摘 要： 在借鑒解析式模糊控制方法的基礎(chǔ)上，剖析了系統(tǒng)存在較大超調(diào)的原因，進而引入跟蹤受控對象瞬時狀態(tài)的升溫速率因子，并提出根據(jù)該因子在控溫過程中從宏觀上合理安排控制策略的分層控制方法，用以實現(xiàn)模溫機的溫度控制。實驗數(shù)據(jù)表明該方法能有效抑制超調(diào)現(xiàn)象，從總體上優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能。
關(guān)鍵詞： 模溫機；模糊控制；溫度控制；超調(diào)；升溫速率
在注塑工業(yè)中，注塑機配備了專用的模具溫度控制系統(tǒng)，一般稱為模溫機，用來加熱或冷卻模具并保持它的工作溫度，保證注塑件品質(zhì)穩(wěn)定并優(yōu)化加工時間。模溫機由電器部分及流體輸送部分構(gòu)成，前者包括控制器、開關(guān)/安全元件、溫度傳感器等，后者包括加熱器、冷卻器、主泵、安全元件等。其中，控制器作為模溫機的神經(jīng)中樞，負責(zé)安排模溫機的整個工作流程，并關(guān)系到其工作性能的好壞。因此，設(shè)計一套性能優(yōu)越、功能齊全、操作簡便的控制系統(tǒng)，是模溫機設(shè)計技術(shù)的核心和關(guān)鍵所在。
傳統(tǒng)模溫機的溫度控制模塊大多采用PID控制算法，雖然精度高且穩(wěn)定性好，但當(dāng)起始溫度與目標(biāo)溫度相差較大時，系統(tǒng)響應(yīng)時間長。另外，PID參數(shù)的調(diào)整也比較困難，這將大大降低系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。鑒于此，本文著重從模糊控制的角度設(shè)計模溫機控制器的溫度控制模塊。問題是由于模溫機可能需要替換不同功率的加熱器，而且各種注塑原料其熱學(xué)物理特性也存在差異，基于專家經(jīng)驗的模糊控制方法將不能很好地適應(yīng)這種控溫環(huán)境的變化。這使得在一種控溫環(huán)境下正常工作的模糊控制策略可能會在另一種控溫環(huán)境中導(dǎo)致超調(diào)的不良現(xiàn)象。對此，本文通過引入升溫速率因子，提出一種有效抑制超調(diào)的模糊控制方法，使系統(tǒng)在一定程度上能夠適應(yīng)控溫環(huán)境的變化。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
綜合考慮產(chǎn)品成本、系統(tǒng)性能等因素，模溫機控制器選用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC10F12XE作為微控制器。STC10F12XE屬于STC11/10xx系列單片機，工作在單機器周期下，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，速度卻快了8~12倍，有效保證了系統(tǒng)控制的實時性，并具有低功耗和超強抗干擾的優(yōu)點，同時芯片內(nèi)部還集成了12 KB的Flash程序存儲器、512 KB的SRAM以及1 KB的EEPROM，足以存放實現(xiàn)復(fù)雜控制算法的程序代碼以及系統(tǒng)運行所需的相關(guān)參數(shù)，完全能夠勝任本系統(tǒng)工業(yè)智能控制的應(yīng)用場合。圍繞STC10F12XE設(shè)計硬件系統(tǒng)，模溫機控制器主要由以下幾個部分組成：電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、顯示電路、溫度采集電路、按鍵檢測電路、相位檢測電路等，如圖1所示。
為增強系統(tǒng)在工業(yè)控制場合的抗干擾性，在硬件實現(xiàn)時將控制器分成主板和控制板兩部分。主板主要包含以處理數(shù)字信號為主的復(fù)位電路、時鐘電路、數(shù)碼管、指示燈顯示電路及按鍵檢測電路?？刂瓢鍎t包括處理模擬信號為主的電源電路、相序檢測電路、溫度采集電路以及繼電器開關(guān)電路等。由控制板的電源電路產(chǎn)生兩個獨立電源，分別為兩塊板的相關(guān)電路模塊供電。由主板單片機向控制板發(fā)出的控制信號以及從控制板反饋回單片機的信號均通過光耦隔開，從而增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2 溫度控制及相關(guān)模塊設(shè)計
2.1 溫度采集模塊
本文采用外接A/D轉(zhuǎn)換芯片的方法實現(xiàn)模溫機控制器的溫度采集模塊，選用的芯片是德州儀器生產(chǎn)的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1549。該芯片可通過單片機串行控制，并以串行方式輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，只需占用單片機3個并行I/O引腳，最大誤差為±1 LSB，配合K型感溫線和信號放大電路就能夠很好地完成溫度采集。
按照TLC1549的工作時序要求，在STC10F12XE定時器T0的中斷控制下，取時序電平脈寬為1 ms，即可平均每25 ms讀取一次采樣數(shù)據(jù)量，從而每200 ms可連續(xù)采樣8次，最終對8次采樣值按算術(shù)平均值濾波后求得有效采樣值，而系統(tǒng)溫度控制周期為6 s，因此5次/s的采樣速率可以滿足系統(tǒng)控制的實時性要求。本文采用線性插值的方法將采樣數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換成實際溫度值，具體做法為在存儲器中存放一張查找表，記錄了在30℃～250℃的控溫范圍內(nèi)每隔5℃取一個溫度值所對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)量。這樣通過查表和簡單的線性計算公式即可由采樣數(shù)據(jù)量求得對應(yīng)溫度值：
2.2 解析式法模糊控制的性能分析
在模溫機的控溫應(yīng)用場合中，環(huán)境噪聲較大，而且由于注塑原料物理特性的差異，以及模具容積與所要求的加熱器功率的不同，無法為受控對象定義統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。可見，PID控制方法用于模溫機的溫度控制存在較大的局限性。模糊控制具有較強的優(yōu)勢，因為它可以利用人類的專家控制經(jīng)驗來彌補受控對象動態(tài)特性中的非線性和不確定性，不依賴對象的數(shù)學(xué)模型，具有較強的魯棒性[1]。為簡化推理過程，模糊控制領(lǐng)域有學(xué)者提出拋開控制表，引用簡單解析式來實現(xiàn)控制規(guī)則，如式(2)[2]所示：
這類權(quán)系數(shù)調(diào)整方法側(cè)重于從微觀上捕捉受控對象的動態(tài)特性，對既定的受控對象有良好的控制效果。但無論是分段指定權(quán)系數(shù)還是在指定權(quán)系數(shù)初值后采用優(yōu)選法在線修正權(quán)系數(shù)，權(quán)系數(shù)的變化規(guī)律都是一定的。因此，當(dāng)受控對象變更時，其動態(tài)特性必然有所變化，若只按某種特定規(guī)律選取權(quán)系數(shù)來跟蹤其動態(tài)特性，將存在一定的局限性。在實驗室環(huán)境下，按照上述優(yōu)選法解析式實現(xiàn)溫度模糊控制算法，并通過在模溫機控制器上外接功率分別為500 W和1 000 W的熔錫爐模擬模溫機加熱器對700 g錫進行加熱控溫實驗，初始溫度為室溫(20 ℃)，當(dāng)目標(biāo)溫度設(shè)置在120 ℃時，500 W錫爐的超調(diào)量為11 ℃，而1 000 W錫爐的超調(diào)量則達到了20 ℃。對于注塑機實際應(yīng)用場合，過高的超調(diào)量會對注塑件的品質(zhì)產(chǎn)生不良影響。
本文所述控制器通過在每個控制周期計算繼電器的閉合時間作為模糊控制的輸出量，考慮到繼電器的使用壽命，控制周期不能過短，本文中設(shè)為6 s。而優(yōu)選法權(quán)系數(shù)調(diào)整周期大致與系統(tǒng)控制周期一致，當(dāng)受控對象升溫速率較快(如2 ~3 ℃/s)時，權(quán)系數(shù)的調(diào)整將明顯滯后。另一方面，由于論域過大會影響系統(tǒng)的控制精度，因此在模糊控制中往往選擇大小合適的論域。這就意味著溫控系統(tǒng)必須在偏差值落入某個較小論域后才開始模糊控制，此前加熱器將一直持續(xù)工作，而在這個階段系統(tǒng)并未對受控對象的動態(tài)特性進行有效跟蹤，且初始溫度偏差越大，則此未受控階段越長。因此，系統(tǒng)是在對受控對象變化趨勢一無所知的情況下進入模糊控制階段的，這種滯后性很有可能導(dǎo)致模糊控制的失效并引起大幅度的超調(diào)。綜上所述，系統(tǒng)的滯后性是引起超調(diào)的重要原因，有必要在模糊控制算法中引入能夠全程調(diào)控受控對象的控制機制。
2.3 帶升溫速率因子的分層模糊控制方法
在傳統(tǒng)模糊控制中，盡管系統(tǒng)進入模糊控制階段前的未受控階段較長，但該階段未受控并不意味著不可控。為克服由此而直接引發(fā)的系統(tǒng)滯后性，本文通過引入分層模糊控制模型來延伸系統(tǒng)控制的覆蓋面，以消除未受控階段，該模型如圖2所示。其中升溫速率因子是一個模糊變量，用以描述受控對象的瞬時狀態(tài)。整個控溫過程可以分為兩個層次，系統(tǒng)控制上層利用升溫速率因子跟蹤受控對象升溫變化趨勢，并據(jù)此從模糊控制策略庫中提取控制策略；系統(tǒng)下層則根據(jù)所選控制策略實施控制子過程，完成后再回到系統(tǒng)控制上層繼續(xù)檢測升溫速率因子。如此循環(huán)往復(fù)，從宏觀和微觀上對受控對象進行全面調(diào)控。
升溫速率因子按溫度上升一定數(shù)值所經(jīng)歷的時間來定義模糊隸屬度speed。在定時器中斷處理例程中，speed計算過程如下列偽代碼所示：
count(time)；
IF ntemp-ltmep>=ΔT THEN
IF time<T1 THEN
speed=0；
reset(time)；
ltemp=ntemp；
ELSE IF time<T2 THEN
speed=0.5；
reset(time)；
ltemp=ntemp；
END
END
IF time>T3 THEN
speed=1；
reset(time)；
ltemp=ntemp；
END
本文取ΔT=2(℃)、T1=3(s)、T2=5(s)，T3=8(s)，所得的speed越小則表示升溫速率越快，反之則越慢。由此，系統(tǒng)就能自始至終跟蹤受控對象的變化趨勢，而不再局限于某類受控對象的動態(tài)特性，且具有較強的實時性。基于上述分層控制模型，系統(tǒng)借助升溫速率因子在較大偏差范圍內(nèi)對受控對象實施全程控制，具體流程如圖3所示。
設(shè)定目標(biāo)溫度TP后，系統(tǒng)實時計算升溫速率因子的模糊隸屬度，跟蹤升溫趨勢。當(dāng)溫度偏差e進入一個較大閾值Emax(如60℃)范圍內(nèi)后，系統(tǒng)根據(jù)speed選擇控制策略。
(1)當(dāng)speed=1時，則認為升溫速率正?；蚱訜崞骺沙掷m(xù)工作。
(2)當(dāng)speed=0時，則認為升溫速率過快，可使加熱器隨機停止工作1或2個控制周期以緩沖升溫速率。
(3)當(dāng)speed=0.5時，則認為升溫速率較快，若當(dāng)前溫度偏差e并未落入模糊控制論域Emin中，則可通過令TP0=當(dāng)前溫度+Emin，系統(tǒng)以TP0為子目標(biāo)進行模糊控制，并按子目標(biāo)計算偏差e0。通過比較e0與閾值E0，當(dāng)溫度上升至靠近子目標(biāo)TP0時，則根據(jù)speed重新選擇宏觀控制策略。
(4)一旦偏差e落入模糊控制論域Emin中，則以TP為目標(biāo)進入最后的模糊控制階段。
按照上述控制規(guī)則，系統(tǒng)結(jié)合升溫速率因子選擇控制策略，從較大的偏差開始，在整個控制過程中將伴隨若干以TP0為子目標(biāo)的階段性模糊控制過程，從而合理協(xié)調(diào)了升溫速率，盡管可能會犧牲一些溫度上升的響應(yīng)時間，但由于有效抑制了超調(diào)，相應(yīng)地也減少了由于超調(diào)而花費的回調(diào)時間。從總體上看，系統(tǒng)性能得到一定程度的優(yōu)化。
3 實驗結(jié)果分析
在室溫(20℃)下分別選用功率為500 W和1000 W的熔錫爐仿真模溫機加熱器對700 g錫進行加熱控溫實驗。實驗中分別采用了不帶升溫速率因子的普通模糊控制算法和帶升溫速率因子的分層模糊控制算法進行對比，具體數(shù)據(jù)如表1及表2所示。
通過比較兩種不同功率熔錫爐的實驗數(shù)據(jù)可知，采用普通模糊控制方法進行控溫，超調(diào)量將隨著熔錫爐功率變大而顯著變大，而帶升溫速率因子的分層模糊控制方法的超調(diào)量則幾乎沒有變化，且所需的控溫時間也并不比普通模糊控制方法長。實驗結(jié)果表明，帶升溫速率因子的分層模糊控制方法能有效抑制超調(diào)，且對控溫環(huán)境的變化有良好的適應(yīng)能力。
本文針對模溫機應(yīng)用場合控溫環(huán)境時有變化的情況，討論了普通權(quán)系數(shù)自調(diào)整的解析式模糊控制方法的局限性，指出系統(tǒng)控制的滯后性是引發(fā)超調(diào)的重要原因。為能更準(zhǔn)確地描述受控對象的變化趨勢，本文引入了實時性較強的升溫速率因子，并結(jié)合該因子在較大偏差范圍內(nèi)合理選擇控制策略，使進入最后模糊控制階段前相當(dāng)長的時段不再成為控溫“盲區(qū)”，能針對不同受控對象的動態(tài)變化特性協(xié)調(diào)整個控溫過程。當(dāng)受控對象升溫速率過快時，系統(tǒng)通過在控溫過程中插入若干控制子過程加以宏觀調(diào)控。當(dāng)受控對象升溫速率正常時，系統(tǒng)控溫過程則趨于普通的模糊控制。實驗數(shù)據(jù)表明，本文提出的模糊控制方法有效抑制了超調(diào)現(xiàn)象，對控溫環(huán)境的變化有良好的適應(yīng)性。
參考文獻
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