基于PIC16F877单片机的加热炉模糊控制系统设计与研究

王红兵

〓〓1. 引言

〓〓PIC16F877是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于PICmicro系列单片微机，具有Flash program程序内存功能，可以重复烧录程序，适合教学、开发新产品等用途；而其内建ICD(In Circuit Debug)功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。

〓〓模糊控制可以被认为是在总结采用人类自然语言概念操作经验的基础上升华而发展起来的模仿人类智能的一类控制方法，即Fuzzy控制。这类控制的核心是Fuzzy控制器，其作用是将控制误差等精确量模糊数学化为模糊量，然后根据基于语言控制规则或操作经验提取的模糊控制规则推理得到控制作用的模糊量，最后采用一定的清晰化（去模糊）算法将模糊控制量换算为精确控制量输入给执行机构，从而完成系统的Fuzzy控制调节过程。这个过程实质上包含了精确数字与模糊数学集合的变换，语言变量的推理，即模糊逻辑推理过程。

〓〓模糊控制是智能控制的分支之一，它具有以下特点：它是一种非线性控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线性系统的控制；它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，可以利用人的经验知识来设计模糊控制器，从而完成控制任务，而传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型才能设计控制器；它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整；算法简单、执行快、容易实现，不需要很多的控制理论知识。

〓〓加热炉在冶金、化工等工业生产过程中广泛地使用，加热炉的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。热处理加热炉是一种改善金属材料及其制品(如机器零件、工具等)性能的工艺。根据不同的目的，将材料及其制品加热到适宜的温度、保温，随后用不同方法冷却，改变其内部组织以获得所要求的性能。热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段之一。

〓〓热处理加热炉具有大惯性、纯滞后等非线性以及时变的特点，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制例如PID控制难以保证加热工艺曲线要求。作为非线性控制的一大分支，模糊控制在上述温度控制系统中可以得到较好的应用，本文介绍的即为基于PIC16F877单片机的加热炉模糊控制系统。

〓〓2. 模糊控制器的设计

〓〓本控制系统主要完成数据采集、温度显示、炉温控制、故障检测以及报警等功能，智能模糊控制器由单片机完成，采用规则自寻优的控制算法进行过程控制。加热炉采用双向可控硅控制，由单片机输出通断率控制信号，产生可控硅的过零触发脉冲。

〓〓整个系统的核心是模糊控制器，PIC16F877单片机是控制器的主体。它与若干扩展电路(程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译码器等)构成处理器模块。测温热电偶输出的mV信号经变送器芯片转换成0～10V的标准信号，再将此信号经A/D转换之后进入单片机，单片机根据输入的各种命令，通过模糊控制算法计算控制量，输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，从而控制热处理加热炉。此外,智能控制器还包括硬件看门狗电路、故障检测电路、数码显示电路以及电源等。

〓〓模糊控制器的主程序包括初始化、键盘管理及控制模块和显示模块的调用。温度信号的采集、数字滤波、标度变换、控制算法以及温度显示等功能的实现由各子程序完成。软件的主要流程是：利用PIC16F877单片机的定时器T0和软件计数产生采样周期，周期到，程序则转入控制模块，调A/D转换、数字滤波及标度转换模块得到炉温的反馈信号，根据偏差和偏差的变化率计算控制量，输出脉冲信号控制过零触发器。启动、停止以及给定值通过键盘利用外部中断产生，有按键输入时则调用中断服务程序。

〓〓3. 模糊控制算法的研究

〓〓模糊控制算法，是对手动操作者的手动控制策略、经验的总结。模糊控制算法有多种实现形式，采用应用最早、最广泛的查表法，可大大提高模糊控制的时效性，节省内存空间。

〓〓本系统的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，用基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求。为此，选用模糊控制算法中的规则自寻优算法。算法的基本原理采用解析表达式描述的控制规则，它简单方便，易于处理。二维控制规则自寻优算法可以用解析表达式概括：

〓〓U=-[αE+(1-α)C]（1）

〓〓其中：E、C、U为经过量化和模糊化的模糊变量，相应的论域分别为误差、误差变化率及控制量。α为调整因子。由式(1)描述的控制规则可看出，控制作用取决于误差及误差变化率，且通过调整α的大小，可以改变对误差和误差变化的不同加权程度，α值一旦确定,在整个控制过程中就不再改变。但在实际系统中，系统在不同的状态下，对控制规则中误差E与误差C的加权程度有不同的要求。如误差较大时,控制系统的主要任务是消除误差,此时对误差的加权应该大些；当误差小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小超调，此时要求在控制规则中误差变化率的加权大些。为了得到好的控制性能，就要求α值在控制过程中可调整，即控制规则可在控制过程中在线修正。采用优化设计方法对α进行在线修正，如式（2）所示：

〓〓α(k+1)=α(k)+0.618[1-α(k)]|E|≥3

〓〓0.618α(k) |E|<3 （2）

〓〓4. 性能分析

〓〓本系统在仿真运行后，系统工作稳定，操作方便，各项指标都达到了设计要求。

〓〓5. 结束语

〓〓本文系统介绍了用单片机实现的热处理加热炉温度控制系统，由于控制对象是一种具有纯滞后的大惯性环节，采用智能模糊控制器可以达到理想的控制效果。经实验运行结果表明，本系统具有以下特点：

〓〓（1）控制方案合理，稳态精度高，超调小。

〓〓（2）结构简单，调试方便、抗干扰性强、鲁棒性好。

责任编辑〓潘孟良