模糊ＰＩＤ控制在电阻炉炉温系统中的应用|电阻炉炉温控制系统设计

　　摘要：电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术，促使人们更加积极地研究控制热加工工艺过程的方法。因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统，利用模糊控制规则自适应地在线对 PID 参数进行修改，借此提高其控制效果。
　　关键词：电阻炉；自适应控制；模糊控制；PID
　　Abstract：The resistance furnace is the most widely heating equipment in the heat treatment production ,heating process measurement and control has become a key technology,prompted people to take a more active studying the methods of the control hot-working technological process.Therefore ，In this paper the fuzzy control algorithm will be introduced traditional furnace control system to constitute of intelligent control system, using fuzzy control rules for on-line adaptive PID parameters change, thereby improving the control effect.
　　Keywords： resistance furnace,self-tuning control,fuzzy control，PID
　　
　　1.引言。热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。近年来随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。
　　电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。
　　　
　　但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性(加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素)，使得上述数学模型偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定 PID 控制器基础上设计一个炉温控制系统，以期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。
　　
　　2. PID 参数Fuzzy 自整定控制原理
　　
　　并根据不同的在线自整定参数KP、KI 与KD 的Fuzzy 控制器。PID 参数Fuzzy自整定控制原理如图1-1 所示。
　　
　　2.2PID 参数Fuzzy 整定模型。一般情况下, 在不同、下被控过程对参数KP、KI 与KD 的自整定要求可归结为: 当较大时,为使系统具有良好的快速跟踪性能, 应取较大的KP 与较小的KD , 同时为避免系统响应出现较大的超调, 应对积分作用加以限制, 通常取KI = 0;当处于中等大小时, 为使系统响应具有较小的超调, KP 应取得小些; 在这种情况下, KD 的取值对系统响应的影响较大, KI的取值要适当;当较小时, 为使系统具有较好的稳态性能, KP 与KI 均应取得大些, 同时为避免系统在设定值附近出现振荡, K D 值的选择是相当重要的。对于Fuzzy 自整定PID 参数控制器, 在具体作法上, 根据语言变量偏差E 及偏差变化EC, 应用Fuzzy 集合理论总
　　结出一套K P、K I与K D的Fuzzy 整定模型, 如表1-1、表1-2和表1-3 所示。
　　
　　3. 炉温控制系统的设计
　　
　　3.1硬件设计。整个系统采用韩国三星公司的S3C44BOX(16/32位)作为CPU,并包括3*3键盘、LCD显示、一个串口通信、A/D转换、存储器采用FLASHROM, SDRAM、开关量输出等。外部CPU晶振为8M HZ,系统内部时钟为66MHZ。见图2-1系统硬件整体设计框图所示
　　由于温度信号变化较慢，故采用3位半双积分A/D转换器MC14433,其转换速度为1-10次/秒，它的时钟频率通常设置成工频的整数倍，以提高抑制工频干扰的能力。热电偶信号经多通道转换开关4051至3个运算放大器组成的差动放大电路，放大器采用低失调电压、电流、高输入电阻的567650。在放大电路部分采用数字电位器50K的X9312进行多量程转换。系统可通过LCD动态的显示当前温度，并显示温度曲线，并通过RS232和其它设备通信。可通过JTAG调试程序。通过键盘可设定热电偶型号、通道号，以及温度上限值。
　　　
　　3.2程序主体结构。程序框图如图 2-2 所在这个系统中，反映炉温的热电偶电势经冷端补偿放大成 1-10 V 的标准信号，再经 A/D 转换电路之后进入单片机，单片机根据输入的各种命令进行智能算法得到控制量输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，单片机通过 I/O 口改变控制脉冲宽度，也即改变了可控硅在一个固定控制周期 Tc 内的导通时间，这样电阻炉的温度就随着电阻炉的平均输入功率改变而变化，也即达到了控温目的。
　　
　　程序主要流程是：利用定时器中断，产生控制周期。控制周期一到，程序则转入控制模块，调A/D 转换模块及热电偶线性化模块得到炉温的反馈信号，根据给定值和控制算法得到控制量，经输出口输出脉冲控制过零触发器。
　　4．总结。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定 PID 控制电阻炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有 PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用 PID 参数模糊自整定复合控制，实现 PID 参数的在线自调整功能，可以进一步完善 PID 控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。
　　本文提出的基于模糊的自整定 PID 控制算法的控制系统具有真正的智能化和灵活性，有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能，所获控制精度高，对高质量热处理件的加工具有指导意义。
　　
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　　作者简介：
　　刘凌云,男,1969年10月出生,湖南省衡阳人,一级教师,广东省中山市技师学院电工教研室主任,多年来一直从事电气自动化控制应用技术方面的研究。
　　本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
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