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。本系統中選用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，調節它可以進行壓力傳感器偏置的校準，調節R7可以改變壓力傳感器輸出的電壓的放大倍數。
1.4加熱電路
　　本系統的加熱部件選用加熱絲，通過對晶閘管的通斷控制實現加熱功率的變化。圖4為雙向晶閘管型觸發電路。
　　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和觸發外部的雙向晶閘管。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，觸發外部的雙向晶閘管KS導通。輸出高電平的時間便是觸發脈沖的寬度。

　　本系統是通過對爐壁加熱實現高溫高壓蒸汽的，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。
　　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。
　　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輸入輸出實際變化范圍P、T、U根據系統的實際情況設定，元素整數論域及其范圍可根據需要設定。在本系統中，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的元素整數論域范圍如下：
　　
　　(3)精確量到元素整數論域的轉化
　　根據得到的溫度偏差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論域上的整數點處。
　　(4)模糊控制規則表的建立
　　模糊控制規則的確定有很多方法：1)根據專家經驗或過程控制知識生成規則；2)根據過程的模糊模型生成控制規則；3)根據對手工控制操作的系統觀察和測量生成控制規則；4)根據學習算法生成控制規則。本系統中根據專家經驗建立模糊控制規則。
　　(5)模糊量的精確化
　　通過模糊控制規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、中位數法和最大隸屬度法。本系統中采用最大隸屬度法進行模糊判決。
　　最終，可以創建一個查詢表，根據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 現對加熱量的控制。

　　本系統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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