基于模糊控制的客車烘房溫控儀

0 引 言
??? 目前，國內客車烘房有燃油、燃氣(天然氣)、電加熱，以及蒸汽烘房等。烘房的溫度是生產工藝的一項重要指標。本課題研究的烘房類型為熱風對流型烘房，熱源為200℃的過熱蒸汽，溫度控制采用較為傳統的PID類調節器，通過溫控閥門調節蒸汽流量，控制烘房溫度。由于PID類調節器具有原理簡單，易于實現等優點，因而在過程控制中得到廣泛的運用。始終占據過程控制的主導地位，但魯棒性能不理想，對大滯后和強干擾的過程表現出明顯的不足。模糊控制是一種無需建模、方便易懂、執行簡便、開發成本低廉的非線性控制技術。由于具有這些優點，本文擬將模糊控制技術應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、控制信號隔離輸出電路、熱電阻、A／D轉換電路等幾部分組成，原理框圖如圖1所示。當系統工作時，通過鍵盤輸入溫度設定值，并在LED上顯示，然后單片機通過光耦控制輸出脈寬調制(PWM)信號，經整流濾波形成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 硬件電路設計
2．1 溫度測量
??? 由于目前國內客車涂裝采用低溫工藝，溫度控制范圍為100℃內，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。其與溫度的線性關系好、穩定性好、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轉換。熱電阻信號通過三線制聯接法接入直流不平衡電橋轉換為電壓信號，信號經差分放大器放大和濾波處理后，成為與ICL7135轉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字轉換器芯片。為節約單片機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內部規定積分固定時間為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，得到與被測參數成正比的數值。
??? 本程序設計采用了數值濾波的方法，通過ICL7135多次轉換后，將最大值、最小值舍棄，余值進行算術平均，保證了測量的準確。
2．2 溫度控制
??? 對加熱溫度的控制是采用模糊積分算法，經單片機逆模糊運算，得到輸出值，通過光耦輸出的PWM信號，經整流濾波形成0～10 mA的恒流信號，去控制溫控閥的啟閉，調節蒸汽，來實現對加熱器加熱，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位共陽顯示數碼管，可通過按鍵對各項控制參數進行調整，還可實現自動、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，以及輸出功能函數表、KI積分系數等，都可通過鍵盤進行調整，便于生產現場講行人工整定。

3 算法設計與實現
??? 本系統溫度控制中，散熱是自然散發，所以在模糊控制中模糊表的建立應根據實際加熱器散熱的快慢來決定。
3．1 模糊化
??? 設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，初始設定范圍為-5～+5℃／min，劃分為4個變量等級(PB，PS，NS，NB)，本系統輸入信號e，ec采用梯形隸屬度函數，為獲得速度上的提高，本樣機把輸入范圍內的256個數據點存儲在ROM中，供模糊運算程序查表，這樣可避免進行數值計算。本機可通過按鍵調整溫度誤差、溫度誤差變化率的量化因子，方便進行現場整定。

3．2 模糊推理
??? 根據操作者手動控制經驗，本機采用以下形式制定規則，形如：“if A and B then C”。可得出20條模糊語句構成的控制規則。本系統采用了最大最小推理法，運算流程為：對應某個控制規則，分析條件時，把當前規則中的，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。條件檢測結束后，開始估計結果，模糊控制函數通過比較“val”和當前輸出的參考輸出值來得出結果，取大值，作為的輸出值。一旦結果分析完畢，開始一個新的規則查詢。通過遍歷規則基數組進行估計，當遍歷完所有規則后相應的輸出被保存在相應的數組中，用來解模糊。
3．3 逆模糊化
??? 對于單片機系統，考慮簡化逆模糊處理的數學過程，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隸屬度函數采用單點法表示，每個輸出隸屬度函數用一個字節的單點值，存放在AT93C66中，以此作為參數，調整系統的輸出。
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，相當于非線性PD調節器，加上其自身的多級繼電器特性，所以它在本質上無法消除穩態余差，且易產生極限環振蕩。本系統加入了積分環節。
??? 考慮本系統控制參數變化范圍不大，可采用雙模態分段控制算法進行控制，即當偏差大于某個閾值時用模糊控制，以提高系統阻尼性能，減小響應超調。偏差在小于某閾值時，引入積分環節。一般應在系統進入“穩態”后加入積分器。
??? 積分環節的引入，不僅要考慮引入的結構方式，還應該考慮引入的時機，因為常規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。在偏差向著減小方向變化時，引入積分，對系統的動態品質不利，容易產生小范圍的持續振蕩和積分飽和現象，這些實質上都是由于加入的時機不恰當造成的。針對常規積分控制作用的上述缺陷及產生的根本原因，應在系統進入“穩態”后加入積分器，可以根據偏差及偏差變化趨勢來改變積分器的作用，僅當在偏差向著增大方向變化時，積分起作用，抑制偏差繼續增大，并可改善穩定性能。模糊積分引入方式見圖3，是由一常規積分器與二維模糊控制器相關聯構成。

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??? 常規積分控制器輸出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，因引入了積分環節，本控制器可消除穩態誤差，消除極限環震蕩。

4 結 語
??? 本溫度控制系統結構簡單，使用的主要芯片為AT89C55WD，ICL7135，AT93C66，CD4512。軟件實現容易、編程量小、控制精度高、性能穩定。由于采用在系統可編程技術的單片機，該系統可在正常工作下進行調試，只需設定不同的參數，即可應用于不同的工作環境。該溫控儀樣機在揚州亞星客車烘房做了試驗，結果表明可在一定程度上提高產品的涂裝表面質量和生產效率。