來自：李洪任
引言電加熱爐是典型工業過程控制物件，其溫度控制具有公升溫單向性，大慣性，純滯後，時變性等特點，很難用數學方法建立精確的模型和確定引數。而pid控制因其成熟，容易實現，並具有可消除穩態誤差的優點，在大多數情況下可以滿足系統效能要求，但其效能取決於引數的整定情況。且快速性和超調量之間存在矛盾，使其不一定滿足快速公升溫、超調小的技術要求。
模糊控制在快速性和保持較小的超調量方面有著自身的優勢，但其理論並不完善，演算法複雜，控制過程會存在穩態誤差。
將模糊控制演算法引入傳統的加熱爐控制系統構成智慧型模糊控制系統，利用模糊控制規則自適應**修改pid引數，構成模糊自整定：pid控制系統，藉此提高其控制效果。基於pid控制演算法，以aduc845微控制器為主體，構成乙個能處理較複雜資料和控制功能的智慧型控制器，使其既可作為獨立的微控制器控制系統，又可與微機配合構成兩級控制系統。
該控制器控制精度高，具有較高的靈活性和可靠性。2溫度控制系統硬體設計
該系統設計的硬體設計主要由微控制器主控、前向通道、後向通道、人機介面和介面擴充套件等模組組成，如圖l所示。由圖1可見，以內含c52相容微控制器的aduc845為控制核心．配有640kb的非易失ram資料儲存器、外擴鍵盤輸人、320x240點陣的圖形液晶顯示器進行漢字、圖形、曲線和資料顯示，超溫報警裝置等外圍電路；預留微型印表機介面，可以現場列印輸出結果；預留rs232介面，能和pc機聯機，將現場檢測的資料傳輸至pc機來進一步處理、顯示、列印和存檔。
電阻爐的溫度先由熱電偶溫度感測器檢測並轉換成微弱的電壓訊號，溫度變送器將此弱訊號進行非線性校正及電壓放大後，由微控制器內部a／d轉換器將其轉換成數字量。此數字量經數字濾波、誤差校正、標度變換、線性擬合、查表等處理後。一方面將爐窯溫度
經人機面板上的lcd顯示：另一方面將該溫度值與被控制值(由鍵盤輸入的設定溫度值)比較，根據其偏差值的大小，提供給控制演算法進行運算，最後輸出移相控制脈衝，放大後觸發可控矽導通(即控制電阻爐平均功率)。達到控制電爐溫度的目的。
如果實際測得的溫度值超過了該系統所要求的溫度範圍，微控制器就向報警裝置發出指令，系統進行報警。2．1系統主控模組
系統主控模組電路如圖2所示，它主要由cpu及資料儲存器，晶體振盪器、復位電路、圖形液晶顯示器(lcd)及控制電路、微型印表機介面控制電路、實時日曆時鐘，熱電偶訊號處理電路等構成。這裡，該系統設計可測量3點溫度。感測器選擇k型(鎳鉻-鎳矽)熱電偶，可用於從室溫到1200°c的溫度測量，測量範圍寬，精度高。
在溫度測量範圍內k型熱電偶的輸出熱電勢只有0～45．119mv，為了和aduc845的a／d轉換器相匹配，採用acl226和1b51作為訊號調理電路，由ac1226、1b51構成熱電偶冷端溫度補償及訊號調理器電路。當熱端距測溫儀表較遠時，需利用熱電偶匹配導線將冷端延長。cd4051為多路模擬開關，由abc控制接通，當5～3接通時，輸入接地，uo輸出uomin，用於零點校準；當4～3接通時，微控制器1．25v穩定參考電壓uref，再經電阻r1、r2分壓，得到毫伏級參考輸入電壓，uo輸出uomax，用於增益校準；當2～3、1～3、12～3分別分時接通時，依次輸入3個熱電偶正常測溫所得變換電壓，uo從而輸出3個溫度點所對應的電壓uoa，uob，uoc。
在hi端與+uiso端之間串上乙隻220mω上拉電阻，一旦熱電偶開路，hi端即被偏置為+uiso，迫使1b51的輸出電壓超量程，由此判定熱電偶已開路。多路模擬開關和測量資料採集過程在微控制器協調下工作，每次資料採集都進行自動判斷和校準閣。
2．2控制輸出驅動電路
對溫度的控制是通過可控矽調功器電路實現，如圖3所示。雙向可控矽管和矽碳棒串接在交流220v、50hz交流市電迴路中，圖3中只給出了a相。移相觸發脈衝由aduc845用軟體在p1．3引腳上產生的，零同步脈衝同步後，經光耦合管和驅動器輸出送到可控矽的控制極。
過零同步脈衝由過零觸發電路產生，利用同步變壓器和電壓比較器lm311組成正弦交流電的正半波過零檢測電路，它在交流電每乙個正半周的起始零點處產生上公升沿．並
在正半周回零處產生乙個下降沿，電壓比較器lm311用於把50hz正弦交流電壓變成方波。方波的正邊沿和負邊沿分別作為兩個單穩態觸發器的輸入觸發訊號，單穩態觸發器輸出的2個窄脈衝經二極體或門混合後通過可重複觸發整合單穩態觸發器mc14528，單穩態輸出的兩路窄脈衝再疊加，就可得到對應於交流市電的100hz過零同步脈衝。脈衝寬度可由mc14528的外接電阻r4和外接電容c1、c2調節。
此脈衝加到aduc845的to作為計數脈衝和int1中斷口觸發int1中斷。可控矽的過流、過壓保護採用一般阻容保護電路。r5是觸發器輸出限流電阻，r3用以消除漏電流，防止kp150的誤觸發。
3溫度控制系統軟體設計3．1主程式及其功能
軟體設計採用模組化設計原則。控制程式主要由測量取樣操作，溫度引數設定介面的顯示，操作按鍵的管理，測量過程，資料演算法處理，輸出控制的處理及測量結果顯示等模組組成。主模組是為其他模組構建整體框架及初始化工作。
呼叫運算和顯示構成乙個無限迴圈圈，溫控的所有功能都在該迴圈圈中周而復始有選擇執行。除非掉電或復位，否則系統程式不會跳出該迴圈圈。因浮點數運算占用時間較多，應將其作為單獨模組。
控制演算法模組包括：pid運算模組和pid引數自整定模組兩部分，主要是相應控制演算法的初始化及運算程式。數**算模組主要包括諸如帶符號浮點數求補運算、帶符號浮點數乘法、無符號浮點數除法以及浮點數加減法等運運算元程式，供其他模組根據演算法的需要隨時呼叫。
顯示設定和操作介面由選單顯示，用into中斷完成。介面中用線框框起來的符號和漢字表示當前起作用的按鍵，用「上下左右」按鍵移動游標和改變資料，按下確認鍵後選中有效，開始執行所選功能，按下返回鍵就回到上一級介面(選單)。資料的採集及預處理模組由to計數定時產生中斷，包括數字濾波、標度變換、顯示重新整理等部分，完成資料預處理及人機互動功能。
過零同步由交流過零觸發產生int1中斷，並確定移相順序，觸發t1定時，產生移相脈衝，控制輸出。一旦中斷，首先判斷具體的中斷源。若是定時中斷，則呼叫相應的模組完成定時服務；若是人機面板的按鍵中斷，則在識別按鍵後，進入散轉程式，隨之呼叫相應的鍵盤處理服務模組。
無論是哪乙個中斷源產生中斷，執行完相應的程式後均返回主模組，必要時修改顯示內容，並開始下一輪迴圈。圖4所示為系統軟體主程式流程。
3．2模糊自整定pid演算法程式
模糊自整定pid演算法程式程式的總流程為：首先模糊整定，然後根據誤差和誤差變化率對pid的3個引數進行**調整，把經過模糊調整後的pid引數作為最終的控制引數進行pid控制。溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的最壞情況值均取為100℃，在此建立的溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的基本論域，數字量化確定e(k)的論域區間為[-128，128]。
這樣就必須對溫度誤差e和溫度誤差變化率△e超過100°c．變換後的e和△e其動態範圍限幅壓縮，這樣就可以使溫度誤差和溫度誤差變化率△e在整個測控溫度變化範圍[0℃，1112°c]內，控制量都可以起到作用。圖5為模糊pid控制流程。
4結語將系統溫度設定不同的溫度值，觀測記錄溫度變化曲線。電加熱爐溫度控制系統實際輸出的響應曲線如圖6所示。
從電加熱爐溫度控制的實際效果來看，fuzzy-pid復合控制器具有以下特點：①系統具有較好動態特性。不僅公升溫速度快，而且超調量很小；② 系統具有比較理想的穩態品質，穩態過程沒有振盪，溫度控制精度在±3℃以內；③系統的抗干擾能力增強，對生產現場的各種雜訊和干擾具有較好的抑制作用；④ 當被控過程引數發生變化時，控制系統仍能保持較好的適應能力和魯棒性。
電加熱爐溫度控制系統設計
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