.4 CAN通信電路設(shè)計(jì)

針對(duì)CAN通信電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于CAN總線具有距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，為此，本文將CAN總線作為電阻爐溫度控制系統(tǒng)的通信功能，該電路主要包括時(shí)鐘電路、SIA1000CAN控制器電路以及82C250CAN總線驅(qū)動(dòng)電路3部分共同組成，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，可提升電阻爐溫度控制系統(tǒng)的通訊能力[6]。

2.3 通信轉(zhuǎn)換單元電路設(shè)計(jì)

針對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)的控制單元進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)完成CAN -USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，通信轉(zhuǎn)換單元主要包括CAN總線通信電路以及USB通信電路，由于CAN總線通信電路與上述控制單元的電路基本一致，因此本文重點(diǎn)介紹USB通信電路，USB通信電路主要采用CH372芯片實(shí)現(xiàn)通信功能，并將該電路連接至STC89C561RD+系統(tǒng)總線中的PO接口上，在此基礎(chǔ)上利用USB接口與電腦進(jìn)行連接，以此獲取電源，將電腦作為該系統(tǒng)的工作電源，有利于節(jié)約用電[7]。

3 自適應(yīng)模糊PID控制的工業(yè)電阻爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

針對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)的主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)為電阻爐溫度控制系統(tǒng)接通電源，通過(guò)連接電源的方式，可引導(dǎo)主控芯片STM32啟動(dòng)，通過(guò)STM32主控芯片可控制主程序進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，主程序在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，各項(xiàng)操作均完成后，系統(tǒng)將 利用自身功能，針對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。并在系統(tǒng)界面上顯示電阻爐的相關(guān)溫度，在系統(tǒng)輸入目標(biāo)值后，整個(gè)主程序處于while循環(huán)狀態(tài)中，電阻爐溫度控制系統(tǒng)軟件主程序流程如圖3所示[8]。

圖3 電阻爐溫度控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖

3.2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)采樣模塊設(shè)計(jì)

為保證電阻爐溫度控制系統(tǒng)具有一定可靠性以及對(duì)溫度測(cè)量時(shí)具有一定準(zhǔn)確性，本文針對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采樣，并針對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，求得的平均值可作為系統(tǒng)的最終測(cè)量結(jié)果，電阻爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度采樣時(shí)，采樣程序的關(guān)鍵代碼如下：

while(1)

{

adcx=Read Max6675(ADC_CH_TEMP,10);/*采集10次溫度值并取平均值保證采樣的準(zhǔn)確性*/

P_TEMP Value=1024*P_Temp Value/4095;/*比例變換*/

temprate=wendu;/*保存溫度傳感器熱電偶的熱電勢(shì)值*/

adcx=wendu;

wendu -=(u8)wendu;//去掉前面的整數(shù)

temprate=(1.43-temprate)/0.0043+25;/*計(jì)算得到當(dāng)前溫度值*/

LCD_Showwenduzhi(80,170,200,16,16,”(u8)temprate”);//顯示溫度數(shù)值的部分

temprate-=(u8)temprate;

LCD_Showwenduzhi(90,170,200,16,16,”temprate*100”);//顯示溫度數(shù)值的小數(shù)部分

}

3.3 模糊PID控制算法模塊設(shè)計(jì)

模糊PID控制算法模塊是電阻爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分，主要利用模糊PID算法針對(duì)電阻爐的溫度進(jìn)行控制，通過(guò)研究可知，電阻爐溫度控制系統(tǒng)在模糊PID算法的支撐下，可將偏差e的基本論域控制在-100～100，而偏差變化率的基本論域在-10～10。該模塊的控制流程是：利用模糊PID算法在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置初始參數(shù)，并根據(jù)電阻爐的溫度設(shè)定值與反饋值計(jì)算出E與EC，計(jì)算出的數(shù)值可繪制成表格的形式，通過(guò)電阻爐溫度控制系統(tǒng)可針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)、修改，模糊PID控制流程如圖4所示[9]。

圖4 模糊PID控制流程圖

4 自適應(yīng)模糊PID控制的工業(yè)電阻爐溫度控制系統(tǒng)仿真測(cè)試

本文主要將型號(hào)為SX2-4-10箱式、額定功率為4 kW、外形尺寸為735 mm×495 mm×480 mm、爐膛尺寸為300 mm×200 mm×120 mm、質(zhì)量約為55 kg的電阻爐作為研究對(duì)象，該型號(hào)的電阻箱可承受的極限溫度為1 050 ℃，為保證該系統(tǒng)的可行性，針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中將爐溫的采樣時(shí)間設(shè)置為1 s、溫度設(shè)置為900 ℃，為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行溫度的上限和下限進(jìn)行設(shè)置，其中上限溫度為905 ℃，而下限溫度為895 ℃，工業(yè)電阻爐溫度控制曲線如圖5所示[10]。

圖5 工業(yè)電阻爐溫度控制曲線圖

從圖5中可看出，電阻爐溫度控制系統(tǒng)可在最短的時(shí)間內(nèi)將溫度升至設(shè)定溫度，通過(guò)計(jì)算可知，該時(shí)間為200 s，從仿真測(cè)試結(jié)果可看出，將該算法應(yīng)用于電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，具有較強(qiáng)的控制效果，并且可有效改善外界因素的影響，解決掉系統(tǒng)內(nèi)的慣性大問(wèn)題以及滯后現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本文主要針對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中融入自適應(yīng)模糊PID算法，該算法的融入可有效解決電阻爐溫度控制系統(tǒng)存在的時(shí)間滯后以及慣性大等問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，基于自適應(yīng)模糊PID算法的電阻爐溫度控制系統(tǒng)可在最200 s內(nèi)將爐溫升至設(shè)定值，并且操作過(guò)程十分簡(jiǎn)單，可將該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。