自適應模糊PID控制的工業電阻爐溫度控制系統設計與實現

付 裕，盧嘉怡

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300)

隨著經濟社會的不斷發展，我國工業生產領域的發展日益增強，人們對于產品的品質要求處于持續增長狀態，而溫度控制器的出現可增強安全性，在一定程度上具有降低功耗的作用。在工業生產中，電阻爐是最普遍的加熱設備，但是該設備存在慣性大、滯后嚴重等問題，為此，本文在電阻爐溫度控制系統的基礎上，融合自適應模糊PID算法，可實現對溫度的控制，具有重要意義。

1 工業電阻爐溫度控制系統模型建立

1.1 電阻爐數學模型的研究

通過研究可知，電熱體元件通電后可發出一定熱量，而電阻爐溫度控制系統針對溫度進行調節的主要實現方式是：改變電熱體元件的加熱功率，使該元件的加熱功率與電阻爐溫度控制系統的功率相符合，即電阻爐溫度控制系統可通過調節電熱體供電電壓的大小，實現對溫度的總體控制。而熱能主要通過熱能場的方式進行能量傳遞，但熱能在傳遞過程中存在十分明顯的時變性以及非線性，該現象造成電阻爐溫度控制系統在模型建立過程中易出現偏差，為此，本文采用實驗與理論分析相結合的方式實現模型的建立，模型建立過程中將溫度作為被控參數，并通過與外界進行熱交換的方式控制電阻爐的溫度，該過程中可假設電阻爐在某個時間段發出的總熱量為Q，當電阻爐的溫度值處于穩定狀態時，某一時刻加熱元件發出的熱量Q=Q1+Q2，其中Q1為電阻爐中積累的熱量，而Q2為爐體散失的熱量，其公式為

Q=Q1+Q2

(1)

(2)

(3)

式中：T0為外界溫度，℃。若電阻爐內溫度遠遠高于外界溫度，此時的T0可忽略不計，此時公式為

(4)

將式(4)的兩邊通過拉普拉斯雙曲型方程進行變換可得：

(5)

(6)

通過研究可知，該模型易出現時間上的滯后，從而造成電阻爐的溫度反應輸出和輸入響應時間存在問題，為此，應針對電阻爐模型參數進行確定[1]。

1.2 電阻爐模型參數的確定

針對電阻爐的參數進行研究時，以1 000 ℃系列且型號為SX2-4-10箱式的電阻爐作為研究對象，該電阻爐的額定功率為4 kW，外形尺寸為735 mm×495 mm×480 mm,而爐膛尺寸為300 mm×200 mm×120 mm，質量約為55 kg，可承受的極限溫度為1 050 ℃，并且該電阻爐可在1 h內完成升溫，在該型號電阻爐的基礎上，利用飛升曲線法獲取該模型的參數，其實現方法是：在飛升曲線的斜率轉折處做切線，可求出純滯后時間τ為30，慣性時間常數T為150[2]。給電阻爐輸入電壓U0,直至溫度處于恒定狀態即可停止輸入電壓，此時T0=274 ℃，在此基礎上，利用調節器調高電阻爐的電壓，電壓U1=U0+ΔU，其中ΔU=50 V，此時U1對應的穩態溫度為364 ℃，其公式為

(7)

(8)

2 自適應模糊PID 控制的工業電阻爐溫度控制系統硬件設計

2.1 工業電阻爐溫度控制系統總體結構

本文針對電阻爐溫度控制系統進行設計過程中，主要利用自適應模糊PID 控制算法作為該系統的核心，該系統的結構組成包括單片機處理器、系統控制單元以及通信轉換單元，其中針對單片機處理器進行選擇時，可采用STC89C516RD+芯片，而控制單元具有控制溫度的功能，可針對電阻爐的溫度進行調節，并且內部包含CAN總線通信電路，也可當做被控單元，通過MAX6675AD轉換器可將熱電偶輸出的電壓信號轉換為數字量溫度值，數值轉換完畢后，系統可將該溫度值反饋至單片機中，并利用模糊PID 控制算法針對電阻絲兩端的電壓進行調節，以此實現電阻爐溫度 的控制。而通信轉換單元可完成CAN總線與USB之間的信息轉換，有利于實現對電阻爐的控制，電阻爐溫度控制系統總體結構如圖1所示[3]。

圖1 電阻爐溫度控制系統總體結構圖

2.2 電阻爐溫度控制單元硬件電路設計

2.2.1 單片機基本電路設計

針對單片機基本電路進行設計時，可針對時鐘、復位、鍵盤顯示以及電源電路進行系統性研究，其中時鐘電路是單片機電路中最重要的部分，具有控制單片機運作以及CPU處理速度的作用，因此，本文針對該電路的振蕩晶體進行設計時，選用22.118 4 MHz；復位電路在系統出現故障時，將系統的程序恢復至起始地址的作用，因此，復位電路設計中將引腳保持高電平狀態，且持續時間控制在10 s以上；鍵盤電路僅設置5個按鍵，在參數設定功能方面主要通過軟件程序識別按鍵進行控制；顯示電路采用1602液晶顯示器；電源電路中主要輸入12 V直流電，并由二極管、濾波電容以及7805穩壓芯片共同組成[4]。

抗菌藥說明書藥理毒理學不符合抗菌藥說明書撰寫技術指導原則的主要表現為：藥效學小項（包括電生理學）缺失；抗菌譜沒有嚴格按照該指導原則規范的描述；敏感性試驗方法和折點資料缺失；耐藥機制資料缺失。

2.2.2 溫度檢測電路設計

針對溫度檢測電路進行設計時主要采用K型熱電偶AD轉換芯片MAX6675作為該電路的核心部分，以此實現對電阻爐溫度的檢測，通過分析可知，MAX6675可將1 023 ℃以內的溫度信號轉換為SPI接口的數字信號，數字信號轉換完畢后，可將該信號進行輸出，該芯片具有較好的線性度，其價格方面具有超強的性價比，其實現原理是將低電平產生的脈沖信號進行數據輸出，以此形成相應的溫度轉換數據，溫度檢測電路如圖2所示[5]。

圖2 溫度檢測電路圖

2.2.3 可控硅溫控電路設計

通過研究可知，可控硅是一種調功控溫器件，該器件憑借良好的性能，被廣泛應用于多個領域，可控硅在實現對溫度的控制時，主要包括兩種方法，分別是過零觸發以及移相觸發，其中過零觸發方式可有效解決電路設計復雜的問題，針對可控硅溫控電路進行設計時，主要采用MOC3061作為該電路的控制器，具有體積小且功耗低等優勢。

2.2.4 CAN通信電路設計

針對CAN通信電路進行設計時，由于CAN總線具有距離遠、抗干擾能力強等優勢，為此，本文將CAN總線作為電阻爐溫度控制系統的通信功能，該電路主要包括時鐘電路、SIA1000CAN控制器電路以及82C250CAN總線驅動電路3部分共同組成，具有極強的抗干擾能力，可提升電阻爐溫度控制系統的通訊能力[6]。

2.3 通信轉換單元電路設計

針對電阻爐溫度控制系統的控制單元進行設計時，首先應完成CAN -USB數據轉換功能，通信轉換單元主要包括CAN總線通信電路以及USB通信電路，由于CAN總線通信電路與上述控制單元的電路基本一致，因此本文重點介紹USB通信電路，USB通信電路主要采用CH372芯片實現通信功能，并將該電路連接至STC89C561RD+系統總線中的PO接口上，在此基礎上利用USB接口與電腦進行連接，以此獲取電源，將電腦作為該系統的工作電源，有利于節約用電[7]。

3 自適應模糊PID控制的工業電阻爐溫度控制系統軟件設計

3.1 電阻爐溫度控制系統主程序設計

針對電阻爐溫度控制系統的主程序進行設計時，首先應為電阻爐溫度控制系統接通電源，通過連接電源的方式，可引導主控芯片STM32啟動，通過STM32主控芯片可控制主程序進行運轉，主程序在運轉過程中針對系統內各個模塊進行初始化，各項操作均完成后，系統將 利用自身功能，針對溫度數據進行采集。并在系統界面上顯示電阻爐的相關溫度，在系統輸入目標值后，整個主程序處于while循環狀態中，電阻爐溫度控制系統軟件主程序流程如圖3所示[8]。

圖3 電阻爐溫度控制系統軟件主程序流程圖

3.2 電阻爐溫度控制系統采樣模塊設計

為保證電阻爐溫度控制系統具有一定可靠性以及對溫度測量時具有一定準確性，本文針對電阻爐溫度控制系統的溫度數據進行多次采樣，并針對采集的溫度數據進行平均值計算，求得的平均值可作為系統的最終測量結果，電阻爐溫度控制系統進行溫度采樣時，采樣程序的關鍵代碼如下：

while(1)

{

adcx=Read Max6675(ADC_CH_TEMP,10);/*采集10次溫度值并取平均值保證采樣的準確性*/

P_TEMP Value=1024*P_Temp Value/4095;/*比例變換*/

temprate=wendu;/*保存溫度傳感器熱電偶的熱電勢值*/

adcx=wendu;

wendu -=(u8)wendu;//去掉前面的整數

temprate=(1.43-temprate)/0.0043+25;/*計算得到當前溫度值*/

LCD_Showwenduzhi(80,170,200,16,16,”(u8)temprate”);//顯示溫度數值的部分

temprate-=(u8)temprate;

LCD_Showwenduzhi(90,170,200,16,16,”temprate*100”);//顯示溫度數值的小數部分

}

3.3 模糊PID控制算法模塊設計

模糊PID控制算法模塊是電阻爐溫度控制系統的核心部分，主要利用模糊PID算法針對電阻爐的溫度進行控制，通過研究可知，電阻爐溫度控制系統在模糊PID算法的支撐下，可將偏差e的基本論域控制在-100～100，而偏差變化率的基本論域在-10～10。該模塊的控制流程是：利用模糊PID算法在系統內設置初始參數，并根據電阻爐的溫度設定值與反饋值計算出E與EC，計算出的數值可繪制成表格的形式，通過電阻爐溫度控制系統可針對數據進行查詢、修改，模糊PID控制流程如圖4所示[9]。

圖4 模糊PID控制流程圖

4 自適應模糊PID控制的工業電阻爐溫度控制系統仿真測試

本文主要將型號為SX2-4-10箱式、額定功率為4 kW、外形尺寸為735 mm×495 mm×480 mm、爐膛尺寸為300 mm×200 mm×120 mm、質量約為55 kg的電阻爐作為研究對象，該型號的電阻箱可承受的極限溫度為1 050 ℃，為保證該系統的可行性，針對該系統進行仿真測試，測試過程中將爐溫的采樣時間設置為1 s、溫度設置為900 ℃，為保證實驗的準確性，針對該系統進行溫度的上限和下限進行設置，其中上限溫度為905 ℃，而下限溫度為895 ℃，工業電阻爐溫度控制曲線如圖5所示[10]。

圖5 工業電阻爐溫度控制曲線圖

從圖5中可看出，電阻爐溫度控制系統可在最短的時間內將溫度升至設定溫度，通過計算可知，該時間為200 s，從仿真測試結果可看出，將該算法應用于電阻爐溫度控制系統中，具有較強的控制效果，并且可有效改善外界因素的影響，解決掉系統內的慣性大問題以及滯后現象。

5 結 語

綜上所述，本文主要針對電阻爐溫度控制系統進行設計，在設計過程中融入自適應模糊PID算法，該算法的融入可有效解決電阻爐溫度控制系統存在的時間滯后以及慣性大等問題，并在此基礎上針對電阻爐溫度控制系統進行仿真測試，測試結果表明，基于自適應模糊PID算法的電阻爐溫度控制系統可在最200 s內將爐溫升至設定值，并且操作過程十分簡單，可將該系統廣泛應用于多個領域。