模糊控制在真空烧结炉炉温控制中的应用

作者：本溪冶金高等专科学校 张国德

欢迎访问e展厅 展厅 5 焙烧/煅烧/烧结炉展厅 烧结机, 烧结炉, 碳化炉, 碳管炉, 承烧板, ... 摘要：针对真空烧结炉的特点，提出了模糊控制算法，给出了以单片机为核心的炉温模糊控制系统。 关键词：真空烧结炉 温度 模糊控制 真空烧结炉是专门为第三代稀土永磁材料NdFeB烧结研制的，还可用于NdFeB永磁材料时效和去磁处理，稀有金属及其合金的烧结和热处理，小型工、模具的淬火和回火等。为满足被处理材料的工艺要求，加热时，烧结炉上下阀门关闭，工件区全封闭，加热器周边均布，因而热损小，温度均匀。由于热区材料选用钼、陶瓷纤维不锈钢材料，工件环境纯洁，无高温挥发物质污染被处理材料。冷却时，上下阀打开，通过炉子后部特殊设计的风冷换热系统，可对炉内工件进行强制气体循环冷却。一般来说，烧结工艺对设备的真空度、温度等参数要求较高，特别是对温度控制的要求十分苛刻，最大温差一般不允许超过给定值的±3～5℃。本设备恒温区尺寸650（L）×450（W）×400（H）mm，最高温度1300℃，温度均匀度±5℃，最大加热功率63KW（磁调容量）。由于在真空中加热，其热损失小、耗能低、漏气率低、工作环境纯洁，保温性能很好，升温速度较快。根据真空烧结炉的特点，采用以89C51单片机为核心构成的模糊控制器对炉温进行自动检测和调节，达到均匀加热的目的。 1 总体结构 本系统主要由单片机模糊控制器、可控硅触发励磁装置、磁性调压器、热电偶传感器和记录仪等组成，这些与被控对象（真空加热室内钼丝加热器）共同组成直接数字控制（DDC）系统，如图1所示，整个控制构成了一个闭环调节系统。加热室由钼制材料、不锈钢、陶瓷及硅酸铝纤维毡等组成，加热器由多股钼丝捆成一束组成并沿炉体轴线方向及垂直方向均匀分布。炉恒温区内装有测温热电偶（标准的铠装铂-铂铑10），前端盖配有观察孔，后端盖带调节屏，加热室体上，侧面均开有通风孔，冷却工件时起导流作用。单片机根据设定工艺曲线与检测信号比较求得偏差后，由模糊控制算法进行模糊推理，然后发出控制信号，通过可控硅触发装置控制可控硅的导通角，从而控制其输出电压，此交流可调电压再经二极管整流变为直流电压对磁性调压器进行励磁控制，以控制磁性调压器的输出功率，功率连续可调，采用电阻加热，达到控制温度的目的。 2 单片机系统硬件实现 如图2所示，89C51单片机通过地址锁存器74LS373扩展一片8K字节的2764作为程序存储器：存放程序、模糊控制表及加温曲线；扩展一片8K字节的6264作为外部数据存储器：存放上次输入的曲线参数及有关的数据，同时设计可靠的保护电路，实现掉电保护功能。为使系统在运行中能准确记录保护动作和控制投入的时间，配置了实时日历时钟芯片MSM5832，该芯片具有秒、分、时、日、星期、月和年等计时功能。8155作为打印机的接口，同时也用作声光报警的接口。8279作为键盘、显示器的接口。可采用按键、定时和故障备忘三种打印方式，可打印炉温、曲线和故障等；当系统出现温度越限、断偶及其它故障时，可进行声光报警及相应提示符显示。12位双积分A/D转换器ICL7109和12位D/A转换器DAC1208用于温度的测量与控制。A/D转换输出的12位数据按两个8位数分次读取，以配合CPU的要求。12位D/A转换器的工作采用双缓冲方式，数据按两个字节分别打入锁存器 （先送高8位数据，再送低4位数据），然后将该12位数据一次送入DAC寄存器进行转换。 3 温度模糊控制 模糊控制器是模糊控制系统的核心，模糊控制器是一种利用专家知识和操作者经验设计的专家控制系统，设计时不用数学解析模型来描述受控系统的特性。在本温度控制系统设计中，采用二维模糊控制器，即以偏差e和偏差变化率Δe作为模糊控制器的输入变量，把加热操作量作为输出变量。在模糊控制过程中，同时把偏差和偏差的变化率作为模糊输入量，这种方法不仅能保证系统控制的稳定性，而且还可减少超调量和振荡现象。根据受控系统的实际情况，确定输入变量的测量范围和输出变量的控制作用范围，以确定每个变量的论域，Ke、Kec和Ku分别为输入和输出变量的量化因子和比例因子。先经限幅处理，再经量化处理就得到了E和EC。根据当前已求得的E和EC，直接查询模糊控制表就获得控制量的变化值ΔU，将该变化值ΔU乘以比例因子Ku，即可得到当前的实际控制量增量Δu。再将该增量和前一采样时刻的实际控制量相加，就得到目前应实施的控制动作，即 uk=uk-1+Ku·ΔU，其模糊控制程序框图如图3所示。 在单片机中对输入的模糊量进行模糊推理，须将所有描述控制过程的控制规则存储在单片机的EPROM中。把专家知识和现场经验转换为用语言表达的模糊控制规则，即设计控制规则库。本系统中，偏差E、偏差变化率EC和控制量的变化的模糊子集定义为 E=｛NB，NM，NS，NO，P0，PS，PM，PB｝ EC=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝ ΔU=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝ P、N分别表示正、负，B、M、S分别表示大、中、小。 建立模糊控制规则表的基本思想，以偏差为负的情况说明。当偏差为负大时，若偏差变化为负，表明此时偏差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大偏差并抑制偏差进一步增大，所以控制量的变化取正大。当偏差为负而偏差变化为正时，系统本身已有减少偏差的趋势，所以为尽快消除偏差且又不超调，应取较小的控制量。故当偏差为负大且偏差变化为正小时，控制量的变化取为正中。若偏差变化为正大或正中时，控制量不宜增加，否则将会造成较大的超调，出现正偏差，因此这时的控制量变化取为0级。当偏差为负中时，控制量的变化应该使偏差尽快消除，基于这种原则，控制量的变化选择同偏差为负大时相同。当偏差为负小时，系统接近稳态。若偏差变化为负时，选取控制量变化为正中，以抑制偏差往负方向变化；若偏差变化为正，系统本身有消除负小偏差的趋势，选取控制量变化为正小即可。可见选取控制量变化的原则是：当偏差大或较大时，选择控制量的大小以尽快消除偏差为主；而当偏差较小时，选择控制量要注意防止超调，以使系统稳定为主要出发点。 为节省内存，提高单片机应用系统的工作速度，实现有效的实时控制，根据隶属函数和模糊控制规则表离线计算对应的模糊控制表（即查询表），并将该表内置在应用软件的EPROM表中，供实时控制过程使用。在实际控制时，模糊控制器首先把输入量量化到输入量的语言变量论域中，再根据量化的结果去查表求出控制量，这样可大大提高模糊控制的实时效果，节省内存空间。 4 结束语 以89C51单片机为核心的真空烧结炉温度模糊控制系统，实时性好、节省内存、精度高、功能强、使用方便，极大地改善了系统的动态与静态特性，温度均匀度不超过±3℃,控温精度高过±1℃,经处理的材料（工件）表面光亮、无氧化、质量可靠、工艺稳定。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/23/2004)