模糊控制在真空热处理炉温度控制中的应用

2013-10-08 王晓燕西北民族大学电气工程学院

　　真空热处理炉中的温度参数是一个大时滞、非线性、时变的复杂控制对象，本论文利用单片计算机为控制核心，通过模糊控制算法实现了真空热处理炉的温度控制，文中给出了硬件电路构成和软件设计流程，通过该控制系统提高了控制精度和动态特性，优化了整机的性能。

引言

　　真空热处理炉在钎接、退火、烘干等方面应用非常广泛，其主要的电气控制可分为真空系统的控制和炉内温度的控制，炉内温度的控制对被加工工件的质量有重要的影响，目前真空热处理炉温控系统主要采用数字PID温控仪进行温度控制，该系统存在的问题是控温的动态性能不好，温度存在超调现象，针对存在的问题，设计了利用单片机实现的真空热处理炉温度的模糊控制系统，较好地解决了该控制系统存在的缺陷，提高了系统的控制特性。

1、系统的构成及工作原理

　　真空热处理炉是先把加工工件放入真空室，然后将真空室抽成真空状态，此后控制真空室内的温度，使温度按给定的曲线变化，完成工件加工。

2、控制系统硬件电路

　　2.1、磁性调压器

　　磁性调压器又称可控变压器，是一种无机械传动、无触点调压器，其显著特点之一就是可带负载进行平滑无级调压。输出电压的调节是用很小的直流电流来控制较大负载功率的变化。当控制电流由小变大时，负载上就会得到由小变大的电压。磁性调压器在结构上同普通调压器一样故障率非常低，由于以上原因在真空炉中的加热电源一般选择磁性调压器调压方式。该系统中磁性调压器选择苏州华群电气设备有限公司的TSGH-100KW/380V型调压器，输出(6-60)V，直流控制功率1150KW，10A。

　　2.2、磁性调压器控制回路

　　磁性调压器的控制电流由可控整流电路提供，其控制主回路如图1所示，通过改变晶闸管G1G2G3G4的触发角可改变电流Id的大小，从而控制磁性调压器的输出电压。由于直流控制功率

　　虑晶闸管压降等因素，取U 150V 2 = 则整流变压器为220V/150V，1.5KVA，晶闸管为KP20-5，参数为500V，20A。

磁性调压器控制主回路

图1 磁性调压器控制主回路

　　2.3、单片机控制系统

　　单片机控制系统采集现场温度信号，经信号调理后送入单片计算机，与设定的温度进行比较后，通过控制算法，得出控制信号，通过单片机端口送出脉冲信号，改变整流输出电压的大小，控制磁性调压器的输出电压，改变真空室内的温度。单片机控制系统框图如图2所示。

单片机控制系统简图

图2 单片机控制系统简图

　　2.4、同步检测电路

　　同步检测电路由同步变压器、电压比较器和光电隔离器件构成。当电源电压正向过零后引起单片机系统的中断，在单片机的中断处理程序中，根据模糊控制所计算出的控制量设定出不同的时间，利用定时的方法，从单片机P1.0送出晶闸管触发信号，达到控制晶闸管触发角的目的。

　　2.5、晶闸管触发电路

　　晶闸管触发电路由单片机P1.0送出的控制信号经光电隔离、晶体管放大、脉冲变压器变换后形成晶闸管触发信号，控制相应的晶闸管导通或者截止。

3、软件设计

　　3.1、模糊控制器的设计

　　在本控制系统中选用如图3所示的二维模糊控制器，二维控制器对系统内部的参数变化。

温度模糊控制系统方框图

图3 温度模糊控制系统方框图

　　有较强的适应性，对对象的非线性特性不敏感，可保证系统的稳定性，减少响应的超调量。

　　3.2、模糊控制语言变量

　　模糊控制器的输入变量为温差e和温差的变化率△e，其输出变量为移相控制电路的输入变量u。

　　3.4、模糊控制查询表的建立

　　表2所包含的控制规则为IF E=Ai AND EC=Bj THEN U=Cij(Ai,Bj,Cij分别为误差，误差变化，控制量变化在各自论域上的模糊子集)。总的模糊关系为R=R1∨R2∨…R44∨R45,误差、误差变化分别取Ai、Bi时的输出控制量为U=(E×EC)R 。针对论域X,Y全部元素的组合，求取相应的控制量变化的模糊集合，并用最大隶属度法对此模糊集合进行模糊判断。在离线计算的基础上，建立如表2的模糊控制查询表，把它存放到单片机中，并编制一个查找查询表的子程序。

表2：模糊控制器查询表

模糊控制器查询表

　　在实际的控制过程中，在每一个控制周期，将实测到的误差e(k)(k=0,1,2…)和计算得到的误差变化e(k) -e(k-1)分别乘以量化因子ke、ki，取得以相应论域元素表征的查找查询所需的Ai,Bj后，通过查找表2的相应行和列，立即可输出所需的控制量变化Uij，再乘以比例因子ku，便得到加到被控对象上的实际控制量变化值。