魯 可，張曉東，俞盛愷

（河南工業(yè)大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，絕大部分都需要考慮溫度的影響，例如鋼鐵冶煉中的熱處理或者塑料生產(chǎn)的定型，都是通過對溫度的控制，從而達到產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝[1]。在科技的迅速發(fā)展之下，自動控制系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，同時對系統(tǒng)的穩(wěn)定性，精確性和響應(yīng)的速度以及系統(tǒng)自調(diào)節(jié)能力的要求也越來越高。由于工業(yè)生產(chǎn)中的生產(chǎn)過程或者被控對象的非線性和時變性，以及外部因素帶來的隨機擾動和不確定因素使被控對象模型的建立很難做到精確[2]。

目前，國內(nèi)各個行業(yè)中溫度控制系統(tǒng)的主要的成熟產(chǎn)品還是以常規(guī)PID溫度控制器為主。對于一般的溫度系統(tǒng)，PID溫度控制器已經(jīng)能夠很好的適應(yīng)，但是面對一些復雜的、時變性和滯后性強的溫度控制需求，傳統(tǒng)PID控制器還較難控制。將模糊控制算法應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)中，能夠克服溫度控制系統(tǒng)中存在的滯后性較強的現(xiàn)象，同時可以提高控制效果和控制精度。本文選擇直熱式熱水鍋爐內(nèi)的溫度為被控對象，將模糊控制算法和溫度控制結(jié)合在一起進行研究，設(shè)計出一種基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)，并將其與傳統(tǒng)PID控制進行系統(tǒng)仿真比較，體現(xiàn)出較好的優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文系統(tǒng)硬件由外部電源電路，溫度檢測電路、溫度顯示電路、單片機最小系統(tǒng)電路、鍵盤輸入電路和溫度控制電路組成[3]。外部電源為整個控制系統(tǒng)提供電能；溫度檢測電路將檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)換成標準的電壓信號輸入單片機在LED上顯示出來；鍵盤輸入電路輸入給定的設(shè)定量，單片機系統(tǒng)根據(jù)輸入量和檢測量以模糊控制算法為基礎(chǔ)求出控制值，固態(tài)繼電器作為執(zhí)行器調(diào)整溫度的高低。硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的工作可以概括為先用鍵盤輸入一個預(yù)期溫度，然后傳感器測量得到另一個實際溫度，再求出預(yù)期溫度與檢測溫度之間的差值，最后根據(jù)模糊算法調(diào)節(jié)輸出控制器，使輸出溫度達到預(yù)期值[4]。

2.1 模糊運算模塊

在模糊運算模塊中，模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計尤其重要，其組成如圖2所示[5]。模糊控制系統(tǒng)一般可以分為五個部分：

圖2 模糊控制系統(tǒng)

（1）模糊控制器。它是模糊控制系統(tǒng)的核心，它的主要工作是完成系統(tǒng)模糊推理過程與根據(jù)輸入量和模糊運算做出模糊控制。模糊控制器的設(shè)計途徑有根據(jù)專家的知識和經(jīng)驗、建立熟練操作工的控制模型和建立被控對象的模糊模型[6]。

（2）輸入-輸出接口。其作用是在模糊控制器和被控對象直接轉(zhuǎn)換傳送，在輸入-輸出接口裝置中，不僅要有A/D和D/A的轉(zhuǎn)換器，還需要有電平轉(zhuǎn)換。

（3）執(zhí)行機構(gòu)。其主要功能就是根據(jù)模糊控制器輸出對被控對象經(jīng)行控制，主要是由電動機組成。

（4）被控對象的范圍很廣，它可以是一種設(shè)備或裝置，也可以是一個生產(chǎn)的、生物的或其他的各種的對象過程。

（5）檢測裝置又可以稱作傳感器，它是將非電量的被控量轉(zhuǎn)化為電信號的裝置。一般情況下，傳感器的精度會對整個模糊控制系統(tǒng)的精確度造成直接影響，在模糊控制系統(tǒng)中傳感器的地方十分重要。因此應(yīng)該選擇精度和穩(wěn)定性都相對不錯的傳感器作為整個系統(tǒng)的檢測裝置[7]。

2.2 設(shè)定系統(tǒng)

整個模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，設(shè)計一個合理的模糊控制器對整個模糊控制系統(tǒng)的運行非常重要。模糊控制器一般由模糊化接口、模糊推理機、解模糊接口和知識庫組成。一般來說，一個語言變量的語言值越多，對事物的描述就越準確[8]。

在本文中設(shè)定系統(tǒng)偏差E=現(xiàn)行溫度值-設(shè)定溫度值，其論域為E，劃分7個等級，即E={-3，-2，-1，0，+ 1，+2，+3}，相應(yīng)的模糊集合為｛負大（NB），負中（NM），負?。∟S），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）｝。設(shè)定偏差變化為Ec=E1-E2，其對應(yīng)的論域為Ec，系統(tǒng)的輸出控制量設(shè)定為U，其對應(yīng)的論域為U。將偏差變化和輸出控制量都同E一樣劃分7個等級，也劃分為對應(yīng)的模糊集合。其次是確定各語言變量的隸屬度函數(shù)，模糊語言值實際上是一個模糊子集，而語言值最終是通過隸屬度函數(shù)來描述的。可以得到對應(yīng)的隸屬度量見表1。

最后是模糊控制規(guī)則的建立，通常采用經(jīng)驗歸納法。例如本文爐溫的加熱系統(tǒng)，有如下模糊規(guī)則：若溫度很高，且溫度上升很快，則停止加熱；若爐溫很低，且爐溫不再上升，則快速加熱等等。根據(jù)前面將誤差，誤差變化和控制量都取了7個語言值，即 {NB,NM,NS, ZO,PS,PM,PB}。根據(jù)以下控制規(guī)則if E is PB and EC is NB,then U is ZO和 if E is PB and EC is NS,then U is NM 等[9]，可以得到表2。

表1 模糊集的隸屬度量

表2 模糊控制規(guī)則表

3 系統(tǒng)仿真

本文中被控對象是電鍋爐的溫度，可以近似用一階慣性純滯后環(huán)節(jié)來表示，設(shè)傳遞函數(shù)為：

式中，K—對象的靜態(tài)增益；T—對象的時間常數(shù)；τ—對象的純滯后時間。

3.1 傳統(tǒng)PID控制仿真

PID控制器是一種線性控制器，偏差e（t）：e（t）=r（t）-y（t）。將偏差e(t)的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，因此稱為PID控制，其系統(tǒng)原理如圖3所示。其控制規(guī)律寫成傳遞函數(shù)形式為：

式中：KP—比例系數(shù)；KI—積分時間常數(shù)；KD—微分時間常數(shù)[10]。采用Matlab中的Simulink進行控制算法的仿真設(shè)定溫度T=90℃。根據(jù)仿真得到下面的響應(yīng)曲線，見圖4。

3.2 模糊算法控制仿真

這里采用常規(guī)的雙輸入單輸出型的二維模糊控制器，以誤差E和誤差變化EC作為輸入量，經(jīng)模糊化，按模糊控制規(guī)則定出輸出量U作為控制量[11]。

圖3 PID控制系統(tǒng)原理圖

首先確定模糊控制器，對輸入輸出量的隸屬函數(shù)進行編輯。在模糊控制器中打開Membership Function Editor窗口。單擊[Edit]標簽，選中其中子標簽 [Add MFS]，選擇隸屬函數(shù)曲線為7，類型默認為 trimf；根據(jù)之前確定的模糊子集[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，選擇要編輯變量的圖標，確定當前變量的論域范圍[-3 3]，將各變量的隸屬函數(shù)改為與其對應(yīng)模糊子集的模糊語言值[12]。然后打開模糊規(guī)則編輯窗口，以 If...and... Then...的格式寫模糊控制規(guī)則，根據(jù)前面的模糊控制規(guī)則表可以得出共有49條控制規(guī)則。最后在Matlab的Simulink工具中進行系統(tǒng)仿真，得到模糊控制的響應(yīng)曲線，見圖5。

圖4 PID控制仿真響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

通過將PID控制仿真得到的響應(yīng)曲線圖和模糊控制仿真響應(yīng)曲線圖對比，可以看出，模糊控制比傳統(tǒng)PID控制，響應(yīng)時間短、超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)精度高、系統(tǒng)遇到干擾時能很快恢復穩(wěn)態(tài)，動靜態(tài)性能好。而且這種方法抗干擾能力也很強，同時對一階慣性滯后環(huán)節(jié)的適應(yīng)能力很強，由于一般溫控對象的數(shù)學模型可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述，因而這一控制方法對溫控場合的適用性很強。所以可以得出基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的PID溫度控制系統(tǒng)更具優(yōu)越性。

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