模糊控制在真空熱處理爐溫度控制中的應用

　　真空熱處理爐中的溫度參數是一個(gè)大時(shí)滯、非線(xiàn)性、時(shí)變的復雜控制對象，本論文利用單片計算機為控制核心，通過(guò)模糊控制算法實(shí)現了真空熱處理爐的溫度控制，文中給出了硬件電路構成和軟件設計流程，通過(guò)該控制系統提高了控制精度和動(dòng)態(tài)特性，優(yōu)化了整機的性能。

引言

　　真空熱處理爐在釬接、退火、烘干等方面應用非常廣泛，其主要的電氣控制可分為真空系統的控制和爐內溫度的控制，爐內溫度的控制對被加工工件的質(zhì)量有重要的影響，目前真空熱處理爐溫控系統主要采用數字PID溫控儀進(jìn)行溫度控制，該系統存在的問(wèn)題是控溫的動(dòng)態(tài)性能不好，溫度存在超調現象，針對存在的問(wèn)題，設計了利用單片機實(shí)現的真空熱處理爐溫度的模糊控制系統，較好地解決了該控制系統存在的缺陷，提高了系統的控制特性。

1、系統的構成及工作原理

　　真空熱處理爐是先把加工工件放入真空室，然后將真空室抽成真空狀態(tài)，此后控制真空室內的溫度，使溫度按給定的曲線(xiàn)變化，完成工件加工。

2、控制系統硬件電路

　　2.1、磁性調壓器

　　磁性調壓器又稱(chēng)可控變壓器，是一種無(wú)機械傳動(dòng)、無(wú)觸點(diǎn)調壓器，其顯著(zhù)特點(diǎn)之一就是可帶負載進(jìn)行平滑無(wú)級調壓。輸出電壓的調節是用很小的直流電流來(lái)控制較大負載功率的變化。當控制電流由小變大時(shí)，負載上就會(huì )得到由小變大的電壓。磁性調壓器在結構上同普通調壓器一樣故障率非常低，由于以上原因在真空爐中的加熱電源一般選擇磁性調壓器調壓方式。該系統中磁性調壓器選擇蘇州華群電氣設備有限公司的TSGH-100KW/380V型調壓器，輸出(6-60)V，直流控制功率1150KW，10A。

　　2.2、磁性調壓器控制回路

　　磁性調壓器的控制電流由可控整流電路提供，其控制主回路如圖1所示，通過(guò)改變晶閘管G1G2G3G4的觸發(fā)角可改變電流Id的大小，從而控制磁性調壓器的輸出電壓。由于直流控制功率

　　慮晶閘管壓降等因素，取U 150V 2 = 則整流變壓器為220V/150V，1.5KVA，晶閘管為KP20-5，參數為500V，20A。

圖1 磁性調壓器控制主回路

　　2.3、單片機控制系統

　　單片機控制系統采集現場(chǎng)溫度信號，經(jīng)信號調理后送入單片計算機，與設定的溫度進(jìn)行比較后，通過(guò)控制算法，得出控制信號，通過(guò)單片機端口送出脈沖信號，改變整流輸出電壓的大小，控制磁性調壓器的輸出電壓，改變真空室內的溫度。單片機控制系統框圖如圖2所示。

圖2 單片機控制系統簡(jiǎn)圖

　　2.4、同步檢測電路

　　同步檢測電路由同步變壓器、電壓比較器和光電隔離器件構成。當電源電壓正向過(guò)零后引起單片機系統的中斷，在單片機的中斷處理程序中，根據模糊控制所計算出的控制量設定出不同的時(shí)間，利用定時(shí)的方法，從單片機P1.0送出晶閘管觸發(fā)信號，達到控制晶閘管觸發(fā)角的目的。

　　2.5、晶閘管觸發(fā)電路

　　晶閘管觸發(fā)電路由單片機P1.0送出的控制信號經(jīng)光電隔離、晶體管放大、脈沖變壓器變換后形成晶閘管觸發(fā)信號，控制相應的晶閘管導通或者截止。

3、軟件設計

　　3.1、模糊控制器的設計

　　在本控制系統中選用如圖3所示的二維模糊控制器，二維控制器對系統內部的參數變化。

圖3 溫度模糊控制系統方框圖

　　有較強的適應性，對對象的非線(xiàn)性特性不敏感，可保證系統的穩定性，減少響應的超調量。

　　3.2、模糊控制語(yǔ)言變量

　　模糊控制器的輸入變量為溫差e和溫差的變化率△e，其輸出變量為移相控制電路的輸入變量u。

　　3.4、模糊控制查詢(xún)表的建立

　　表2所包含的控制規則為IF E=Ai AND EC=Bj THEN U=Cij(Ai,Bj,Cij分別為誤差，誤差變化，控制量變化在各自論域上的模糊子集)�？偟哪：�關(guān)系為R=R1∨R2∨…R44∨R45,誤差、誤差變化分別取Ai、Bi時(shí)的輸出控制量為U=(E×EC)R 。針對論域X,Y全部元素的組合，求取相應的控制量變化的模糊集合，并用最大隸屬度法對此模糊集合進(jìn)行模糊判斷。在離線(xiàn)計算的基礎上，建立如表2的模糊控制查詢(xún)表，把它存放到單片機中，并編制一個(gè)查找查詢(xún)表的子程序。

表2：模糊控制器查詢(xún)表

　　在實(shí)際的控制過(guò)程中，在每一個(gè)控制周期，將實(shí)測到的誤差e(k)(k=0,1,2…)和計算得到的誤差變化e(k) -e(k-1)分別乘以量化因子ke、ki，取得以相應論域元素表征的查找查詢(xún)所需的Ai,Bj后，通過(guò)查找表2的相應行和列，立即可輸出所需的控制量變化Uij，再乘以比例因子ku，便得到加到被控對象上的實(shí)際控制量變化值。

4、結束語(yǔ)

　　通過(guò)模糊控制實(shí)現對真空熱處理爐的溫度控制，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)際運行表明，該系統運行平穩、自動(dòng)化水平大大提高，縮短了同國外設備的差距。