模糊控制在真空燒結(jié)爐爐溫控制中的應(yīng)用

摘要：針對真空燒結(jié)爐的特點，提出了模糊控制算法，給出了以單片機(jī)為核心的爐溫模糊控制系統(tǒng)。
　　關(guān)鍵詞：真空燒結(jié)爐 溫度 模糊控制

　　真空燒結(jié)爐是專門為第三代稀土永磁材料NdFeB燒結(jié)研制的，還可用于NdFeB永磁材料時效和去磁處理，稀有金屬及其合金的燒結(jié)和熱處理，小型工、模具的淬火和回火等。為滿足被處理材料的工藝要求，加熱時，燒結(jié)爐上下閥門關(guān)閉，工件區(qū)全封閉，加熱器周邊均布，因而熱損小，溫度均勻。由于熱區(qū)材料選用鉬、陶瓷纖維不銹鋼材料，工件環(huán)境純潔，無高溫?fù)]發(fā)物質(zhì)污染被處理材料。冷卻時，上下閥打開，通過爐子后部特殊設(shè)計的風(fēng)冷換熱系統(tǒng)，可對爐內(nèi)工件進(jìn)行強(qiáng)制氣體循環(huán)冷卻。一般來說，燒結(jié)工藝對設(shè)備的真空度、溫度等參數(shù)要求較高，特別是對溫度控制的要求十分苛刻，最大溫差一般不允許超過給定值的±3～5℃。本設(shè)備恒溫區(qū)尺寸650（L）×450（W）×400（H）mm，最高溫度1300℃，溫度均勻度±5℃，最大加熱功率63KW（磁調(diào)容量）。由于在真空中加熱，其熱損失小、耗能低、漏氣率低、工作環(huán)境純潔，保溫性能很好，升溫速度較快。根據(jù)真空燒結(jié)爐的特點，采用以89C51單片機(jī)為核心構(gòu)成的模糊控制器對爐溫進(jìn)行自動檢測和調(diào)節(jié)，達(dá)到均勻加熱的目的。

　　1 總體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)主要由單片機(jī)模糊控制器、可控硅觸發(fā)勵磁裝置、磁性調(diào)壓器、熱電偶傳感器和記錄儀等組成，這些與被控對象（真空加熱室內(nèi)鉬絲加熱器）共同組成直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)，如圖1所示，整個控制構(gòu)成了一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。加熱室由鉬制材料、不銹鋼、陶瓷及硅酸鋁纖維氈等組成，加熱器由多股鉬絲捆成一束組成并沿爐體軸線方向及垂直方向均勻分布。爐恒溫區(qū)內(nèi)裝有測溫?zé)犭娕迹?biāo)準(zhǔn)的鎧裝鉑-鉑銠10），前端蓋配有觀察孔，后端蓋帶調(diào)節(jié)屏，加熱室體上，側(cè)面均開有通風(fēng)孔，冷卻工件時起導(dǎo)流作用。單片機(jī)根據(jù)設(shè)定工藝曲線與檢測信號比較求得偏差后，由模糊控制算法進(jìn)行模糊推理，然后發(fā)出控制信號，通過可控硅觸發(fā)裝置控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制其輸出電壓，此交流可調(diào)電壓再經(jīng)二極管整流變?yōu)橹绷麟妷簩Υ判哉{(diào)壓器進(jìn)行勵磁控制，以控制磁性調(diào)壓器的輸出功率，功率連續(xù)可調(diào)，采用電阻加熱，達(dá)到控制溫度的目的。

　　2 單片機(jī)系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　如圖2所示，89C51單片機(jī)通過地址鎖存器74LS373擴(kuò)展一片8K字節(jié)的2764作為程序存儲器：存放程序、模糊控制表及加溫曲線；擴(kuò)展一片8K字節(jié)的6264作為外部數(shù)據(jù)存儲器：存放上次輸入的曲線參數(shù)及有關(guān)的數(shù)據(jù)，同時設(shè)計可靠的保護(hù)電路，實現(xiàn)掉電保護(hù)功能。為使系統(tǒng)在運行中能準(zhǔn)確記錄保護(hù)動作和控制投入的時間，配置了實時日歷時鐘芯片MSM5832，該芯片具有秒、分、時、日、星期、月和年等計時功能。8155作為打印機(jī)的接口，同時也用作聲光報警的接口。8279作為鍵盤、顯示器的接口?？刹捎冒存I、定時和故障備忘三種打印方式，可打印爐溫、曲線和故障等；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)溫度越限、斷偶及其它故障時，可進(jìn)行聲光報警及相應(yīng)提示符顯示。12位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109和12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208用于溫度的測量與控制。A/D轉(zhuǎn)換輸出的12位數(shù)據(jù)按兩個8位數(shù)分次讀取，以配合CPU的要求。12位D/A轉(zhuǎn)換器的工作采用雙緩沖方式，數(shù)據(jù)按兩個字節(jié)分別打入鎖存器 （先送高8位數(shù)據(jù)，再送低4位數(shù)據(jù)），然后將該12位數(shù)據(jù)一次送入DAC寄存器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　3 溫度模糊控制

　　模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，模糊控制器是一種利用專家知識和操作者經(jīng)驗設(shè)計的專家控制系統(tǒng)，設(shè)計時不用數(shù)學(xué)解析模型來描述受控系統(tǒng)的特性。在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中，采用二維模糊控制器，即以偏差e和偏差變化率Δe作為模糊控制器的輸入變量，把加熱操作量作為輸出變量。在模糊控制過程中，同時把偏差和偏差的變化率作為模糊輸入量，這種方法不僅能保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，而且還可減少超調(diào)量和振蕩現(xiàn)象。根據(jù)受控系統(tǒng)的實際情況，確定輸入變量的測量范圍和輸出變量的控制作用范圍，以確定每個變量的論域，Ke、Kec和Ku分別為輸入和輸出變量的量化因子和比例因子。先經(jīng)限幅處理，再經(jīng)量化處理就得到了E和EC。根據(jù)當(dāng)前已求得的E和EC，直接查詢模糊控制表就獲得控制量的變化值ΔU，將該變化值ΔU乘以比例因子Ku，即可得到當(dāng)前的實際控制量增量Δu。再將該增量和前一采樣時刻的實際控制量相加，就得到目前應(yīng)實施的控制動作，即 uk=uk-1+Ku·ΔU，其模糊控制程序框圖如圖3所示。

　　在單片機(jī)中對輸入的模糊量進(jìn)行模糊推理，須將所有描述控制過程的控制規(guī)則存儲在單片機(jī)的EPROM中。把專家知識和現(xiàn)場經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為用語言表達(dá)的模糊控制規(guī)則，即設(shè)計控制規(guī)則庫。本系統(tǒng)中，偏差E、偏差變化率EC和控制量的變化的模糊子集定義為

E=｛NB，NM，NS，NO，P0，PS，PM，PB｝
EC=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝
ΔU=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝
P、N分別表示正、負(fù)，B、M、S分別表示大、中、小。

　　建立模糊控制規(guī)則表的基本思想，以偏差為負(fù)的情況說明。當(dāng)偏差為負(fù)大時，若偏差變化為負(fù)，表明此時偏差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負(fù)大偏差并抑制偏差進(jìn)一步增大，所以控制量的變化取正大。當(dāng)偏差為負(fù)而偏差變化為正時，系統(tǒng)本身已有減少偏差的趨勢，所以為盡快消除偏差且又不超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量。故當(dāng)偏差為負(fù)大且偏差變化為正小時，控制量的變化取為正中。若偏差變化為正大或正中時，控制量不宜增加，否則將會造成較大的超調(diào)，出現(xiàn)正偏差，因此這時的控制量變化取為0級。當(dāng)偏差為負(fù)中時，控制量的變化應(yīng)該使偏差盡快消除，基于這種原則，控制量的變化選擇同偏差為負(fù)大時相同。當(dāng)偏差為負(fù)小時，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)。若偏差變化為負(fù)時，選取控制量變化為正中，以抑制偏差往負(fù)方向變化；若偏差變化為正，系統(tǒng)本身有消除負(fù)小偏差的趨勢，選取控制量變化為正小即可?？梢娺x取控制量變化的原則是：當(dāng)偏差大或較大時，選擇控制量的大小以盡快消除偏差為主；而當(dāng)偏差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以使系統(tǒng)穩(wěn)定為主要出發(fā)點。

　　為節(jié)省內(nèi)存，提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工作速度，實現(xiàn)有效的實時控制，根據(jù)隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則表離線計算對應(yīng)的模糊控制表（即查詢表），并將該表內(nèi)置在應(yīng)用軟件的EPROM表中，供實時控制過程使用。在實際控制時，模糊控制器首先把輸入量量化到輸入量的語言變量論域中，再根據(jù)量化的結(jié)果去查表求出控制量，這樣可大大提高模糊控制的實時效果，節(jié)省內(nèi)存空間。

　　4 結(jié)束語

　　以89C51單片機(jī)為核心的真空燒結(jié)爐溫度模糊控制系統(tǒng)，實時性好、節(jié)省內(nèi)存、精度高、功能強(qiáng)、使用方便，極大地改善了系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)特性，溫度均勻度不超過±3℃,控溫精度高過±1℃,經(jīng)處理的材料（工件）表面光亮、無氧化、質(zhì)量可靠、工藝穩(wěn)定。