目前,，國(guó)內(nèi)客車(chē)烘房有燃油,、燃?xì)?天然氣)、電加熱,，以及蒸汽烘房等,。烘房的溫度是生產(chǎn)工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本課題研究的烘房類(lèi)型為熱風(fēng)對(duì)流型烘房,，熱源為200℃的過(guò)熱蒸汽,，溫度控制采用較為傳統(tǒng)的PID類(lèi)調(diào)節(jié)器，通過(guò)溫控閥門(mén)調(diào)節(jié)蒸汽流量,，控制烘房溫度,。由于PID類(lèi)調(diào)節(jié)器具有原理簡(jiǎn)單,，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),，因而在過(guò)程控制中得到廣泛的運(yùn)用。始終占據(jù)過(guò)程控制的主導(dǎo)地位,，但魯棒性能不理想,，對(duì)大滯后和強(qiáng)干擾的過(guò)程表現(xiàn)出明顯的不足。模糊控制是一種無(wú)需建模,、方便易懂,、執(zhí)行簡(jiǎn)便、開(kāi)發(fā)成本低廉的非線(xiàn)性控制技術(shù),。由于具有這些優(yōu)點(diǎn),，本文擬將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于客車(chē)烘房的溫度控制，并做出了一些嘗試,。
1 溫控儀原理框圖
樣機(jī)以AT89C55WD單片機(jī)為核心,，由鍵盤(pán)和LED顯示電路、單片機(jī)系統(tǒng),、控制信號(hào)隔離輸出電路,、熱電阻、A／D轉(zhuǎn)換電路等幾部分組成,，原理框圖如圖1所示,。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí),，通過(guò)鍵盤(pán)輸入溫度設(shè)定值，并在LED上顯示,，然后單片機(jī)通過(guò)光耦控制輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào),，經(jīng)整流濾波形成0～10 mA電流，控制溫控閥啟閉,，加熱烘房,。本機(jī)還有高、低限位輸出,，輸出繼電器觸點(diǎn)可耐5 A電流,，增強(qiáng)了本機(jī)的控制功能。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 溫度測(cè)量
由于目前國(guó)內(nèi)客車(chē)涂裝采用低溫工藝,，溫度控制范圍為100℃內(nèi),，可使用具有較高測(cè)溫精度及測(cè)溫范圍的熱電阻PT100作測(cè)溫元件。其與溫度的線(xiàn)性關(guān)系好,、穩(wěn)定性好,、可在200℃下長(zhǎng)期使用等特點(diǎn)，足以滿(mǎn)足控制要求,。
樣機(jī)利用較為常見(jiàn)的ICL7135作A／D轉(zhuǎn)換,。熱電阻信號(hào)通過(guò)三線(xiàn)制聯(lián)接法接入直流不平衡電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，信號(hào)經(jīng)差分放大器放大和濾波處理后,，成為與ICL7135轉(zhuǎn)換器相匹配的電平信號(hào),。詳見(jiàn)圖2信號(hào)輸入電路圖。
ICL7135是一個(gè)較為常見(jiàn)的雙積分型數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片,。為節(jié)約單片機(jī)I／O口,，本機(jī)利用ICL7135的BUSY、POLAR腳,，分別與單片機(jī)的兩個(gè)I／O口相連,，BUSY輸出端高電平寬度等于積分與反積分時(shí)間之和，ICL7135內(nèi)部規(guī)定積分固定時(shí)間為10 001個(gè)時(shí)鐘脈沖,，反積分時(shí)間與被測(cè)電壓成正比,，因此，可通過(guò)單片機(jī)一個(gè)定時(shí)器來(lái)測(cè)量BUSY腳脈寬,，減去10 001個(gè)時(shí)鐘脈沖后,，得到與被測(cè)參數(shù)成正比的數(shù)值。
本程序設(shè)計(jì)采用了數(shù)值濾波的方法,，通過(guò)ICL7135多次轉(zhuǎn)換后,，將最大值、最小值舍棄,，余值進(jìn)行算術(shù)平均,，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確,。
2．2 溫度控制
對(duì)加熱溫度的控制是采用模糊積分算法，經(jīng)單片機(jī)逆模糊運(yùn)算,，得到輸出值,，通過(guò)光耦輸出的PWM信號(hào)，經(jīng)整流濾波形成0～10 mA的恒流信號(hào),，去控制溫控閥的啟閉,，調(diào)節(jié)蒸汽，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器加熱,，達(dá)到理想的溫度控制效果,。
2．3 人機(jī)接口
本機(jī)有4只觸摸式按鍵和8位共陽(yáng)顯示數(shù)碼管，可通過(guò)按鍵對(duì)各項(xiàng)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng),、手動(dòng)操作的無(wú)擾切換。采用AT93C66的SPI總線(xiàn)E2PROM,，可擦寫(xiě)100萬(wàn)次,，用以保存設(shè)定溫度值、報(bào)警溫度,、溫度誤差和溫差變化率的量化因子,，以及輸出功能函數(shù)表、KI積分系數(shù)等,，都可通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行調(diào)整,，便于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)講行人工整定。
3 算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)溫度控制中,，散熱是自然散發(fā),，所以在模糊控制中模糊表的建立應(yīng)根據(jù)實(shí)際加熱器散熱的快慢來(lái)決定,。
3．1 模糊化
設(shè)e為溫度誤差,，即實(shí)際溫度與給定溫度之間的偏差。本機(jī)初始設(shè)定范圍為-40～+40℃,，劃分為5個(gè)變量等級(jí)(PB,，PS，O,，NS,，NB)，ec為溫度誤差變化率,，初始設(shè)定范圍為-5～+5℃／min,，劃分為4個(gè)變量等級(jí)(PB，PS,，NS,，NB),，本系統(tǒng)輸入信號(hào)e，ec采用梯形隸屬度函數(shù),，為獲得速度上的提高,，本樣機(jī)把輸入范圍內(nèi)的256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)在ROM中，供模糊運(yùn)算程序查表,，這樣可避免進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,。本機(jī)可通過(guò)按鍵調(diào)整溫度誤差、溫度誤差變化率的量化因子,，方便進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定,。
3．2 模糊推理
根據(jù)操作者手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)，本機(jī)采用以下形式制定規(guī)則,，形如：“if A and B then C”,。可得出20條模糊語(yǔ)句構(gòu)成的控制規(guī)則,。本系統(tǒng)采用了最大最小推理法,，運(yùn)算流程為：對(duì)應(yīng)某個(gè)控制規(guī)則，分析條件時(shí),，把當(dāng)前規(guī)則中的,，e和ec兩個(gè)隸屬度值的大小進(jìn)行比較，取小值,。取小之后的值存放到名為“val”的變量中,。條件檢測(cè)結(jié)束后，開(kāi)始估計(jì)結(jié)果,，模糊控制函數(shù)通過(guò)比較“val”和當(dāng)前輸出的參考輸出值來(lái)得出結(jié)果,，取大值，作為的輸出值,。一旦結(jié)果分析完畢,，開(kāi)始一個(gè)新的規(guī)則查詢(xún)。通過(guò)遍歷規(guī)則基數(shù)組進(jìn)行估計(jì),，當(dāng)遍歷完所有規(guī)則后相應(yīng)的輸出被保存在相應(yīng)的數(shù)組中,，用來(lái)解模糊。
3．3 逆模糊化
對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng),，考慮簡(jiǎn)化逆模糊處理的數(shù)學(xué)過(guò)程,，解模糊化采用了重心法。溫度輸出控制為U,，劃分為5個(gè)變量等級(jí)(PB,，PS，O，NS,，NB),，輸出U隸屬度函數(shù)采用單點(diǎn)法表示，每個(gè)輸出隸屬度函數(shù)用一個(gè)字節(jié)的單點(diǎn)值,，存放在AT93C66中,，以此作為參數(shù)，調(diào)整系統(tǒng)的輸出,。
3．4 模糊與積分混合控制
由于以上基本模糊控制器只考慮對(duì)象的輸出誤差和誤差變化率,，相當(dāng)于非線(xiàn)性PD調(diào)節(jié)器，加上其自身的多級(jí)繼電器特性,，所以它在本質(zhì)上無(wú)法消除穩(wěn)態(tài)余差,，且易產(chǎn)生極限環(huán)振蕩。本系統(tǒng)加入了積分環(huán)節(jié),。
考慮本系統(tǒng)控制參數(shù)變化范圍不大,，可采用雙模態(tài)分段控制算法進(jìn)行控制，即當(dāng)偏差大于某個(gè)閾值時(shí)用模糊控制,，以提高系統(tǒng)阻尼性能,，減小響應(yīng)超調(diào)。偏差在小于某閾值時(shí),，引入積分環(huán)節(jié),。一般應(yīng)在系統(tǒng)進(jìn)入“穩(wěn)態(tài)”后加入積分器。
積分環(huán)節(jié)的引入,，不僅要考慮引入的結(jié)構(gòu)方式,，還應(yīng)該考慮引入的時(shí)機(jī)，因?yàn)槌Ｒ?guī)積分控制作用有一個(gè)很大的缺點(diǎn),，就是積分作用的滯后效應(yīng),。在偏差向著減小方向變化時(shí)，引入積分,，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不利,，容易產(chǎn)生小范圍的持續(xù)振蕩和積分飽和現(xiàn)象，這些實(shí)質(zhì)上都是由于加入的時(shí)機(jī)不恰當(dāng)造成的,。針對(duì)常規(guī)積分控制作用的上述缺陷及產(chǎn)生的根本原因,，應(yīng)在系統(tǒng)進(jìn)入“穩(wěn)態(tài)”后加入積分器,，可以根據(jù)偏差及偏差變化趨勢(shì)來(lái)改變積分器的作用,，僅當(dāng)在偏差向著增大方向變化時(shí)，積分起作用,，抑制偏差繼續(xù)增大,，并可改善穩(wěn)定性能。模糊積分引入方式見(jiàn)圖3,，是由一常規(guī)積分器與二維模糊控制器相關(guān)聯(lián)構(gòu)成,。
常規(guī)積分控制器輸出Ui=KI∑ei和二維模糊控制器輸出Uf相疊加,，作為其總輸出，即：Un=Ui+Uf,，因引入了積分環(huán)節(jié),，本控制器可消除穩(wěn)態(tài)誤差，消除極限環(huán)震蕩,。
4 結(jié) 語(yǔ)
本溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，使用的主要芯片為AT89C55WD，ICL7135,，AT93C66,，CD4512。軟件實(shí)現(xiàn)容易,、編程量小,、控制精度高、性能穩(wěn)定,。由于采用在系統(tǒng)可編程技術(shù)的單片機(jī),，該系統(tǒng)可在正常工作下進(jìn)行調(diào)試，只需設(shè)定不同的參數(shù),，即可應(yīng)用于不同的工作環(huán)境,。該溫控儀樣機(jī)在揚(yáng)州亞星客車(chē)烘房做了試驗(yàn)，結(jié)果表明可在一定程度上提高產(chǎn)品的涂裝表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率,。