基于模糊控制的模溫機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在注塑工業(yè)中，注塑機(jī)配備了專(zhuān)用的模具溫度控制系統(tǒng)，一般稱(chēng)為模溫機(jī)，用來(lái)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(shí)間。模溫機(jī)由電器部分及流體輸送部分構(gòu)成，前者包括控制器、開(kāi)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(jī)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)安排模溫機(jī)的整個(gè)工作流程，并關(guān)系到其工作性能的好壞。因此，設(shè)計(jì)一套性能優(yōu)越、功能齊全、操作簡(jiǎn)便的控制系統(tǒng)，是模溫機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的核心和關(guān)鍵所在。
傳統(tǒng)模溫機(jī)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(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。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(jì)模溫機(jī)控制器的溫度控制模塊。問(wèn)題是由于模溫機(jī)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(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)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(huì)在另一種控溫環(huán)境中導(dǎo)致超調(diào)的不良現(xiàn)象。對(duì)此，本文通過(guò)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(jì)
　綜合考慮產(chǎn)品成本、系統(tǒng)性能等因素，模溫機(jī)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(jī)，工作在單機(jī)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(shí)時(shí)性，并具有低功耗和超強(qiáng)抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)芯片內(nèi)部還集成了12 KB的Flash程序存儲(chǔ)器、512 KB的SRAM以及1 KB的EEPROM，足以存放實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法的程序代碼以及系統(tǒng)運(yùn)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(chǎng)合。圍繞STC10F12XE設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，模溫機(jī)控制器主要由以下幾個(gè)部分組成：電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、顯示電路、溫度采集電路、按鍵檢測(cè)電路、相位檢測(cè)電路等，如圖1所示。

　為增強(qiáng)系統(tǒng)在工業(yè)控制場(chǎng)合的抗干擾性，在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)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(hào)為主的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、數(shù)碼管、指示燈顯示電路及按鍵檢測(cè)電路?？刂瓢鍎t包括處理模擬信號(hào)為主的電源電路、相序檢測(cè)電路、溫度采集電路以及繼電器開(kāi)關(guān)電路等。由控制板的電源電路產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)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(jī)向控制板發(fā)出的控制信號(hào)以及從控制板反饋回單片機(jī)的信號(hào)均通過(guò)光耦隔開(kāi)，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2 溫度控制及相關(guān)模塊設(shè)計(jì)
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(shí)現(xiàn)模溫機(jī)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(guò)單片機(jī)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(jī)3個(gè)并行I/O引腳，最大誤差為±1 LSB，配合K型感溫線和信號(hào)放大電路就能夠很好地完成溫度采集。
　按照TLC1549的工作時(shí)序要求，在STC10F12XE定時(shí)器T0的中斷控制下，取時(shí)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(duì)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(shí)時(shí)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(shí)際溫度值，具體做法為在存儲(chǔ)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(gè)溫度值所對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)量。這樣通過(guò)查表和簡(jiǎn)單的線性計(jì)算公式即可由采樣數(shù)據(jù)量求得對(duì)應(yīng)溫度值：

2.2 解析式法模糊控制的性能分析
　在模溫機(jī)的控溫應(yīng)用場(chǎng)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(wú)法為受控對(duì)象定義統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。可見(jiàn)，PID控制方法用于模溫機(jī)的溫度控制存在較大的局限性。模糊控制具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢岳萌祟?lèi)的專(zhuān)家控制經(jīng)驗(yàn)來(lái)彌補(bǔ)受控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性中的非線性和不確定性，不依賴(lài)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的魯棒性[1]。為簡(jiǎn)化推理過(guò)程，模糊控制領(lǐng)域有學(xué)者提出拋開(kāi)控制表，引用簡(jiǎn)單解析式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則，如式(2)[2]所示：

　這類(lèi)權(quán)系數(shù)調(diào)整方法側(cè)重于從微觀上捕捉受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)既定的受控對(duì)象有良好的控制效果。但無(wú)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(duì)象變更時(shí)，其動(dòng)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(lái)跟蹤其動(dòng)態(tài)特性，將存在一定的局限性。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，按照上述優(yōu)選法解析式實(shí)現(xiàn)溫度模糊控制算法，并通過(guò)在模溫機(jī)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(jī)加熱器對(duì)700 g錫進(jìn)行加熱控溫實(shí)驗(yàn)，初始溫度為室溫(20 ℃)，當(dāng)目標(biāo)溫度設(shè)置在120 ℃時(shí)，500 W錫爐的超調(diào)量為11 ℃，而1 000 W錫爐的超調(diào)量則達(dá)到了20 ℃。對(duì)于注塑機(jī)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，過(guò)高的超調(diào)量會(huì)對(duì)注塑件的品質(zhì)產(chǎn)生不良影響。
　本文所述控制器通過(guò)在每個(gè)控制周期計(jì)算繼電器的閉合時(shí)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(guò)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(duì)象升溫速率較快(如2 ~3 ℃/s)時(shí)，權(quán)系數(shù)的調(diào)整將明顯滯后。另一方面，由于論域過(guò)大會(huì)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(gè)較小論域后才開(kāi)始模糊控制，此前加熱器將一直持續(xù)工作，而在這個(gè)階段系統(tǒng)并未對(duì)受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有效跟蹤，且初始溫度偏差越大，則此未受控階段越長(zhǎng)。因此，系統(tǒng)是在對(duì)受控對(duì)象變化趨勢(shì)一無(wú)所知的情況下進(jìn)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(duì)象的控制機(jī)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(jìn)入模糊控制階段前的未受控階段較長(zhǎng)，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(guò)引入分層模糊控制模型來(lái)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(gè)模糊變量，用以描述受控對(duì)象的瞬時(shí)狀態(tài)。整個(gè)控溫過(guò)程可以分為兩個(gè)層次，系統(tǒng)控制上層利用升溫速率因子跟蹤受控對(duì)象升溫變化趨勢(shì)，并據(jù)此從模糊控制策略庫(kù)中提取控制策略；系統(tǒng)下層則根據(jù)所選控制策略實(shí)施控制子過(guò)程，完成后再回到系統(tǒng)控制上層繼續(xù)檢測(cè)升溫速率因子。如此循環(huán)往復(fù)，從宏觀和微觀上對(duì)受控對(duì)象進(jìn)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(shí)間來(lái)定義模糊隸屬度speed。在定時(shí)器中斷處理例程中，speed計(jì)算過(guò)程如下列偽代碼所示：
count(time)；
IF ntemp-ltmep>=ΔT THEN
IF timeT1 THEN
speed=0；
reset(time)；
ltemp=ntemp；
ELSE IF timeT2 THEN
speed=0.5；
reset(time)；
ltemp=ntemp；
END
END
IF time>T3 THEN
speed=1；
reset(time)；
ltemp=ntemp；
END