摘要：針對真空燒結爐的特點，提出了模糊控制算法，給出了以單片機為核心的爐溫模糊控制系統。
　　關鍵詞：真空燒結爐 溫度 模糊控制

　　真空燒結爐是專門為第三代稀土永磁材料NdFeB燒結研制的，還可用于NdFeB永磁材料時效和去磁處理，稀有金屬及其合金的燒結和熱處理，小型工、模具的淬火和回火等。為滿足被處理材料的工藝要求，加熱時，燒結爐上下閥門關閉，工件區全封閉，加熱器周邊均布，因而熱損小，溫度均勻。由于熱區材料選用鉬、陶瓷纖維不銹鋼材料，工件環境純潔，無高溫揮發物質污染被處理材料。冷卻時，上下閥打開，通過爐子后部特殊設計的風冷換熱系統，可對爐內工件進行強制氣體循環冷卻。一般來說，燒結工藝對設備的真空度、溫度等參數要求較高，特別是對溫度控制的要求十分苛刻，最大溫差一般不允許超過給定值的±3～5℃。本設備恒溫區尺寸650（L）×450（W）×400（H）mm，最高溫度1300℃，溫度均勻度±5℃，最大加熱功率63KW（磁調容量）。由于在真空中加熱，其熱損失小、耗能低、漏氣率低、工作環境純潔，保溫性能很好，升溫速度較快。根據真空燒結爐的特點，采用以89C51單片機為核心構成的模糊控制器對爐溫進行自動檢測和調節，達到均勻加熱的目的。

　　1 總體結構

　　本系統主要由單片機模糊控制器、可控硅觸發勵磁裝置、磁性調壓器、熱電偶傳感器和記錄儀等組成，這些與被控對象（真空加熱室內鉬絲加熱器）共同組成直接數字控制（DDC）系統，如圖1所示，整個控制構成了一個閉環調節系統。加熱室由鉬制材料、不銹鋼、陶瓷及硅酸鋁纖維氈等組成，加熱器由多股鉬絲捆成一束組成并沿爐體軸線方向及垂直方向均勻分布。爐恒溫區內裝有測溫熱電偶（標準的鎧裝鉑-鉑銠10），前端蓋配有觀察孔，后端蓋帶調節屏，加熱室體上，側面均開有通風孔，冷卻工件時起導流作用。單片機根據設定工藝曲線與檢測信號比較求得偏差后，由模糊控制算法進行模糊推理，然后發出控制信號，通過可控硅觸發裝置控制可控硅的導通角，從而控制其輸出電壓，此交流可調電壓再經二極管整流變為直流電壓對磁性調壓器進行勵磁控制，以控制磁性調壓器的輸出功率，功率連續可調，采用電阻加熱，達到控制溫度的目的。

　　2 單片機系統硬件實現

　　如圖2所示，89C51單片機通過地址鎖存器74LS373擴展一片8K字節的2764作為程序存儲器：存放程序、模糊控制表及加溫曲線；擴展一片8K字節的6264作為外部數據存儲器：存放上次輸入的曲線參數及有關的數據，同時設計可靠的保護電路，實現掉電保護功能。為使系統在運行中能準確記錄保護動作和控制投入的時間，配置了實時日歷時鐘芯片MSM5832，該芯片具有秒、分、時、日、星期、月和年等計時功能。8155作為打印機的接口，同時也用作聲光報警的接口。8279作為鍵盤、顯示器的接口。可采用按鍵、定時和故障備忘三種打印方式，可打印爐溫、曲線和故障等；當系統出現溫度越限、斷偶及其它故障時，可進行聲光報警及相應提示符顯示。12位雙積分A/D轉換器ICL7109和12位D/A轉換器DAC1208用于溫度的測量與控制。A/D轉換輸出的12位數據按兩個8位數分次讀取，以配合CPU的要求。12位D/A轉換器的工作采用雙緩沖方式，數據按兩個字節分別打入鎖存器 （先送高8位數據，再送低4位數據），然后將該12位數據一次送入DAC寄存器進行轉換。

　　3 溫度模糊控制

　　模糊控制器是模糊控制系統的核心，模糊控制器是一種利用專家知識和操作者經驗設計的專家控制系統，設計時不用數學解析模型來描述受控系統的特性。在本溫度控制系統設計中，采用二維模糊控制器，即以偏差e和偏差變化率Δe作為模糊控制器的輸入變量，把加熱操作量作為輸出變量。在模糊控制過程中，同時把偏差和偏差的變化率作為模糊輸入量，這種方法不僅能保證系統控制的穩定性，而且還可減少超調量和振蕩現象。根據受控系統的實際情況，確定輸入變量的測量范圍和輸出變量的控制作用范圍，以確定每個變量的論域，Ke、Kec和Ku分別為輸入和輸出變量的量化因子和比例因子。先經限幅處理，再經量化處理就得到了E和EC。根據當前已求得的E和EC，直接查詢模糊控制表就獲得控制量的變化值ΔU，將該變化值ΔU乘以比例因子Ku，即可得到當前的實際控制量增量Δu。再將該增量和前一采樣時刻的實際控制量相加，就得到目前應實施的控制動作，即 uk=uk-1+Ku·ΔU，其模糊控制程序框圖如圖3所示。

　　在單片機中對輸入的模糊量進行模糊推理，須將所有描述控制過程的控制規則存儲在單片機的EPROM中。把專家知識和現場經驗轉換為用語言表達的模糊控制規則，即設計控制規則庫。本系統中，偏差E、偏差變化率EC和控制量的變化的模糊子集定義為

E=｛NB，NM，NS，NO，P0，PS，PM，PB｝
EC=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝
ΔU=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝
P、N分別表示正、負，B、M、S分別表示大、中、小。

　　建立模糊控制規則表的基本思想，以偏差為負的情況說明。當偏差為負大時，若偏差變化為負，表明此時偏差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負大偏差并抑制偏差進一步增大，所以控制量的變化取正大。當偏差為負而偏差變化為正時，系統本身已有減少偏差的趨勢，所以為盡快消除偏差且又不超調，應取較小的控制量。故當偏差為負大且偏差變化為正小時，控制量的變化取為正中。若偏差變化為正大或正中時，控制量不宜增加，否則將會造成較大的超調，出現正偏差，因此這時的控制量變化取為0級。當偏差為負中時，控制量的變化應該使偏差盡快消除，基于這種原則，控制量的變化選擇同偏差為負大時相同。當偏差為負小時，系統接近穩態。若偏差變化為負時，選取控制量變化為正中，以抑制偏差往負方向變化；若偏差變化為正，系統本身有消除負小偏差的趨勢，選取控制量變化為正小即可。可見選取控制量變化的原則是：當偏差大或較大時，選擇控制量的大小以盡快消除偏差為主；而當偏差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以使系統穩定為主要出發點。

　　為節省內存，提高單片機應用系統的工作速度，實現有效的實時控制，根據隸屬函數和模糊控制規則表離線計算對應的模糊控制表（即查詢表），并將該表內置在應用軟件的EPROM表中，供實時控制過程使用。在實際控制時，模糊控制器首先把輸入量量化到輸入量的語言變量論域中，再根據量化的結果去查表求出控制量，這樣可大大提高模糊控制的實時效果，節省內存空間。

　　4 結束語

　　以89C51單片機為核心的真空燒結爐溫度模糊控制系統，實時性好、節省內存、精度高、功能強、使用方便，極大地改善了系統的動態與靜態特性，溫度均勻度不超過±3℃,控溫精度高過±1℃,經處理的材料（工件）表面光亮、無氧化、質量可靠、工藝穩定。