1,、引 言

電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高,，已經(jīng)在冶金、化工,、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用,，并且在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性,、大滯后,、大慣性、時變性,、升溫單向性等特點的控制對象,，很難用數(shù)學(xué)方法建立的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果,。

單片機以其高可靠性,、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點,，在工業(yè)控制系統(tǒng),、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機進(jìn)行爐溫控制,，可以提高控制質(zhì)量和自動化水平,。

2、單片機爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的單片機爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機控制器,、可控硅輸出部分,、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成,。如圖1所示,。

爐溫信號T通過溫度檢測及變送，變成電信號,，與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較,，計算溫度偏差e和溫度的變化率de/dt，再由智能控制算法進(jìn)行推理,，并得控制量u,，可控硅輸出部分根據(jù)調(diào)節(jié)電加熱爐的輸出功率，即改變可控硅管的接通時間,，使電加熱爐輸出溫度達(dá)到

理想的設(shè)定值,。

3,、系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

以AT89C51單片機為該控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對溫度的采集,、檢測和控制,。該系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。系統(tǒng)由變送器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道,，用于采集爐內(nèi)的溫度信號,。

變送器可以選用DBW，型號,，它將熱電偶信號（溫度信號）變?yōu)?～5 V電壓信號,，以供A/D轉(zhuǎn)換用。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與爐溫數(shù)字化后的給定值進(jìn)行比較,，即可得到實際爐溫和給定爐溫的偏差及溫度的變化率,。爐溫的設(shè)定值由BCD 撥碼盤輸入。由AT89C51構(gòu)成的核心控制器按智能控制算法進(jìn)行推算,，得出所需要的控制量,。由單片機的輸出通過調(diào)節(jié)可控硅管的接通時間，改變電爐的輸出功率,，起到調(diào)溫的作用,。

3.2 系統(tǒng)硬件的選擇

a）微型計算機的選擇

選擇AT89C51單片機構(gòu)成爐溫控制系統(tǒng)。它具有8位CPU,，3 2根I/O線,，4 kB片內(nèi)ROM存儲器，128 kB的RAM存儲器,。AT89C51對溫度是通過可控硅調(diào)功器實現(xiàn)的,。在系統(tǒng)開發(fā)過程中修改程序容易，可以大大縮短開發(fā)周期,。同時,，系統(tǒng)工作過程中能有效地保存一些數(shù)據(jù)信息，不受系統(tǒng)掉電或斷電等突發(fā)情況的影響,。AT89C51單片機內(nèi)部有128 B的RAM存儲器,，不夠本系統(tǒng)使用，因此,，采用6264（8 kB）的RAM作為外部數(shù)據(jù)存儲器,。

b）熱電偶的選擇

本設(shè)計采用 DBW型熱電偶--鎳絡(luò)-鎳硅（線性度較好，熱電勢較大,，靈敏度較高,，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好,，抗氧化性強,，價格便宜）對溫度進(jìn)行檢測,。由于溫度是非線性輸出的，而與輸入的mV信號成線性關(guān)系,，所以在軟件上將此非線性關(guān)系加以修正,，以便正確反映輸入mV信號與溫度之間的關(guān)系。ADC0809把檢測到的連續(xù)變化的溫度模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量,，輸人到單片機中進(jìn)行處理,。

c）鍵盤輸入的選擇

采用4片BCD撥碼盤作為溫度設(shè)定的輸入單元，輸入范圍為0～9999,，可滿足本系統(tǒng)的要求,。每位BCD碼盤占4條線，通過上拉電阻接入8255可編程并行I/O擴展口,。4片BCD碼盤占8255的 A,、B兩口，8255工作方式設(shè)為“0 模式",，A,、B兩口均為輸入方式。開機后,，CPU讀8255口操作,，即可將BCD碼盤的設(shè)定溫度讀入并存人相應(yīng)的存儲單元。

d） 顯示器的選擇

采用字符型LCD（液晶顯示器）模塊TC1602A,，并且它把LCD控制器,、ROM和LCD顯示器用PCB（印制板）連接到一起，只要向 LCD送人相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)便可實現(xiàn)所需要的顯示,，使用特別方便靈活,。第1行顯示設(shè)定溫度，第2行顯示實際溫度,，這樣,，溫差一目了然，方便控制,。

4 ,、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成,。主程序的任務(wù)是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化,，實現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運行,。主程序主要由系統(tǒng)初始化,、數(shù)據(jù)采集及處理、智能推理等部分組成,。系統(tǒng)初始化包括設(shè)置棧底,、工作寄存器組,、控制量的初始值、采樣周期,、中斷方式和狀態(tài),、定時器的工作方式以及8255的初始化、TC1602A的初始化等,。數(shù)據(jù)采集及處理主要包括實時采集電加熱爐的爐溫信號,，計算出實際爐溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對爐溫信號進(jìn)行濾波和限幅處理,。主程序如圖3所示,。

中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時采樣和輸出控制。AT89C51共有6個中斷源：2個外部中斷,、2個定時器溢出中斷及2個串行中斷,。

子程序主要有采樣子程序、數(shù)字濾波子程序,、控制算法子程序,、數(shù)字轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序等,。在采樣程序中包括對A/D啟動,、讀結(jié)果及把A/D結(jié)果轉(zhuǎn)換成為實際溫度值。由于熱電偶本身的非線性及模擬輸人通道存在的非線性,，需要將A/D值與溫度值之間對應(yīng)關(guān)系以表格形式存于EPROM中,。數(shù)字濾波子程序是將 A/D轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量提取有用的量，一方面通過TC1602ALCD模塊顯示出來,；另一方面將該溫度值與被控溫度值進(jìn)行比較,，根據(jù)其偏差值的大小及溫度的變化率，通過智能控制器來改變可控硅管的接通時間,，從而達(dá)到改變電加熱爐的輸出功率,，即控制算法子程序是控制器中重要的一部分，它的原理將在第4節(jié)介紹,。

5 ,、智能控制算法

考慮到電加熱爐是一個非線性、時變和分布參數(shù)系統(tǒng),，所以本文采用一種新型的智能控制算法,。它充分吸取數(shù)學(xué)和自動控制理論成果，與定性知識相結(jié)合,，做到取長補短,，在實時控制中取得較好的成果。

本系統(tǒng)的智能控制器由數(shù)據(jù)庫,、知識庫,、推理機,、學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)、修正環(huán)節(jié)和黑板組成,。數(shù)據(jù)庫中存放各個時刻的采樣值y（k）、偏差e（k）,、控制量u（k）和生成控制量u（k）,，所用的控制規(guī)則序號、每條控制規(guī)則的加權(quán)系數(shù)a都是以數(shù)組的形式存放,。

知識庫中知識由產(chǎn)生式規(guī)則生成,，其規(guī)則集都是按順序排列的。當(dāng)求得偏差e（k）和被調(diào)整量y（k）后,，借助黑板進(jìn)行正向推理,，從上到下順序地搜索知識庫中的匹配模式，一旦找到匹配規(guī)則,，即可求出控制量u（k）,。

學(xué)習(xí)過程是通過修正規(guī)則加權(quán)系數(shù)a，使各種控制規(guī)則產(chǎn)生的控制量隨環(huán)境和控制量效果變化進(jìn)行修正,，從而實現(xiàn)自學(xué)習(xí)的功能,。由于被控制對象具有d步時延，因此,，y（k）是由（k-d）時刻及其以前所有控制量作用的結(jié)果,，則應(yīng)修正控制量u（k-d）的控制規(guī)則所對應(yīng)的控制規(guī)則加權(quán)系數(shù)a［num（k- d）］。

系統(tǒng)爐溫控制過程是一個慢過程,，一般采樣間隔長,，在此間隔時間內(nèi)，被控對象可能受內(nèi)部參數(shù)變化或隨機干擾影響,，因而町能導(dǎo)致（k+1）時刻發(fā)出的控制量使控制效果變差,，影響系統(tǒng)的控制性能。為補充這一不足,，這里引入動態(tài)修正環(huán)節(jié)為：

式中：0 《 r 《 1,。

由修正量和黑板給出的u（k）疊加，得到總輸出控制量為：

式中：β取0.8～0.9,。

6 ,、結(jié)束語

本系統(tǒng)以單片機AT89C51為核心，它具有高可靠性,、高性能價格比,、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點?？刂破鞑捎眯滦偷闹悄芸刂扑惴?，岡而系統(tǒng)升溫快,，控溫精度高，穩(wěn)態(tài)誤差可達(dá)±5℃以內(nèi),，滿足系統(tǒng)要求,。整個系統(tǒng)操作簡便，抗干擾能力強,、運行可靠,。