关键词：模糊控制 单片机 规则自寻优算法
1． 引言
模糊控制是智能控制的分支之一，它具有以下特点：它是一种非线性控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线性系统的控制；它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，可以利用人的经验知识来设计模糊控制器，从而完成控制任务，而传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型才能设计控制器；它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整；算法简单、执行快、容易实现，不需要很多的控制理论知识。
加热炉在冶金、化工等工业生产过程中广泛地使用，加热炉的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。热处理加热炉是一种改善金属材料及其制品（如机器零件、工具等）性能的工艺。根据不同的目的，将材料及其制品加热到适宜的温度、保温，随后用不同方法冷却，改变其内部组织以获得所要求的性能。热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段之一。
热处理加热炉具有大惯性、纯滞后等非线性以及时变的特点，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制例如PID控制难以保证加热工艺曲线要求。作为非线性控制的一大分支，模糊控制在上述温度控制系统中可以得到较好的应用，本文介绍的即为基于80C196单片机的加热炉模糊控制系统。
2． 模糊控制器的设计
本控制系统主要完成数据采集、温度显示、炉温控制、故障检测以及报警等功能，智能模糊控制器由单片机完成，采用规则自寻优的控制算法进行过程控制。加热炉采用双向可控硅控制，由单片机输出通断率控制信号，产生可控硅的过零触发脉冲。
整个系统的核心是模糊控制器，80C196单片机是控制器的主体。它与若干扩展电路（程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译码器等）构成处理器模块。测温热电偶输出的mV信号经变送器芯片转换成0～10V的标准信号，再将此信号经A/D转换之后进入单片机，单片机根据输入的各种命令，通过模糊控制算法计算控制量，输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，从而控制热处理加热炉。此外,智能控制器还包括硬件看门狗电路、故障检测电路、数码显示电路以及电源等。智能模糊控制器的硬件框图如图1所示。
模糊控制器的主程序包括初始化、键盘管理及控制模块和显示模块的调用。温度信号的采集、数字滤波、标度变换、控制算法以及温度显示等功能的实现由各子程序完成。软件的主要流程是：利用80C196单片机的定时器Ｔ0和软件计数产生采样周期，周期到，程序则转入控制模块，调A/D转换、数字滤波及标度转换模块得到炉温的反馈信号，根据偏差和偏差的变化率计算控制量，输出脉冲信号控制过零触发器。启动、停止以及给定值通过键盘利用外部中断产生，有按键输入时则调用中断服务程序。程序流程图如图2所示。
（1）主程序流程图 （2） 控制算法模块流程图
3． 模糊控制算法的研究
本系统的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，用基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求。为此，选用模糊控制算法中的规则自寻优算法。
算法的基本原理采用解析表达式描述的控制规则，它简单方便，易于处理。二维控制规则自寻优算法可以用解析表达式概括：
U=-[αE+（1-α）C] （1）
其中：E、C、U为经过量化和模糊化的模糊变量，相应的论域分别为误差、误差变化率及控制量。α为调整因子。由式（1）描述的控制规则可看出，控制作用取决于误差及误差变化率，且通过调整α的大小，可以改变对误差和误差变化的不同加权程度，α值一旦确定,在整个控制过程中就不再改变。但在实际系统中，系统在不同的状态下，对控制规则中误差E与误差C的加权程度有不同的要求。如误差较大时,控制系统的主要任务是消除误差,此时对误差的加权应该大些；当误差小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小超调，此时要求在控制规则中误差变化率的加权大些。为了得到好的控制性能，就要求α值在控制过程中可调整，即控制规则可在控制过程中在线修正。采用优化设计方法对α进行在线修正，如式（2）所示。
α（k+1）=α（k）+0.618[1-α（k）] |E|≥3
0.618α（k） |E|<3 （2）
该系统的控制原理图如下所示。
4． 性能分析
本系统在仿真运行后，系统工作稳定，操作方便，各项指标都达到了设计要求，图4是某加热炉的温度曲线。从图中可以看出，曲线的跟踪性能好，稳态精度高，超调小。
5． 结束语
本文系统介绍了用单片机实现的热处理加热炉温度控制系统，由于控制对象是一种具有纯滞后的大惯性环节，采用智能模糊控制器可以达到理想的控制效果。经实验运行结果表明，本系统具有以下特点：
（1） 控制方案合理，稳态精度高，超调小。
（2） 结构简单，调试方便、抗干扰性强、鲁棒性好。
