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基于单片机的加热炉温度模糊控制系统
1 引 言

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能改善金属材料及其制品(如机器零件、工具等)性能的工艺。根据不同的要求，将材料及其制品加热到适宜的温度并保温，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。
模糊控制是智能控制的分支之一，他具有以下特点：

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，8098单片机是控制器的主体。他与若干扩展电路(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O～10 V的标准信号，再将此信号经A／D转换之后送入单片机，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。智能模糊控制器的硬件框图如图1所示。

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8098单片机的定时器TO和软件计数产生采样周期，周期到，程序则转入控制模块，调用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。程序流程如图2所示。

3模糊控制算法的研究

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，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：

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；a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a的大小，可以改变对误差和误差变化的不同加权程度，a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a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。式(2)采用优化设计方法对口进行在线修正。

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，图4是某加热炉的温度曲线。从图中可以看出，曲线的跟踪性能好，稳态精度高，超调小。

5 结 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。