基于模糊PID的电阻炉温度控制系统

摘要：采用AT89C52单片机做为控制核心，利用三位按键结构和液晶显示屏进行给定温度值的设定和实际炉温的显示，由固态继电器构成执行单元，驱动加温装置的运行。同时，将模糊控制算法引入传统的电阻炉温度控制系统，构成模糊PID控制系统。仿真结果表明，该方法具有较好的动静态响应特性和较强的鲁棒性，适用于具有非线性、时变和延迟等特征的控制对象。
关键词：电阻炉；单片机；PID控制；模糊控制

电阻炉是热处理工业中常用的设备，具有大滞后、参数时变、非线性等特点。各个领域对电阻炉温度控制的精度、稳定性、可靠性要求越来越高。提高该类对象的控制品质具有广泛的应用价值。常规PID控制算法简单、易于实现，适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。而实际工业生产过程往往具有非线性和时变性，难以建立精确的数学模型，因此常规PID控制器不能达到理想的控制效果。模糊控制不需要被控对象的精确数学模型，而且控制灵活、鲁棒性强，但模糊控制器的积分作用较弱，导致系统的动态品质较差。将模糊控制和PID控制两者结合起来的复合型控制器，对复杂控制系统具有良好的控制效果。
文中在深入研究先进PID控制理论及其智能优化控制策略的基础上，以电阻炉为被控对象，建立一种温度控制系统。由前端温度传感器及温度检测模块实时检测电阻炉温度，并转换成电压信号，该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶显示屏显示温度并判断是否报警，同时将得到的温度偏差和偏差变化率进行模糊化，建立模糊控制规则表，由设定的模糊控制算法计算出控制量，通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。

1 系统的硬件设计
1．1 总体设计
系统中，控制对象为电阻炉，被控量为炉温，控制目标是使炉温在常压下恒定在一个设定值允许的误差之内。需要检测的输入信号是炉温，需要输出的信号主要是PWM，通过调整其占空比的大小来控制固态继电器的导通与关闭，继而来控制电加热设备的导通与关闭，从而实现炉温的控制。同时设计了报警电路，以提高系统的安全性。控制系统以AT89C52单片机为控制核心，采用闭环控制的工作方式，系统总体结构如图1所示。

1．2 温度检测部分设计
根据系统控制对象的特性，温度传感器采用K型热电偶WRN-130，将检测到的信号通过SBWR系列温度变送器及A／D转换器等温度检测电路处理后转换成数字信号，供单片机处理。
1．3 人机接口部分设计
人机接口部分采用三位按键结构和LCD12864液晶显示屏完成温度给定值的设定、显示以及炉温的实时显示(如图2所示)。3个按键分别是选择键、调整键和确认键。由选择键在三位温度显示值之间循环选择，当位于任意一位时，可以用调整键进行该位数据量的调整(0～9)，当设置好需要设定的温度值后，按确认键，系统将启动，并按照新的温度值进行工作，同时液晶屏显示当前的温度值。