摘要：以加熱爐為控制對象，介紹了一種智能的溫度模糊控制系統。模糊控制器由80C196單片機實現，具有數據采集、爐溫控制以及故障檢測等功能，采用規則自尋優的控制算法進行過程控制，對該算法進行了深入的研究，仿真結果表明該系統控制效果好，穩態精度高，超調量小。 關鍵詞：模糊控制 單片機 規則自尋優算法 1． 引言 模糊控制是智能控制的分支之一，它具有以下特點：它是一種非線性控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合于非線性系統的控制；它不依賴于對象的數學模型，對無法建模或很難建模的復雜對象，可以利用人的經驗知識來設計模糊控制器，從而完成控制任務，而傳統的控制方法都要已知被控對象的數學模型才能設計控制器；它具有內在的并行處理機制，表現出極強的魯棒性，對被控對象的特性變化不敏感，模糊控制器的設計參數容易選擇調整；算法簡單、執行快、容易實現，不需要很多的控制理論知識。 加熱爐在冶金、化工等工業生產過程中廣泛地使用，加熱爐的溫度是生產工藝的一項重要指標，溫度控制的好壞將直接影響產品的質量。熱處理加熱爐是一種改善金屬材料及其制品（如機器零件、工具等）性能的工藝。根據不同的目的，將材料及其制品加熱到適宜的溫度、保溫，隨后用不同方法冷卻，改變其內部組織以獲得所要求的性能。熱處理是提高金屬材料及其制品質量的重要手段之一。 熱處理加熱爐具有大慣性、純滯后等非線性以及時變的特點，開關爐門、加熱材料、環境溫度以及電網電壓等都影響控制過程，基于精確數學模型的常規控制例如PID控制難以保證加熱工藝曲線要求。作為非線性控制的一大分支，模糊控制在上述溫度控制系統中可以得到較好的應用，本文介紹的即為基于80C196單片機的加熱爐模糊控制系統。 2． 模糊控制器的設計 本控制系統主要完成數據采集、溫度顯示、爐溫控制、故障檢測以及報警等功能，智能模糊控制器由單片機完成，采用規則自尋優的控制算法進行過程控制。加熱爐采用雙向可控硅控制，由單片機輸出通斷率控制信號，產生可控硅的過零觸發脈沖。 整個系統的核心是模糊控制器，80C196單片機是控制器的主體。它與若干擴展電路（程序存儲器、數據存儲器、地址鎖存器、地址譯碼器等）構成處理器模塊。測溫熱電偶輸出的mV信號經變送器芯片轉換成0～10V的標準信號，再將此信號經A/D轉換之后進入單片機，單片機根據輸入的各種命令，通過模糊控制算法計算控制量，輸出脈沖觸發信號，通過過零觸發電路驅動雙向可控硅，從而控制熱處理加熱爐。此外,智能控制器還包括硬件看門狗電路、故障檢測電路、數碼顯示電路以及電源等。智能模糊控制器的硬件框圖如圖1所示。 模糊控制器的主程序包括初始化、鍵盤管理及控制模塊和顯示模塊的調用。溫度信號的采集、數字濾波、標度變換、控制算法以及溫度顯示等功能的實現由各子程序完成。軟件的主要流程是：利用80C196單片機的定時器Ｔ0和軟件計數產生采樣周期，周期到，程序則轉入控制模塊，調A/D轉換、數字濾波及標度轉換模塊得到爐溫的反饋信號，根據偏差和偏差的變化率計算控制量，輸出脈沖信號控制過零觸發器。啟動、停止以及給定值通過鍵盤利用外部中斷產生，有按鍵輸入時則調用中斷服務程序。程序流程圖如圖2所示。 （1）主程序流程圖 （2） 控制算法模塊流程圖 3． 模糊控制算法的研究 本系統的對象熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統，用基于精確數學模型的常規控制難以保證加熱工藝曲線要求。為此，選用模糊控制算法中的規則自尋優算法。 算法的基本原理采用解析表達式描述的控制規則，它簡單方便，易于處理。二維控制規則自尋優算法可以用解析表達式概括： U=-[αE+（1-α）C] （1） 其中：E、C、U為經過量化和模糊化的模糊變量，相應的論域分別為誤差、誤差變化率及控制量。α為調整因子。由式（1）描述的控制規則可看出，控制作用取決于誤差及誤差變化率，且通過調整α的大小，可以改變對誤差和誤差變化的不同加權程度，α值一旦確定,在整個控制過程中就不再改變。但在實際系統中，系統在不同的狀態下，對控制規則中誤差E與誤差C的加權程度有不同的要求。如誤差較大時,控制系統的主要任務是消除誤差,此時對誤差的加權應該大些；當誤差小時，控制系統的主要任務是使系統盡快穩定，減小超調，此時要求在控制規則中誤差變化率的加權大些。為了得到好的控制性能，就要求α值在控制過程中可調整，即控制規則可在控制過程中在線修正。采用優化設計方法對α進行在線修正，如式（2）所示。 α（k+1）=α（k）+0.618[1-α（k）] |E|≥3 0.618α（k）　 |E|<3 （2） 該系統的控制原理圖如下所示。 4． 性能分析 本系統在仿真運行后，系統工作穩定，操作方便，各項指標都達到了設計要求，圖4是某加熱爐的溫度曲線。從圖中可以看出，曲線的跟蹤性能好，穩態精度高，超調小。 5． 結束語 本文系統介紹了用單片機實現的熱處理加熱爐溫度控制系統，由于控制對象是一種具有純滯后的大慣性環節，采用智能模糊控制器可以達到理想的控制效果。經實驗運行結果表明，本系統具有以下特點： （1） 控制方案合理，穩態精度高，超調小。 （2） 結構簡單，調試方便、抗干擾性強、魯棒性好。