目前，國內(nèi)客車烘房有燃油,、燃氣(天然氣),、電加熱，以及蒸汽烘房等,。烘房的溫度是生產(chǎn)工藝的一項重要指標(biāo),。本課題研究的烘房類型為熱風(fēng)對流型烘房，熱源為200℃的過熱蒸汽,，溫度控制采用較為傳統(tǒng)的PID類調(diào)節(jié)器,，通過溫控閥門調(diào)節(jié)蒸汽流量，控制烘房溫度,。由于PID類調(diào)節(jié)器具有原理簡單,，易于實現(xiàn)等優(yōu)點,，因而在過程控制中得到廣泛的運用。始終占據(jù)過程控制的主導(dǎo)地位,，但魯棒性能不理想,，對大滯后和強干擾的過程表現(xiàn)出明顯的不足。模糊控制是一種無需建模,、方便易懂,、執(zhí)行簡便、開發(fā)成本低廉的非線性控制技術(shù),。由于具有這些優(yōu)點,，本文擬將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于客車烘房的溫度控制，并做出了一些嘗試,。
1 溫控儀原理框圖
樣機以AT89C55WD單片機為核心,，由鍵盤和LED顯示電路、單片機系統(tǒng),、控制信號隔離輸出電路,、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，通過鍵盤輸入溫度設(shè)定值,，并在LED上顯示,，然后單片機通過光耦控制輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號，經(jīng)整流濾波形成0～10 mA電流,，控制溫控閥啟閉,，加熱烘房。本機還有高,、低限位輸出,，輸出繼電器觸點可耐5 A電流，增強了本機的控制功能,。
2 硬件電路設(shè)計
2．1 溫度測量
由于目前國內(nèi)客車涂裝采用低溫工藝,，溫度控制范圍為100℃內(nèi)，可使用具有較高測溫精度及測溫范圍的熱電阻PT100作測溫元件,。其與溫度的線性關(guān)系好,、穩(wěn)定性好、可在200℃下長期使用等特點,，足以滿足控制要求,。
樣機利用較為常見的ICL7135作A／D轉(zhuǎn)換。熱電阻信號通過三線制聯(lián)接法接入直流不平衡電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號，信號經(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,。詳見圖2信號輸入電路圖。
ICL7135是一個較為常見的雙積分型數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片,。為節(jié)約單片機I／O口，本機利用ICL7135的BUSY,、POLAR腳,，分別與單片機的兩個I／O口相連，BUSY輸出端高電平寬度等于積分與反積分時間之和,，ICL7135內(nèi)部規(guī)定積分固定時間為10 001個時鐘脈沖,，反積分時間與被測電壓成正比，因此,，可通過單片機一個定時器來測量BUSY腳脈寬,，減去10 001個時鐘脈沖后，得到與被測參數(shù)成正比的數(shù)值,。
本程序設(shè)計采用了數(shù)值濾波的方法,，通過ICL7135多次轉(zhuǎn)換后，將最大值,、最小值舍棄,，余值進行算術(shù)平均，保證了測量的準(zhǔn)確,。
2．2 溫度控制
對加熱溫度的控制是采用模糊積分算法,，經(jīng)單片機逆模糊運算，得到輸出值,，通過光耦輸出的PWM信號,，經(jīng)整流濾波形成0～10 mA的恒流信號，去控制溫控閥的啟閉,，調(diào)節(jié)蒸汽,，來實現(xiàn)對加熱器加熱，達到理想的溫度控制效果,。
2．3 人機接口
本機有4只觸摸式按鍵和8位共陽顯示數(shù)碼管,，可通過按鍵對各項控制參數(shù)進行調(diào)整，還可實現(xiàn)自動,、手動操作的無擾切換,。采用AT93C66的SPI總線E2PROM，可擦寫100萬次,，用以保存設(shè)定溫度值,、報警溫度、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,，都可通過鍵盤進行調(diào)整，便于生產(chǎn)現(xiàn)場講行人工整定,。
3 算法設(shè)計與實現(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)實際加熱器散熱的快慢來決定,。
3．1 模糊化
設(shè)e為溫度誤差,，即實際溫度與給定溫度之間的偏差。本機初始設(shè)定范圍為-40～+40℃,，劃分為5個變量等級(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個變量等級(PB，PS,，NS,，NB)，本系統(tǒng)輸入信號e,，ec采用梯形隸屬度函數(shù),，為獲得速度上的提高，本樣機把輸入范圍內(nèi)的256個數(shù)據(jù)點存儲在ROM中,，供模糊運算程序查表,，這樣可避免進行數(shù)值計算。本機可通過按鍵調(diào)整溫度誤差,、溫度誤差變化率的量化因子,，方便進行現(xiàn)場整定。
3．2 模糊推理
根據(jù)操作者手動控制經(jīng)驗,，本機采用以下形式制定規(guī)則,，形如：“if A and B then C”?？傻贸?0條模糊語句構(gòu)成的控制規(guī)則,。本系統(tǒng)采用了最大最小推理法，運算流程為：對應(yīng)某個控制規(guī)則,，分析條件時,，把當(dāng)前規(guī)則中的，e和ec兩個隸屬度值的大小進行比較，取小值,。取小之后的值存放到名為“val”的變量中,。條件檢測結(jié)束后，開始估計結(jié)果,，模糊控制函數(shù)通過比較“val”和當(dāng)前輸出的參考輸出值來得出結(jié)果,，取大值，作為的輸出值,。一旦結(jié)果分析完畢,，開始一個新的規(guī)則查詢。通過遍歷規(guī)則基數(shù)組進行估計,，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，用來解模糊,。
3．3 逆模糊化
對于單片機系統(tǒng),，考慮簡化逆模糊處理的數(shù)學(xué)過程，解模糊化采用了重心法,。溫度輸出控制為U,，劃分為5個變量等級(PB，PS,，O,，NS，NB),，輸出U隸屬度函數(shù)采用單點法表示,，每個輸出隸屬度函數(shù)用一個字節(jié)的單點值，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象的輸出誤差和誤差變化率,，相當(dāng)于非線性PD調(diào)節(jié)器,，加上其自身的多級繼電器特性，所以它在本質(zhì)上無法消除穩(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)分段控制算法進行控制,，即當(dāng)偏差大于某個閾值時用模糊控制，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，引入積分環(huán)節(jié)。一般應(yīng)在系統(tǒng)進入“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)該考慮引入的時機,，因為常規(guī)積分控制作用有一個很大的缺點,，就是積分作用的滯后效應(yīng)。在偏差向著減小方向變化時,，引入積分,，對系統(tǒng)的動態(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,，這些實質(zhì)上都是由于加入的時機不恰當(dāng)造成的,。針對常規(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來改變積分器的作用,，僅當(dāng)在偏差向著增大方向變化時，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
本溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用的主要芯片為AT89C55WD,，ICL7135,，AT93C66，CD4512,。軟件實現(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，該系統(tǒng)可在正常工作下進行調(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,。該溫控儀樣機在揚州亞星客車烘房做了試驗，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,。