Controlling System of Pressure in a Closed Vessel

LI Chao, YANG Xiangping, ZHANG Yunxiong

(Mechanical College of Donghua University, Shanghai 200051, China)

　　Key words: temperature; pressure; fuzzy control; PIC single　chi p computer

1系統(tǒng)的硬件組成
　　總體的硬件結構如圖1所示。

　　選用PIC16C74單片機作為主控制芯片，它有40根引腳，振蕩頻率可達20MHz，內含4KB的程序存儲器和192Bytes的RAM。內置3個定時器，2個CCP模塊，一個同步串行通信接口，一個5輸入通道的8位A/D轉換模塊，并提供了12個中斷源。
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有如下對應關系：RT=R0(1+AT+BT2-100CT3+CT4)其中：R0為0℃時的阻值，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。
　　其電路設計為圖2所示。V0為輸出電壓，RT為溫度T時的阻值。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算出此時的RT值，從而通過已知的RTD的電阻/溫度關系得出測點處的溫度值。也可通過在輸出電壓V0后接差動輸入比例運算電路，實現(xiàn)輸出電壓值與測點處溫度值的一一對應關系。之后，便可直接接單片機的一路模擬輸入。
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系列產品，壓力傳感器起到惠斯登橋的作用，在恒流源驅動時可提供穩(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生影響。R3為電位器，調節(jié)它可以進行壓力傳感器偏置的校準，調節(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系統(tǒng)和觸發(fā)外部的雙向晶閘管。當單片機輸出高電平時,MOC3021的輸入端有電流輸入，輸出端的雙向晶閘管導通，觸發(fā)外部的雙向晶閘管KS導通。輸出高電平的時間便是觸發(fā)脈沖的寬度。

　　本系統(tǒng)是通過對爐壁加熱實現(xiàn)高溫高壓蒸汽的，該過程是一個非線性、時變的過程，因此采用模糊控制技術來控制本系統(tǒng)。
　　為了克服計算量大，耗時多的缺點，模糊控制器在實際應用中采用查表法實現(xiàn)。
　　具體做法是：首先通過離線計算，得出一個模糊控制表，然后把控制指標存入到計算機內存。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，乘以相應的比例因子k3得到控制量U，即可用于被控過程，達到預期控制目的。這種模糊控制器組成的系統(tǒng)結構如圖5所示。

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　　模糊控制器設計的關鍵是求取模糊控制表，具體的設計方法如下：
　　(1)模糊控制器的輸入輸出變量
　　確定實際溫度與給定溫度的偏差T及實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一個I／O口在單個采樣周期內輸出高電平的時間作為輸出變量。這樣設計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語言變量的論域元素和量化因子系統(tǒng)輸入輸出實際變化范圍P、T、U根據(jù)系統(tǒng)的實際情況設定，元素整數(shù)論域及其范圍可根據(jù)需要設定。在本系統(tǒng)中，由于不允許有溫度和壓力的超調，且溫度值一直在向接近設定值的方向變化，所以T、P均為負值，因此可設定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，分別乘以相應的量化因子k1、k2，并將其對應到元素整數(shù)論域上的整數(shù)點處。
　　(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)專家經驗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)學習算法生成控制規(guī)則。本系統(tǒng)中根據(jù)專家經驗建立模糊控制規(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模糊量，必須經過精確化處理后才能去控制對象，這個過程稱為精確化，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行模糊判決。
　　最終，可以創(chuàng)建一個查詢表，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。將該表存入單片機的RAM中，在程序運行中直接對該表進行查詢得出Uij，然后通過反模糊化，得出單個采樣周期內加熱器導通時間，從而實 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(對應蒸汽溫度121℃)，另一 種是2.0×105Pa(對應蒸汽溫度134℃)。測溫傳感元件RTD放置在容器外壁某位置。 在加熱過程中，壁溫應限制在某一溫度T1以下，因為過高壁溫產生的熱輻 射會對容器內的被消毒物品產生較大影響。
　　在開始工作過程中，程序只對溫度進行控制，只要該壁溫不超過設定的某一溫度，加熱元件 便會以最大功率進行加熱，當溫度超過設定溫度時，才進入模糊控制階段。
　　單片機的初始化主要包括對I/O口的輸入輸出設定、模擬輸入通道的選擇及定時器的選用等 。
　　程序流程如圖6。

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