王紅兵

〓〓1. 引言

〓〓PIC16F877是由Microchip公司所生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品，屬于PICmicro系列單片微機(jī)，具有Flash program程序內(nèi)存功能，可以重復(fù)燒錄程序，適合教學(xué)、開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品等用途；而其內(nèi)建ICD(In Circuit Debug)功能，可以讓使用者直接在單片機(jī)電路或產(chǎn)品上，進(jìn)行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器內(nèi)容等，讓使用者能快速地進(jìn)行程序除錯(cuò)與開(kāi)發(fā)。

〓〓模糊控制可以被認(rèn)為是在總結(jié)采用人類(lèi)自然語(yǔ)言概念操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上升華而發(fā)展起來(lái)的模仿人類(lèi)智能的一類(lèi)控制方法，即Fuzzy控制。這類(lèi)控制的核心是Fuzzy控制器，其作用是將控制誤差等精確量模糊數(shù)學(xué)化為模糊量，然后根據(jù)基于語(yǔ)言控制規(guī)則或操作經(jīng)驗(yàn)提取的模糊控制規(guī)則推理得到控制作用的模糊量，最后采用一定的清晰化（去模糊）算法將模糊控制量換算為精確控制量輸入給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成系統(tǒng)的Fuzzy控制調(diào)節(jié)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上包含了精確數(shù)字與模糊數(shù)學(xué)集合的變換，語(yǔ)言變量的推理，即模糊邏輯推理過(guò)程。

〓〓模糊控制是智能控制的分支之一，它具有以下特點(diǎn)：它是一種非線性控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合于非線性系統(tǒng)的控制；它不依賴(lài)于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)無(wú)法建?；蚝茈y建模的復(fù)雜對(duì)象，可以利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器，從而完成控制任務(wù)，而傳統(tǒng)的控制方法都要已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型才能設(shè)計(jì)控制器；它具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制，表現(xiàn)出極強(qiáng)的魯棒性，對(duì)被控對(duì)象的特性變化不敏感，模糊控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)容易選擇調(diào)整；算法簡(jiǎn)單、執(zhí)行快、容易實(shí)現(xiàn)，不需要很多的控制理論知識(shí)。

〓〓加熱爐在冶金、化工等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛地使用，加熱爐的溫度是生產(chǎn)工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo)，溫度控制的好壞將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。熱處理加熱爐是一種改善金屬材料及其制品(如機(jī)器零件、工具等)性能的工藝。根據(jù)不同的目的，將材料及其制品加熱到適宜的溫度、保溫，隨后用不同方法冷卻，改變其內(nèi)部組織以獲得所要求的性能。熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段之一。

〓〓熱處理加熱爐具有大慣性、純滯后等非線性以及時(shí)變的特點(diǎn)，開(kāi)關(guān)爐門(mén)、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制例如PID控制難以保證加熱工藝曲線要求。作為非線性控制的一大分支，模糊控制在上述溫度控制系統(tǒng)中可以得到較好的應(yīng)用，本文介紹的即為基于PIC16F877單片機(jī)的加熱爐模糊控制系統(tǒng)。

〓〓2. 模糊控制器的設(shè)計(jì)

〓〓本控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、溫度顯示、爐溫控制、故障檢測(cè)以及報(bào)警等功能，智能模糊控制器由單片機(jī)完成，采用規(guī)則自尋優(yōu)的控制算法進(jìn)行過(guò)程控制。加熱爐采用雙向可控硅控制，由單片機(jī)輸出通斷率控制信號(hào)，產(chǎn)生可控硅的過(guò)零觸發(fā)脈沖。

〓〓整個(gè)系統(tǒng)的核心是模糊控制器，PIC16F877單片機(jī)是控制器的主體。它與若干擴(kuò)展電路(程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、地址鎖存器、地址譯碼器等)構(gòu)成處理器模塊。測(cè)溫?zé)犭娕驾敵龅膍V信號(hào)經(jīng)變送器芯片轉(zhuǎn)換成0～10V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再將此信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令，通過(guò)模糊控制算法計(jì)算控制量，輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)過(guò)零觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)雙向可控硅，從而控制熱處理加熱爐。此外,智能控制器還包括硬件看門(mén)狗電路、故障檢測(cè)電路、數(shù)碼顯示電路以及電源等。

〓〓模糊控制器的主程序包括初始化、鍵盤(pán)管理及控制模塊和顯示模塊的調(diào)用。溫度信號(hào)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、控制算法以及溫度顯示等功能的實(shí)現(xiàn)由各子程序完成。軟件的主要流程是：利用PIC16F877單片機(jī)的定時(shí)器T0和軟件計(jì)數(shù)產(chǎn)生采樣周期，周期到，程序則轉(zhuǎn)入控制模塊，調(diào)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波及標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊得到爐溫的反饋信號(hào)，根據(jù)偏差和偏差的變化率計(jì)算控制量，輸出脈沖信號(hào)控制過(guò)零觸發(fā)器。啟動(dòng)、停止以及給定值通過(guò)鍵盤(pán)利用外部中斷產(chǎn)生，有按鍵輸入時(shí)則調(diào)用中斷服務(wù)程序。

〓〓3. 模糊控制算法的研究

〓〓模糊控制算法，是對(duì)手動(dòng)操作者的手動(dòng)控制策略、經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。模糊控制算法有多種實(shí)現(xiàn)形式，采用應(yīng)用最早、最廣泛的查表法，可大大提高模糊控制的時(shí)效性，節(jié)省內(nèi)存空間。

〓〓本系統(tǒng)的對(duì)象熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，用基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱工藝曲線要求。為此，選用模糊控制算法中的規(guī)則自尋優(yōu)算法。算法的基本原理采用解析表達(dá)式描述的控制規(guī)則，它簡(jiǎn)單方便，易于處理。二維控制規(guī)則自尋優(yōu)算法可以用解析表達(dá)式概括：

〓〓U=-[αE+(1-α)C]（1）

〓〓其中：E、C、U為經(jīng)過(guò)量化和模糊化的模糊變量，相應(yīng)的論域分別為誤差、誤差變化率及控制量。α為調(diào)整因子。由式(1)描述的控制規(guī)則可看出，控制作用取決于誤差及誤差變化率，且通過(guò)調(diào)整α的大小，可以改變對(duì)誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度，α值一旦確定,在整個(gè)控制過(guò)程中就不再改變。但在實(shí)際系統(tǒng)中，系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下，對(duì)控制規(guī)則中誤差E與誤差C的加權(quán)程度有不同的要求。如誤差較大時(shí),控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差,此時(shí)對(duì)誤差的加權(quán)應(yīng)該大些；當(dāng)誤差小時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小超調(diào)，此時(shí)要求在控制規(guī)則中誤差變化率的加權(quán)大些。為了得到好的控制性能，就要求α值在控制過(guò)程中可調(diào)整，即控制規(guī)則可在控制過(guò)程中在線修正。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)α進(jìn)行在線修正，如式（2）所示：

〓〓α(k+1)=α(k)+0.618[1-α(k)]|E|≥3

〓〓0.618α(k) |E|<3 （2）

〓〓4. 性能分析

〓〓本系統(tǒng)在仿真運(yùn)行后，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作方便，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

〓〓5. 結(jié)束語(yǔ)

〓〓本文系統(tǒng)介紹了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的熱處理加熱爐溫度控制系統(tǒng)，由于控制對(duì)象是一種具有純滯后的大慣性環(huán)節(jié)，采用智能模糊控制器可以達(dá)到理想的控制效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

〓〓（1）控制方案合理，穩(wěn)態(tài)精度高，超調(diào)小。

〓〓（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便、抗干擾性強(qiáng)、魯棒性好。

責(zé)任編輯〓潘孟良