基于單片機(jī)的密閉容器內(nèi)蒸汽壓力和爐壁溫度控制方案

本文介紹一種用單片機(jī)作為控制器，實(shí)現(xiàn)對密閉容器內(nèi)汽液混合狀態(tài)下的蒸汽壓力和爐壁溫度進(jìn)行控制的方案。該控制器采用模糊控制技術(shù)，適用于非線性、時(shí)變和時(shí)滯系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它具有無超調(diào)、無靜差、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1系統(tǒng)的硬件組成

總體的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

選用PIC16C74單片機(jī)作為主控制芯片，它有40根引腳，振蕩頻率可達(dá)20MHz，內(nèi)含4KB的程序存儲器和192Bytes的RAM。內(nèi)置3個(gè)定時(shí)器，2個(gè)*模塊，一個(gè)同步串行通信接口，一個(gè)5輸入通道的8位A/D轉(zhuǎn)換模塊，并提供了12個(gè)中斷源。

1.2測溫電路部分

本電路的測溫傳感元件采用電阻溫度探測器(RTD)。阻值RT與溫度T有如下對應(yīng)關(guān)系：RT=R0(1+AT+BT2-100CT3+CT4)其中：R0為0℃時(shí)的阻值，A、B、C均為恒定的常數(shù)。本系統(tǒng)中選用Honeywell公司的HEL-700鉑金RTDs。

其電路設(shè)計(jì)為圖2所示。V0為輸出電壓，RT為溫度T時(shí)的阻值。則：V0=[(1+RT/1000)-1]*10/10=0.001RT。根據(jù)圖2電路輸出的電壓值及上式計(jì)算出此時(shí)的RT值，從而通過已知的RTD的電阻/溫度關(guān)系得出測點(diǎn)處的溫度值。也可通過在輸出電壓V0后接差動輸入比例運(yùn)算電路，實(shí)現(xiàn)輸出電壓值與測點(diǎn)處溫度值的一一對應(yīng)關(guān)系。之后，便可直接接單片機(jī)的一路模擬輸入。

1.3測壓電路部分

測壓部分電路如圖3所示。本系統(tǒng)采用的壓力傳感器為Honeywell公司的SCC系列產(chǎn)品，壓力傳感器起到惠斯登橋的作用，在恒流源驅(qū)動時(shí)可提供穩(wěn)定的溫度輸出。圖3中，SCC前邊的電路提供恒流源;后邊的電路中，U3、U4、U5、U6均為集成運(yùn)算放大器，利用U3、U4作為跟隨器，可以起隔離作用，避免后邊電路中的信號對前邊電路產(chǎn)生影響。R3為電位器，調(diào)節(jié)它可以進(jìn)行壓力傳感器偏置的校準(zhǔn)，調(diào)節(jié)R7可以改變壓力傳感器輸出的電壓的放大倍數(shù)。

1.4加熱電路

本系統(tǒng)的加熱部件選用加熱絲，通過對晶閘管的通斷控制實(shí)現(xiàn)加熱功率的變化。圖4為雙向晶閘管型觸發(fā)電路。

MOC3021是雙向晶閘管輸出型的光電耦合器，其作用是隔離單片機(jī)系統(tǒng)和觸發(fā)外部的雙向晶閘管。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí),MOC3021的輸入端有電流輸入，輸出端的雙向晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)外部的雙向晶閘管KS導(dǎo)通。輸出高電平的時(shí)間便是觸發(fā)脈沖的寬度。

本系統(tǒng)是通過對爐壁加熱實(shí)現(xiàn)高溫高壓蒸汽的，該過程是一個(gè)非線性、時(shí)變的過程，因此采用模糊控制技術(shù)來控制本系統(tǒng)。

為了克服計(jì)算量大，耗時(shí)多的缺點(diǎn)，模糊控制器在實(shí)際應(yīng)用中采用查表法實(shí)現(xiàn)。

具體做法是：首先通過離線計(jì)算，得出一個(gè)模糊控制表，然后把控制指標(biāo)存入到計(jì)算機(jī)內(nèi)存。在控制過程中，根據(jù)采樣得到壓力偏差值Pi和溫度偏差值Ti，分別乘以量化因子k1、k2，并經(jīng)量化后得到論域Xi、Yj并由控制表第I行、第J列找到同樣以論域形式表現(xiàn)的控制量Uij，乘以相應(yīng)的比例因子k3得到控制量U，即可用于被控過程，達(dá)到預(yù)期控制目的。這種模糊控制器組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

模糊控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是求取模糊控制表，具體的設(shè)計(jì)方法如下：

(1)模糊控制器的輸入輸出變量

確定實(shí)際溫度與給定溫度的偏差T及實(shí)際壓力與給定壓力的偏差P作為輸入變量，把控制加熱裝置電流的單片機(jī)一個(gè)I/O口在單個(gè)采樣周期內(nèi)輸出高電平的時(shí)間作為輸出變量。這樣設(shè)計(jì)的模糊控制器是雙輸入單輸出的。

(2)確定輸入、輸出的范圍及其對應(yīng)語言變量的論域元素和量化因子系統(tǒng)輸入輸出實(shí)際變化范圍P、T、U根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)定，元素整數(shù)論域及其范圍可根據(jù)需要設(shè)定。在本系統(tǒng)中，由于不允許有溫度和壓力的超調(diào)，且溫度值一直在向接近設(shè)定值的方向變化，所以T、P均為負(fù)值，因此可設(shè)定P和T的元素整數(shù)論域范圍如下：

(3)精確量到元素整數(shù)論域的轉(zhuǎn)化

根據(jù)得到的溫度偏差T及壓力偏差P的精確量，分別乘以相應(yīng)的量化因子k1、k2，并將其對應(yīng)到元素整數(shù)論域上的整數(shù)點(diǎn)處。

(4)模糊控制規(guī)則表的建立

模糊控制規(guī)則的確定有很多方法：1)根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或過程控制知識生成規(guī)則;2)根據(jù)過程的模糊模型生成控制規(guī)則;3)根據(jù)對手工控制操作的系統(tǒng)觀察和測量生成控制規(guī)則;4)根據(jù)學(xué)習(xí)算法生成控制規(guī)則。本系統(tǒng)中根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制規(guī)則。

(5)模糊量的精確化

通過模糊控制規(guī)則表得出的輸出量是一個(gè)模糊量，必須經(jīng)過精確化處理后才能去控制對象，這個(gè)過程稱為精確化，也稱為反模糊化或模糊判決。通常采用的方法有重心法、中位數(shù)法和最大隸屬度法。本系統(tǒng)中采用最大隸屬度法進(jìn)行模糊判決。

最終，可以創(chuàng)建一個(gè)查詢表，根據(jù)量化后的壓力偏差值與溫度偏差值，直接通過查詢此表得出輸出的控制量。將該表存入單片機(jī)的RAM中，在程序運(yùn)行中直接對該表進(jìn)行查詢得出Uij，然后通過反模糊化，得出單個(gè)采樣周期內(nèi)加熱器導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí) 現(xiàn)對加熱量的控制。

本系統(tǒng)中有兩種工作流程供選擇，一種是1.2×105Pa(對應(yīng)蒸汽溫度121℃)，另一 種是2.0×105Pa(對應(yīng)蒸汽溫度134℃)。測溫傳感元件RTD放置在容器外壁某位置。 在加熱過程中，壁溫應(yīng)限制在某一溫度T1以下，因?yàn)檫^高壁溫產(chǎn)生的熱輻 射會對容器內(nèi)的被消毒物品產(chǎn)生較大影響。

在開始工作過程中，程序只對溫度進(jìn)行控制，只要該壁溫不超過設(shè)定的某一溫度，加熱元件 便會以最大功率進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，才進(jìn)入模糊控制階段。

單片機(jī)的初始化主要包括對I/O口的輸入輸出設(shè)定、模擬輸入通道的選擇及定時(shí)器的選用等 。

程序流程如圖6。