自适应模糊PID控制的工业电阻炉温度控制系统设计与实现

付 裕，卢嘉怡

(陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300)

随着经济社会的不断发展，我国工业生产领域的发展日益增强，人们对于产品的品质要求处于持续增长状态，而温度控制器的出现可增强安全性，在一定程度上具有降低功耗的作用。在工业生产中，电阻炉是最普遍的加热设备，但是该设备存在惯性大、滞后严重等问题，为此，本文在电阻炉温度控制系统的基础上，融合自适应模糊PID算法，可实现对温度的控制，具有重要意义。

1 工业电阻炉温度控制系统模型建立

1.1 电阻炉数学模型的研究

通过研究可知，电热体元件通电后可发出一定热量，而电阻炉温度控制系统针对温度进行调节的主要实现方式是：改变电热体元件的加热功率，使该元件的加热功率与电阻炉温度控制系统的功率相符合，即电阻炉温度控制系统可通过调节电热体供电电压的大小，实现对温度的总体控制。而热能主要通过热能场的方式进行能量传递，但热能在传递过程中存在十分明显的时变性以及非线性，该现象造成电阻炉温度控制系统在模型建立过程中易出现偏差，为此，本文采用实验与理论分析相结合的方式实现模型的建立，模型建立过程中将温度作为被控参数，并通过与外界进行热交换的方式控制电阻炉的温度，该过程中可假设电阻炉在某个时间段发出的总热量为Q，当电阻炉的温度值处于稳定状态时，某一时刻加热元件发出的热量Q=Q1+Q2，其中Q1为电阻炉中积累的热量，而Q2为炉体散失的热量，其公式为

Q=Q1+Q2

(1)

(2)

(3)

式中：T0为外界温度，℃。若电阻炉内温度远远高于外界温度，此时的T0可忽略不计，此时公式为

(4)

将式(4)的两边通过拉普拉斯双曲型方程进行变换可得：

(5)

(6)

通过研究可知，该模型易出现时间上的滞后，从而造成电阻炉的温度反应输出和输入响应时间存在问题，为此，应针对电阻炉模型参数进行确定[1]。

1.2 电阻炉模型参数的确定

针对电阻炉的参数进行研究时，以1 000 ℃系列且型号为SX2-4-10箱式的电阻炉作为研究对象，该电阻炉的额定功率为4 kW，外形尺寸为735 mm×495 mm×480 mm,而炉膛尺寸为300 mm×200 mm×120 mm，质量约为55 kg，可承受的极限温度为1 050 ℃，并且该电阻炉可在1 h内完成升温，在该型号电阻炉的基础上，利用飞升曲线法获取该模型的参数，其实现方法是：在飞升曲线的斜率转折处做切线，可求出纯滞后时间τ为30，惯性时间常数T为150[2]。给电阻炉输入电压U0,直至温度处于恒定状态即可停止输入电压，此时T0=274 ℃，在此基础上，利用调节器调高电阻炉的电压，电压U1=U0+ΔU，其中ΔU=50 V，此时U1对应的稳态温度为364 ℃，其公式为

(7)

(8)

2 自适应模糊PID 控制的工业电阻炉温度控制系统硬件设计

2.1 工业电阻炉温度控制系统总体结构

本文针对电阻炉温度控制系统进行设计过程中，主要利用自适应模糊PID 控制算法作为该系统的核心，该系统的结构组成包括单片机处理器、系统控制单元以及通信转换单元，其中针对单片机处理器进行选择时，可采用STC89C516RD+芯片，而控制单元具有控制温度的功能，可针对电阻炉的温度进行调节，并且内部包含CAN总线通信电路，也可当做被控单元，通过MAX6675AD转换器可将热电偶输出的电压信号转换为数字量温度值，数值转换完毕后，系统可将该温度值反馈至单片机中，并利用模糊PID 控制算法针对电阻丝两端的电压进行调节，以此实现电阻炉温度 的控制。而通信转换单元可完成CAN总线与USB之间的信息转换，有利于实现对电阻炉的控制，电阻炉温度控制系统总体结构如图1所示[3]。

图1 电阻炉温度控制系统总体结构图

2.2 电阻炉温度控制单元硬件电路设计

2.2.1 单片机基本电路设计

针对单片机基本电路进行设计时，可针对时钟、复位、键盘显示以及电源电路进行系统性研究，其中时钟电路是单片机电路中最重要的部分，具有控制单片机运作以及CPU处理速度的作用，因此，本文针对该电路的振荡晶体进行设计时，选用22.118 4 MHz；复位电路在系统出现故障时，将系统的程序恢复至起始地址的作用，因此，复位电路设计中将引脚保持高电平状态，且持续时间控制在10 s以上；键盘电路仅设置5个按键，在参数设定功能方面主要通过软件程序识别按键进行控制；显示电路采用1602液晶显示器；电源电路中主要输入12 V直流电，并由二极管、滤波电容以及7805稳压芯片共同组成[4]。

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2.2.2 温度检测电路设计

针对温度检测电路进行设计时主要采用K型热电偶AD转换芯片MAX6675作为该电路的核心部分，以此实现对电阻炉温度的检测，通过分析可知，MAX6675可将1 023 ℃以内的温度信号转换为SPI接口的数字信号，数字信号转换完毕后，可将该信号进行输出，该芯片具有较好的线性度，其价格方面具有超强的性价比，其实现原理是将低电平产生的脉冲信号进行数据输出，以此形成相应的温度转换数据，温度检测电路如图2所示[5]。

图2 温度检测电路图

2.2.3 可控硅温控电路设计

通过研究可知，可控硅是一种调功控温器件，该器件凭借良好的性能，被广泛应用于多个领域，可控硅在实现对温度的控制时，主要包括两种方法，分别是过零触发以及移相触发，其中过零触发方式可有效解决电路设计复杂的问题，针对可控硅温控电路进行设计时，主要采用MOC3061作为该电路的控制器，具有体积小且功耗低等优势。

2.2.4 CAN通信电路设计

针对CAN通信电路进行设计时，由于CAN总线具有距离远、抗干扰能力强等优势，为此，本文将CAN总线作为电阻炉温度控制系统的通信功能，该电路主要包括时钟电路、SIA1000CAN控制器电路以及82C250CAN总线驱动电路3部分共同组成，具有极强的抗干扰能力，可提升电阻炉温度控制系统的通讯能力[6]。

2.3 通信转换单元电路设计

针对电阻炉温度控制系统的控制单元进行设计时，首先应完成CAN -USB数据转换功能，通信转换单元主要包括CAN总线通信电路以及USB通信电路，由于CAN总线通信电路与上述控制单元的电路基本一致，因此本文重点介绍USB通信电路，USB通信电路主要采用CH372芯片实现通信功能，并将该电路连接至STC89C561RD+系统总线中的PO接口上，在此基础上利用USB接口与电脑进行连接，以此获取电源，将电脑作为该系统的工作电源，有利于节约用电[7]。

3 自适应模糊PID控制的工业电阻炉温度控制系统软件设计

3.1 电阻炉温度控制系统主程序设计

针对电阻炉温度控制系统的主程序进行设计时，首先应为电阻炉温度控制系统接通电源，通过连接电源的方式，可引导主控芯片STM32启动，通过STM32主控芯片可控制主程序进行运转，主程序在运转过程中针对系统内各个模块进行初始化，各项操作均完成后，系统将 利用自身功能，针对温度数据进行采集。并在系统界面上显示电阻炉的相关温度，在系统输入目标值后，整个主程序处于while循环状态中，电阻炉温度控制系统软件主程序流程如图3所示[8]。

图3 电阻炉温度控制系统软件主程序流程图

3.2 电阻炉温度控制系统采样模块设计

为保证电阻炉温度控制系统具有一定可靠性以及对温度测量时具有一定准确性，本文针对电阻炉温度控制系统的温度数据进行多次采样，并针对采集的温度数据进行平均值计算，求得的平均值可作为系统的最终测量结果，电阻炉温度控制系统进行温度采样时，采样程序的关键代码如下：

while(1)

{

adcx=Read Max6675(ADC_CH_TEMP,10);/*采集10次温度值并取平均值保证采样的准确性*/

P_TEMP Value=1024*P_Temp Value/4095;/*比例变换*/

temprate=wendu;/*保存温度传感器热电偶的热电势值*/

adcx=wendu;

wendu -=(u8)wendu;//去掉前面的整数

temprate=(1.43-temprate)/0.0043+25;/*计算得到当前温度值*/

LCD_Showwenduzhi(80,170,200,16,16,”(u8)temprate”);//显示温度数值的部分

temprate-=(u8)temprate;

LCD_Showwenduzhi(90,170,200,16,16,”temprate*100”);//显示温度数值的小数部分

}

3.3 模糊PID控制算法模块设计

模糊PID控制算法模块是电阻炉温度控制系统的核心部分，主要利用模糊PID算法针对电阻炉的温度进行控制，通过研究可知，电阻炉温度控制系统在模糊PID算法的支撑下，可将偏差e的基本论域控制在-100～100，而偏差变化率的基本论域在-10～10。该模块的控制流程是：利用模糊PID算法在系统内设置初始参数，并根据电阻炉的温度设定值与反馈值计算出E与EC，计算出的数值可绘制成表格的形式，通过电阻炉温度控制系统可针对数据进行查询、修改，模糊PID控制流程如图4所示[9]。

图4 模糊PID控制流程图

4 自适应模糊PID控制的工业电阻炉温度控制系统仿真测试

本文主要将型号为SX2-4-10箱式、额定功率为4 kW、外形尺寸为735 mm×495 mm×480 mm、炉膛尺寸为300 mm×200 mm×120 mm、质量约为55 kg的电阻炉作为研究对象，该型号的电阻箱可承受的极限温度为1 050 ℃，为保证该系统的可行性，针对该系统进行仿真测试，测试过程中将炉温的采样时间设置为1 s、温度设置为900 ℃，为保证实验的准确性，针对该系统进行温度的上限和下限进行设置，其中上限温度为905 ℃，而下限温度为895 ℃，工业电阻炉温度控制曲线如图5所示[10]。

图5 工业电阻炉温度控制曲线图

从图5中可看出，电阻炉温度控制系统可在最短的时间内将温度升至设定温度，通过计算可知，该时间为200 s，从仿真测试结果可看出，将该算法应用于电阻炉温度控制系统中，具有较强的控制效果，并且可有效改善外界因素的影响，解决掉系统内的惯性大问题以及滞后现象。

5 结 语

综上所述，本文主要针对电阻炉温度控制系统进行设计，在设计过程中融入自适应模糊PID算法，该算法的融入可有效解决电阻炉温度控制系统存在的时间滞后以及惯性大等问题，并在此基础上针对电阻炉温度控制系统进行仿真测试，测试结果表明，基于自适应模糊PID算法的电阻炉温度控制系统可在最200 s内将炉温升至设定值，并且操作过程十分简单，可将该系统广泛应用于多个领域。