基于模糊策略的电阻炉温控系统设计最新修改.docx

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基于模糊策略的电阻炉温控系统设计最新修改

摘要

电阻炉设备对温度精度的要求高，传统控制方法的延时性、热惯性等特点无法满足控制精度需求。

设计将模糊策略和常规PID控制方法结合，以解决传统电阻炉温度控制精度不足问题。

硬件部分主要完成了温度采集模块、外部通信模块、驱动模块、温度显示模块、电源模块等硬件电路设计。

运用MATLAB软件的Simulink对电阻炉温度控制系统算法进行了仿真。

分别用常规PID控制、常规模糊控制和模糊自整定PID控制对电阻炉温控系统进行仿真实验，仿真结果表明,采用模糊自整定PID的控制系统,系统适应能力更强,控制精度更高,动态性能更好。

设计的电阻炉温控系统能够完成了提高温度控制精度的目标，能够达到缩短调节时间，减小系统超调和稳态误差的设计要求。

关键词模糊控制单片机温度控制电阻炉

Abstract

Inmodernindustrialproduction,thedeviceresistancefurnacetemperatureaccuracyrequirementsincreasinglyhigh,whiletheuseoftraditionalmethodstorelayresistancefurnacetemperaturecontrol,sincethetemperaturehasatimedelay,thethermalinertiaofthesecharacteristics,temperaturecontrolprecisioncannotalwayssolve.Thispaperistosolvethetraditionallackofresistancefurnacetemperaturecontrolaccuracyproblems,thefuzzycontroltechnologyandconventionalPIDcontrolmethod,makesupthefuzzyself-tuningPIDcontrollers.Fuzzyself-tuningPIDcontrollerbasedonhardwarecircuitdesign,algorithmdesign,softwaredesign,implementation,hasasmalleradjustmenterror,fasterspeedofadjustmentofthenewresistancefurnacetemperaturecontroller.

Thedesignofthesystemanalysisofthebasiccomponentsofresistancefurnacetemperaturecontrolsystemworksanditsoperatingcharacteristics.Itgivesafuzzyself-tuningPIDcontroltheoryandST89C51chipcombiningcontrolsystemandmethodforimprovingresistancefurnacetemperaturecontrolaccuracy.AndusingMATLABsoftwareSimulinksimulationmodelresistancefurnacetemperaturecontrolsystemandareusingconventionalPIDcontrol,theconventionalfuzzycontrolandfuzzyself-tuningPIDcontroloftheresistancefurnacetemperaturecontrolsystemsimulationexperiments.Thesimulationresultsshowthatthefuzzyself-tuningPIDcontrolsystem,theabilitytoadaptthesystemstronger,moreprecisecontrolandbetterdynamicperformance,thedesignoftheresistancefurnacetemperaturecontrolsystemtoimprovetheprecisionoftemperaturecontroliscompletedgoals.

KeywordsFuzzyControlSCMTemperatureControlresistancefurnace

结论36

第1章绪论

1.1电阻炉工作背景

电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等部分组成。

电阻炉按照炉内的工作温度范围在650度以下的为低温炉；650—1000度为中温炉；1000度以上为高温炉；在高温和中温炉内主要以辐射方式加热，在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热，电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧道式等类型[1]。

可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。

电阻炉内的电阻元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的温度系数和良好的化学稳定性。

常用的材料有金属和非金属两大类,金属热点元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼等，一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板,非金属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、带等形状[2]。

电阻炉通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。

应用电热法加热与火焰加热相比，热效率高，可达50%-80%，且容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，炉温均匀，适用于要求较严的工件加热[3]。

电炉所消耗的功包括炉子蓄热，工件加热需要热量、工件保温需要的热量、气氛裂解所需的热量，热损失等；其中炉子蓄热由电炉的规格、构造和主要尺寸、炉衬厚度，材料导热系数决定,电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过炉内的加热元件将电能转化为热能并通过辐射与对流的传热方式加热工件[4]。

在实际的工业生产中，电阻炉设备对温度精度的要求很高，但是因为加热设备本身的一些缺点，如温度变化反应迟缓，精度控制效果不理想，所以传统的电阻炉温度控制系统对电阻炉内温度达到精确的调控有很大的难度[5]。

而且利用常规的方法对温度进行调节，其调节结果基本上都有一部分的超调量，而这些超调量会使温度精度进一步下降。

本文正是基于电阻炉设备的这些缺点，研究应用ST89C51单片机为主控芯片引用模糊PID控制方法使电阻炉温度调节拥有更小的误差、更快的反应速度。

1.2电阻炉温控系统国内外发展现状

1.2.1国外发展现状

随着电力电子技术的兴起和微控制技术的兴起，日本、德国、英国、法国、意大利、美国等发达国家，开发了许多功能强大、用途广泛的的控制设备。

随着大量人力与资金的投入控制领域技术得到快速的发展，如电阻炉温度调节系统。

控制领域的发展不仅仅具有巨大的市场潜力并且有很大的节能价值。

发达国家在炉温控制技术方面发展迅速，微型计算机应用的普及使得自动控制系统有了根本上的变化，自动化程度有了巨大的进步。

目前先进国家各种温度控制系统水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。

其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能获得较好的效果，随着生产的发展，对控制的要求也越来越高，随着发展处许多以计算机为基础的新型控制。

观国际和国内炉温自动控制技术的发展状况，国外在炉温自动控制技术方面的研究比较深入，凭借雄厚的科技实力、先进的生产工艺、严格的质量控制和对产品质量的刻意追求和先进的技术、因地制宜的解决方案、丰富的工业知识，其产品遍布世界几十多个国家和地区。

而我国柜内志在的加热设备，成本相对低廉，所控制的量比较少，能实现基本量的控制，但是由于绝大多采用的普通的继电器控制系统，调试、维护困难，灵敏度不够高，不能实现定时精确控制，而且产品先天性不足，使用寿命短，其产品市场占有率很低。

单片机自动化控制系统是将自动控制与电加热系统有机的结合起来，使加热系统在无人干预的情况下通过控制器按规定的程序或指令实现对电加热炉的自动控制。

以单片机为核心的小型自动控制系统具有造价低廉，可靠性高，适用于各种环境下运行等优点，并且在系统硬件组成不变的情况下通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要，是传统继电器控制的替代品[6]。

1.2.2国内发展现状

我国大多数的加热设备还是以继电器控制，使用继电器控制存在着存在着灵敏度较低，反应速度慢，维护成本高，精度不足，导致其产品的市场占有率低。

但是如果将单片机控制系统与电热系统结合起来，利用单片机的自动化调节可以无需人工监测、外加指令，根据内部程序的设定对加热设备进行自动的调节控制。

以单片机为自动控制系统的核心具有成本低，可靠性高，适合各种运行环境等的优势，并且在系统硬件不变的调节，通过改变软件设置便可以满足各种操作模式的需要，这是传统继电器控制在工业化生产中无法实现的功能，需要有大量的加热设备，对温度精度的要求已经成为实际工业生产过程中的重要环节。

微型计算机控制系统在工业温度控制领域也愈加先进，在现实工业生产中，有功能强、精度高、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，能源环保，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。

总体来说，伴随着科学技术的发展，在温度控制方面由微型计算机控制取代常规的继电器控制已成必然，因为微机控制不但确保了生产过程的正常进行，而且提高了产品的数量质量，减轻了人工的劳动量且节约大量电能，对加热对象的温度按照某种指定规律变化实现温度的精确控制[7]。

微型计算机控制以智能方法进行温度测量控制中可模拟智能进程，则微型计算机控制方法在能量消耗方面比传统的继电器控制方法节能许多。

这不仅对工业控制来说具有很大的经济意义，并且对整个社会、国家来说都具有重大意义的。

二十世纪七十年代开始，微型计算机控制系统凭借其功能全面、性能稳定、价格低廉的优势愈来愈受到人们的关注与应用。

现代自动控制越来越趋向智能化方向发展，在许多的自动化控制系统中使用中型机，甚至是超级计算机的作为处理设备。

虽然计算机具有很好的控制效果，但是采用高性能的处理会有很大部分的性能浪费且过高的生产成本。

对于普通的系统中，没有必要配置如此高的处理器。

在工业生产中追求的是经济效益，而不是最迅速关心系统的高性能，使用低成本的单芯片控制，不需要复杂的计算系统是非常合适的小系统的生产中的需要。

随着电子信息技术的快速发展，微型处理芯片在运算速度，功耗，处理能力方面都得到了飞跃式的发展，使微型控制芯片可以更广泛的应用于各个领域。

在温度调节方面使用微型处理芯片具有很大的现实意义。

在以往的生产过程中，要想对炉温进行调控，只能依靠仪表观察与个人经验为参照，进行人工手动调控，这样的调控方式具有很大误差，生产效果不稳定[8]。

现如今凭借其高度集成的芯片，速度快，体积小，性能可靠，低价格的优点，微型计算机已被广泛应用于工业生产中。

设计使用ST89C51单片机对电阻炉内温度进行调控

第2章系统的总体设计

2.1电阻炉控制系统设计方案选择

对电阻炉温度进行调控可采用的方案有：

1.通过电接点温度表利用继电器对温度进行调控。

首先在电接点温度表上对所控温度范围进行设置。

开始工作后若电阻炉内温度低于温度表上温度范围下限常闭触点闭合，电阻开始加热。

当炉内温度又回升到电接点温度表的温度范围。

触电断开，但由于触电闭合形成自锁，温度会继续上升，当温度上升到电接点温度表温度范围的上限时上限常开触点闭合,中间继电器的常闭触点断开,加热器断电,停止加热,不断循环，完成对区域温度的控制[10]。

这种方法控制简单，成本低，但是控制精度低，不适用于高精度控制的场合。

2.输出温度显示调节仪和固态继电器构成的温度控制。

温度仪直接驱动一支固态继电器（SSR）,便可进行大容量的控制。

这种控温系统适用于电加热器的容量较大时的场合。

3.PID算法控制，通过测温元件（热电阻或热电偶）检测到的实际温度与PID仪表已设定好的控制温度进行比较,使PID仪表输出具有P、I、D调节规律的直流电流（0～10

或4～20

）信号,供给可控硅电压调整器,调整器输出的脉冲信号控制可控硅导通角的大小,以改变电加热器的加热功率,从而使控温装置的实际温度与温度设定值基本一致[11]。

（4）Fuzzy-PID复合控制，在PID控制方法的基础上引入Fuzzy策略使得PID控制所输出的三个参数具有自适应的特点，温度进行更加精确的调节。

2.2电阻炉控制系统的设计方案

传统的电阻炉温度控制系统存在以下缺点：

（1）温度的记录精度较低。

（2）设备的控制电路控制精度低，超量大，容易影响产品的质量水平。

（3）系统出现故障时，维护人员无法快速的找到故障点，没有故障自检，维护困难。

（4）没有人机界面及显示功能，不便于生产中的灵活操作。

由于这些问题的存在，温度精度不足的问题难以得到解决，直接导致工业生产的质量水平相对不好，生产成本相对较高等问题。

在国内许多工厂都表达出改造电阻炉温控系统的愿望，以达到提高产品质量，并且解决调控过程中温度精度不足的问题，在温度调控的过程中达到生产更加高效，过程稳定可靠，满足生产过程中对温度精度与生产节能的要求。

电阻炉在工作过程中许多因素均可影响到控制结果，如到达某一温度后还有一段的升温空间、所用的加热材料、环境的温度等，无法满足工业生产中对温度精度的要求。

针对温度变化的连续性与热惯性这一特点，设计以模糊PID算法为基础，并且与单片机ST89C51配合形成控制系统。

对电阻炉内温度进行精确调节。

模糊控制器是一种近年来发展迅速的新控制器，具有在不了解控制对象的确切数学模型的前提下也可对对象进行控制的优点，但必须根据手动控制规则，以控制决策表确定控制量的大小[7]。

其控制原理为控制芯片根据系统偏差和偏差变化率查询相应的模糊控制表，得到

，

，

三个参数的整定值，然后进行PID运算，PID调节对于线性定常系统的控制是非常有效的，但对于非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的系统就不能很好地控制[12]。

而模糊控制器对复杂的和模型不清楚的系统却能进行简单而有效的控制，但由于模糊控制器不具有积分环节，因而在模糊控制系统中又很难完全消除静差，而且在变量分级不足够多的情况下，常常在平衡点附近会有小的振荡现象[13]。

如果把两种控制方法结合起来，就可以构成兼有这两者优点的模糊PID控制器

设计使用的控制芯片是STC89C51，温度数据的采集由S型电热偶来实现，并使用ADC0809对电热偶所采集的模拟信号转换为数字信号，由12864点阵式液晶屏显示炉温数据，利用蜂鸣器作为温度超限报警装置。

使用继电器触发电机进行对电阻炉加热控制，并使用PID算法控制输出状态实现对炉内温度进行准确的控制。

工作原理，电阻炉温度由热电偶检测并产生电势输出是毫伏级电压信号ADC0809芯片对这个微弱的信号非线性校正并且由内部控制器的放大进行A/D转换。

转换后的数字量一方面由液晶屏显示单元上的炉温度，另一方面，炉温度与对照值相比较，根据其偏差值的大小依据控制算术运算，相移控制脉冲的最终输出放大触发继电器的加热或冷却。

以达到控制炉内温度的目的。

如果实际测量温度超过系统所需的温度范围，ST89C51单片机则发出指令到报警系统，系统发生报警蜂鸣器响应。

图2-1电阻炉温度控制系统框图

2.3电阻炉控制系统方案设计确定

温度调控系统由主控芯片，温度采集模块，温度设定模块、温度显示模块、外部通信模块、温度超限报警模块、驱动模块与电源模块八大部分组成。

系统总体如图2-2所示。

图2-2系统总体框图

（1）单片机控制模块：

STC89C51做为系统的控制芯片，进行数据处理并对各个模块的工作状态监测与调整。

（2）温度采集模块：

该模块使用S型热电偶对炉温进行测量并由ADC0809进行A/D转换，并输入到系统主控芯片中。

（3）键盘输入模块：

利用键位输入信号到单片机来设定所需温度。

（4）温度超限报警模块：

温度传感器的检测值与所设值进行比较，若超出限定范围则指示灯闪烁，蜂鸣器响应。

（5）驱动模块：

接受单机所发出的信号经放大改变断电器的工作状态触发电热元件升温。

（6）外部通信模块：

利用MAX232与DSUB连接器对系统外部进行通信。

（7）温度显示模块：

显示电阻炉内实时温度数值与所设定的温度范围。

（8）电源模块：

将市电220V的交流电经过整流、降压为

、

、

、

四种直流电压为电路供电。

第3章系统的硬件设计

3.1单片机选型与晶振电路

3.1.1芯片选型

ST89C51芯片拥有完整的输入输出端口、以及程序存储空间。

与我们通常意义上的微型计算机原理类似，可以通过外接A/D，D/A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，并通过LED屏和外部按钮来实现人机交流，并且能够大量内部I/O端口的连接的设备能够精确地控制电动机拥有强大的工控能力。

ST89C51芯片价格低廉，比较适合对规模较大的计量仪器进行规模化改进。

ST89C51管脚图如图3-1所示。

ST89C51芯片主要特点：

（1）与MCS-51兼容

（2）使用周期:

1000写/擦除周期

（3）4K字节可编程闪存

（4）静态工作:

（5）数据保留时间：

10年

（6）32个可编程输入/输出线

（7）三级程序存储器锁

（8）

位内存

（9）5个中断源

（10）片上振荡器和时钟电路

（11）可编程串行通道

（12）低功耗空闲和掉电模式

（13）时钟电路

图3-1ST89C51管脚图

本文利用ST89C51主要完成的工作为：

（1）通过按键设置工作温度范围。

（2）将S型热电偶反馈回来的温度信号进行数字滤波、单位转化后、按照模糊PID算法进行运算。

（3）将反馈温度信息输出到LED屏幕上。

（4）按照运算结果控制电阻炉内电热元件的工作状态。

（5）对反馈温度进行比对，若超过温度限度发出警报。

由于ST89C51芯片仅有40个接口所以在P0.0至P0.7端口外接8255A芯片拓展I/O口。

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口，其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

控制芯片与拓展芯片接口电路如图3-2所示。

图3-2控制芯片与拓展芯片接口电路

3.1.2晶振与复位电路

晶振是石英振荡器的简称，英文名Crystal,晶振分为有源晶振和无源晶振两种，其作用是在电路产生震荡电流，发出时钟信号。

它是时钟电路中最重要的部件，它的作用是向IC等部件提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题由于制作工艺不断提高，现在晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率、封闭性等重要技术指标都很好，已不容易出现故障，但在选用时仍可留意一下晶振的质量复位电路是为确保微型计算机系统中稳定可靠运行必不可少的重要部分，复位电路的首要功能是进行上电复位[14]。

一般的微型计算机系统正常的供电电源为

，即

。

因为微型计算机电路是时序数字电路，所以它更加需要稳定的时钟信号。

因此在上电时，只有当VCC超过

且低于

并在振荡器稳定工作的情况下，复位信号才能被撤除，单片机电路开始正常工作。

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的,当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位[15]。

ST89C51芯片工作需要复位电路启动，一般的晶振复位启动方式有电信号启动与手动按键启动两种。

设计中采取手动按钮复位的方式，手动按钮复位其工作原理是手动触发按键时，电路导通这时Vcc的

电压就会直接RST端口电位拉高则芯片启动工作。

晶振复位电路接口电路如图3-3所示。

图3-3晶振复位电路接口电路

3.2温度采集模块

3.2.1温度传感器选型

在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。

在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点[16]。

另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度[17]。

热电偶工作原理为：

由于构成热电偶的两根金属的自由电子气密度不一样，则在两个导体接触点自由电子相互扩散出现电势差，被称为接触电动势,随着温度的变化自由电子扩散程度也随之变化，与此同时电动势也跟着变化[18]。

所以在温度相同的情况下热电偶导体接触点的电势也相同，若热电偶导体接触点的温度不相同，电热偶因为各点电势不同就会在回路内产生电流，被称为温差电流。

我们便可以令电热偶一处接触点的温度已知，另一处接触点放入需要测量温度的物体内，通过温差电流，测量出被测物体的温度。

热电偶的技术优势：

测温范围广泛，性能稳定，独立中间介质；响应时间短；量范围为

热电偶可连续测温；电偶性能可靠，机械强度良好，使用寿命长，测量精度高。

3.2.2温度传感器与A/D接口电路

要想对电阻炉的炉温进行精确控制，有必要对电阻炉内温度进行实时检测。

因此，必须使用一种可以适应电阻炉内温度的温度传感器。

设计采用S型热电偶对电阻炉内温度进行实时测量。

S型热电偶可以适用于

至

且测量精度达到

摄氏度，且价格便宜，易于安装使用。

S型热电偶所输出的电压信号在

之间.将模拟信号转换为数字信号反馈到单片机。

传统的温度检测与A/D装换电路具有转换过程繁琐，反应速度慢，外围电路复杂，精度不高缺点。

在本系统中使用ADC0809芯片来完成模拟量到数字量的装换，ADC0809芯片工作不需要复杂的外围电路，工作效率高且，精度较好。

所用封装为MDIP28，工作电压为

之间，吞吐率为10KSPS，并且体积较小。

温度传感器与A/D芯片接口电路如图3-4所示。

图3-4温度传感器与A/D接口电路图

S型热电偶输出的模拟信号可以被转换成8位的数字量，分辨率为0.25摄氏度。

IN1至IN7脚对模拟量接收并使ALE=1，输入的模拟量存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行,直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请[19]。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

ADC0809芯片在应用时应该注意将其布置在原理其他I/O芯片的地方，以降低电源噪声的影响。

3.3温度设定模块

按键是人与计算机互动过程中的重要工具，在查询、输入数据与控制系统的工作状态中，都会用到按键。

根据按键和处理器的连接方式可以分为独立按键和键盘两类。

温度设定模块采用四个单独的键位：

切换键，数字增加键，数字减少键与复位键。

这种独立的键位模式因为每一个按键都