模糊控制在真空热处理炉温度控制中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西北民族大学电气工程学院 作者:王晓燕

  真空热处理炉中的温度参数是一个大时滞、非线性、时变的复杂控制对象,本论文利用单片计算机为控制核心,通过模糊控制算法实现了真空热处理炉的温度控制,文中给出了硬件电路构成和软件设计流程,通过该控制系统提高了控制精度和动态特性,优化了整机的性能。

引言

  真空热处理炉在钎接、退火、烘干等方面应用非常广泛,其主要的电气控制可分为真空系统的控制和炉内温度的控制,炉内温度的控制对被加工工件的质量有重要的影响,目前真空热处理炉温控系统主要采用数字PID温控仪进行温度控制,该系统存在的问题是控温的动态性能不好,温度存在超调现象,针对存在的问题,设计了利用单片机实现的真空热处理炉温度的模糊控制系统,较好地解决了该控制系统存在的缺陷,提高了系统的控制特性。

1、系统的构成及工作原理

  真空热处理炉是先把加工工件放入真空室,然后将真空室抽成真空状态,此后控制真空室内的温度,使温度按给定的曲线变化,完成工件加工。

2、控制系统硬件电路

  2.1、磁性调压器

  磁性调压器又称可控变压器,是一种无机械传动、无触点调压器,其显著特点之一就是可带负载进行平滑无级调压。输出电压的调节是用很小的直流电流来控制较大负载功率的变化。当控制电流由小变大时,负载上就会得到由小变大的电压。磁性调压器在结构上同普通调压器一样故障率非常低,由于以上原因在真空炉中的加热电源一般选择磁性调压器调压方式。该系统中磁性调压器选择苏州华群电气设备有限公司的TSGH-100KW/380V型调压器,输出(6-60)V,直流控制功率1150KW,10A。

  2.2、磁性调压器控制回路

  磁性调压器的控制电流由可控整流电路提供,其控制主回路如图1所示,通过改变晶闸管G1G2G3G4的触发角可改变电流Id的大小,从而控制磁性调压器的输出电压。由于直流控制功率

模糊控制在真空热处理炉温度控制中的应用

  虑晶闸管压降等因素,取U 150V 2 = 则整流变压器为220V/150V,1.5KVA,晶闸管为KP20-5,参数为500V,20A。

磁性调压器控制主回路

图1 磁性调压器控制主回路

  2.3、单片机控制系统

  单片机控制系统采集现场温度信号,经信号调理后送入单片计算机,与设定的温度进行比较后,通过控制算法,得出控制信号,通过单片机端口送出脉冲信号,改变整流输出电压的大小,控制磁性调压器的输出电压,改变真空室内的温度。单片机控制系统框图如图2所示。

单片机控制系统简图

图2 单片机控制系统简图

  2.4、同步检测电路

  同步检测电路由同步变压器、电压比较器和光电隔离器件构成。当电源电压正向过零后引起单片机系统的中断,在单片机的中断处理程序中,根据模糊控制所计算出的控制量设定出不同的时间,利用定时的方法,从单片机P1.0送出晶闸管触发信号,达到控制晶闸管触发角的目的。

  2.5、晶闸管触发电路

  晶闸管触发电路由单片机P1.0送出的控制信号经光电隔离、晶体管放大、脉冲变压器变换后形成晶闸管触发信号,控制相应的晶闸管导通或者截止。

3、软件设计

  3.1、模糊控制器的设计

  在本控制系统中选用如图3所示的二维模糊控制器,二维控制器对系统内部的参数变化。

温度模糊控制系统方框图

图3 温度模糊控制系统方框图

  有较强的适应性,对对象的非线性特性不敏感,可保证系统的稳定性,减少响应的超调量。

  3.2、模糊控制语言变量

  模糊控制器的输入变量为温差e和温差的变化率△e,其输出变量为移相控制电路的输入变量u。

  3.4、模糊控制查询表的建立

  表2所包含的控制规则为IF E=Ai AND EC=Bj THEN U=Cij(Ai,Bj,Cij分别为误差,误差变化,控制量变化在各自论域上的模糊子集)。总的模糊关系为R=R1∨R2∨…R44∨R45,误差、误差变化分别取Ai、Bi时的输出控制量为U=(E×EC)R 。针对论域X,Y全部元素的组合,求取相应的控制量变化的模糊集合,并用最大隶属度法对此模糊集合进行模糊判断。在离线计算的基础上,建立如表2的模糊控制查询表,把它存放到单片机中,并编制一个查找查询表的子程序。

表2:模糊控制器查询表

模糊控制器查询表

  在实际的控制过程中,在每一个控制周期,将实测到的误差e(k)(k=0,1,2…)和计算得到的误差变化e(k) -e(k-1)分别乘以量化因子ke、ki,取得以相应论域元素表征的查找查询所需的Ai,Bj后,通过查找表2的相应行和列,立即可输出所需的控制量变化Uij,再乘以比例因子ku,便得到加到被控对象上的实际控制量变化值。

4、结束语

  通过模糊控制实现对真空热处理炉的温度控制,经过一段时间的实际运行表明,该系统运行平稳、自动化水平大大提高,缩短了同国外设备的差距。

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