摘 要:针对目前漆包线行业出现的新特点,以提高检测的智能化和适应新的检测要求为目的,设计出新的智能检测装置。它以单片机为核心,采用开关控制并结合参数自整定的模糊pid的双模控制算法,经matlab仿真及实物验证,能满足给定定温控制及给定升温速度控制精度的要求,具有广阔的市场前景。给出部分软件流程图、定温法控制实验温度曲线,以及升温速度matlab仿真曲线图。给定升温速度控制属第一次在实物上使用。
关键词:模糊pid;单片机;智能检测;升温法
中图分类号:tp273文献标识码:a
文章编号:1004-373x(2010)01-174-03
design and realization of a new temperature intelligent control instrument
lei xiangxiao,xu lijuan
(changsha social work college,changsha,410004,china)
abstract:as to features of the enameled wire vocation,for the purpose of improving the detection intelligent and adapting to the newest requirement,a new type of intelligent detecting device is designed,which based on the microcomputer and dual-model control algorithm of self-tune fuzzy pid and switch control,by the matlab simulation and physical verification,to meet the temperature control and speed control to set up precision,it has a bright re flowchart are presented,experimental method is used to control temperature and speed temperature curve of matlab device can meet with the new detection requirement.
keywords:fuzzy-pid;single chip microcomputer;intelligent detection;speed temperature control
0 引 言
随着科学技术的不断发展,对漆包线的生产方和使用方都提出了新的要求,检测方法增多,检测范围广(50~500 ℃),精度要求高(ess≤2 ℃)。国内企业在打入国际市场前必须使其生产的产品满足国际标准,在我国漆包线的检测标准主要是检测它在给定温度点的耐压性能(定温法);而在国外一种新的检测标准是既要检测它在给定温度点的耐压性能(定温法),又要检测它在给定电压下按斜率升温的击穿温度点(升温法)。针对这种情况,本文介绍的软化击穿试验仪是以mcs-51单片机为核心,对定温法采用开关控制并结合参数自整定模糊pid控制的双模控制算法。对升温法采用模型参考模糊pi控制算法;在输入通道上,以k分度号的热电偶为测温传感器,通过电路补偿校正及滤波处理来保证温度测量的准确性;在输出通道,依据温度的不同阶段,分别使用开关控制方式和模糊pid控制方式,来调节电阻炉的加热功率,从而实现温度的理想控制。本文主要介绍温度的智能控制算法及仿真。
1 控制算法
一方面由于电阻炉具有时变性、非线性等特点,而常规的控制原理都是基于精确的数学模型,一般很难实现对终级温度不时变化的精确控制[1-3]。 单一模糊控制在很大程度上改善了温度控制效果,但由于选用的51系列的cpu资源有限,运算能力弱,使得模糊控制表只能取有限的量化等级,无法消除稳态误差,而pi调节器的积分作用有着很好消除稳态误差的作用。另一方面由于软化击穿试验仪是针对所有型号的漆包线而研制的,不同型号的漆包线检测的温度点是不同的,电阻炉的特性会随着工作温度点和时间的变化而变化,为了满足控制效果,试验仪的参数也必须做相应的调整。因此,受工程上结构简单的常规pid控制器的启发,对定温法利用参数在线自整定的模糊pid来构成试验仪的温度控制器。该算法无须给系统建立模型,只根据工作温度点而自行得出pid参数,然后在线检测过程误差,从而形成自适应控制律,并通过对pid参数的在线调整来实现自学习功能。对升温法采用前馈校正pid控制,其结构图如图1所示。
1.1 定温法pid初始参数的自整定
参数自整定的模糊pid控制[4]结构如图2所示。当开关指向b时,进行模糊pid控制;当开关指向d时,闭环系统产生等幅振荡,记录下等幅振荡的振荡幅度a和振荡周期t,然后由ziegler-nichols法整定出一组pid参数。kp=0.6kc;ki=0.5t;kd=0.125t。其中,kc由下式得出;
kc=mπa2-2cos ωt1
式中:m为继电器的输出幅度;参数的具体整定步骤见文献[5]。
图1 前馈校正pid控制
图2 参数自整定的模糊pid控制结构图
1.2 定温法pid参数的在线修正
由上述方法整定出来的参数只是一个大概的参数,在超调量、调节时间、稳态精度等方面离要求还有一定的差距,这就需要进行参数的在线模糊修正。根据实时采集得到的温度值t(k)与目标温度t进行比较,得到误差e(k)=t-t(k)和温度的误差变化ec,将e和ec作为模糊控制器的输入,δkp,δki,δkd作为模糊控制器的输出。
pid参数在线修正的规则为[6-8]:
kp(k+1)=kp(k)+δkp
ki(k+1)=ki(k)+δki
kd(k+1)=kd(k)+δkd
误差e,误差变化ec,δkp,δki,δkd语言值词集为{nb,nm,ns,0,ps,pm,pb};它们的论域分别为x1,x2,y1,y2,y3均量化为7个等级,即{-3,-2,-1,0,1,2,3}。它们的隶属函数采用三角形。
根据专家系统及现场工人的经验,并结合工程上增量式pid形式,经过多次实验,得到pid参数调整的模糊控制规则如下:
if e=nb and ec=nb then δkp=pb δki=nb δkd=ps
if e=nb and ec=nm then δkp=pb δki=nm δkd=nb
if e=nb and ec=ns then δkp=pb δki=nm δkd=nb
…
if e=0 and ec=0 then δkp=0 δki=0 δkp=0
…
if e=pb and ec=pb then δkp=nb δki=pb δkp=ps
根据上述模糊控制规则,利用y=er,离线计算可得出模糊控制表。δkp的模糊控制表见表1;δki和δkd的模糊控制表可用同样的方法得出,这里省略。
1.3 升温法控制的控制算法
为了解决跟随性好的问题,升温法采用前馈校正pid控制[9]。控制算法就是在普通pid控制的基础上对偏差项加一修正因子α(α≥1,α的值在整个控制过程中随偏差e和偏差的变化ec而变化)[9]。也就是说将普通pid控制表达式中的偏差e改为αe。
表1 e,ec,δkp的模糊控制表
ec
e
nbnmns0pspmpb
δkp
nbpbpbpbpbpmps0
nmpbpbpbpmps00
nspmpmpmpmps0ns
0pmpsps0nsnsnm
psps0nsnmnmnmnm
pm00nsnmnbnbnb
pb0nsnmnbnbnbnb
2 软件设计
系统软件采用单片机的c51语言编制,主要由初始化程序、主程序、中断服务程序及一些必要的子程序组成。其中,中断服务程序主要包括定时器中断、击穿报警中断、电流超限中断;各子程序主要包括控制算法子程序、升温法子程序、定温法子程序、显示子程序及键盘管理子程序等。
初始化程序完成对各功能模块的设置,对内部ram预置初值,并对全局参数进行初始化。控制算法子程序完成数据采集,pid参数的整定和查表修正以及pid输出控制。控制算法子程序流程图如图3所示。
图3 控制流程图
升(定)温法子程序完成升(定)温法实验中的各种操作。键盘管理子程序完成各种输入参数的处理和相应控制命令的执行。显示子程序用于实时显示炉体的温度和实验情况以及控制不同显示界面之间的切换。
3 仿真结果
为了验证定温法控制算法的可操作性,将此控制算法应用于软化击穿实验仪的温控系统中。被控对象为-600 w的电阻加热箱,由220 v的单相交流电源供电[10]。在实验中选定目标温度为200 ℃,内部继电自整定点为160°。分别用文献[5]介绍的单一继电自整定pid控制和继电自整定模糊pid控制仿真结果如图4所示。
图4 实验曲线图
对升温法在matlab中进行仿真分析,仿真对象为g(s)=e-80s60s+1,采样时间为20 s,延迟时间为4个采样时间,即80 s。仿真结果如图5所示。从图5可以看出,采用前馈校正控制后,响应时间变快,跟随误差小于2 ℃,满足系统要求。
4 结 语
该装置在实验过程中取得了良好的效果。经过客户试产、应用,取得了良好的市场反映。它具有以下优点:运行稳定,可靠性高;造价低,性价比高;可完成定温控制和升温控制,一机两用;功耗低(小于900 w);检测范围广(定温控制:温度50~500 ℃;升温控制:升温速度为2~5 ℃/min;导线直径φ0.02~2 mm)。
图5 升温法仿真曲线 编辑整理
参考文献
[1]李中华.一种高精度智能温控装置的研究[j].计算机测量与控制,2003,11(7):519-522.
[2]苏卫东.温控箱数学模型及自适应pid控制[j].
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