徐彤 崔高健 曲永利

1長(zhǎng)春經(jīng)開供熱集團(tuán)有限公司

2長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

0 引言

由于集中供熱系統(tǒng)的非線性、時(shí)變性、隨機(jī)干擾及對(duì)象模型參數(shù)的不確定因素，使得傳統(tǒng)控制難以精確地完成控制任務(wù)，從而存在對(duì)能源的極大浪費(fèi)，而模糊控制以其強(qiáng)大的函數(shù)映射能力，它能夠通過(guò)輸入輸出數(shù)據(jù)對(duì)過(guò)程進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)，進(jìn)而可以很好地解決這一問(wèn)題，能夠在很大程度上節(jié)省資源[1]。

論文以供水流量和室外溫度作為輸入，以回水溫度作為輸出，設(shè)計(jì)出了二維的集中供熱的模糊控制器。利用MATLAB中的模糊推理工具箱，對(duì)設(shè)計(jì)出的模糊控制器進(jìn)行了仿真。

1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

對(duì)長(zhǎng)春某熱力公司提供的供熱數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，得出供水流量x∈[17283，23213]和室外溫度y∈[-20,5]。模糊控制器則根據(jù)x和y的數(shù)據(jù)，選定回水溫度t∈[43，61]。因?yàn)橹豢紤]回水溫度，可以用雙輸入-單輸出模糊控制器完成任務(wù)[2]。

2 集中供熱控制器的MATLAB建模

2.1 模糊推理系統(tǒng)編輯器

由于本集中供熱控制器是采用供水流量、室外溫度為輸入，回水溫度為輸出的雙輸入-單輸出結(jié)構(gòu)，清晰化方法選用面積中心法，所以設(shè)置完成后的模糊邏輯編輯器如圖1所示[3]。

圖1 集中供熱模糊控制器模糊推理編輯器

2.2 隸屬函數(shù)編輯器

本集中供熱模糊控制器的兩個(gè)輸入供水流量、室外溫度和一個(gè)輸出回水溫度的隸屬函數(shù)的確立，這里作者選擇合適的模糊論域和比例因子、量化因子后[4]，將結(jié)果按步驟輸入到MATLAB中，得到的供水流量隸屬函數(shù)編輯器、室外溫度隸屬函數(shù)編輯器、回水溫度隸屬函數(shù)編輯器分別如圖2～4所示。

圖2 集中供熱模糊控制器供水流量隸屬函數(shù)編輯器

圖3 集中供熱模糊控制器室外溫度隸屬函數(shù)編輯器

圖4 集中供熱控制器回水溫度隸屬函數(shù)編輯器

2.3 模糊規(guī)則編輯器

模糊規(guī)則就是輸入量和輸出量間的模糊蘊(yùn)涵關(guān)系，只是用模糊條件命題對(duì)他們進(jìn)行了表述。作者將模糊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理的類型和輸入變量的模糊化進(jìn)行編輯，并且制定了模糊規(guī)則表，從表中可以得出如下九條模糊規(guī)則（設(shè)供水溫度為x，室外溫度為y，回水溫度為 t）：

①If x issand y isl then t isnb

②If x issand y ism then t ism

③If x issand y ish then t isps

④If x ism and y isl then t isns

⑤If x ism and y ism then t ism

⑥If x ism and y ish then t isps

⑦If x isb and y isl then t ism

⑧If x isb and y ism then t isps

⑨If x isb and y ish then t ispb

將上述九條模糊規(guī)則輸入MATLAB模糊工具箱中，得到如圖5所示的模糊規(guī)則編輯器。

圖5 集中供熱控制器模糊規(guī)則編輯器

2.4 模糊規(guī)則觀測(cè)窗

不同于前三個(gè)界面，模糊規(guī)則觀測(cè)窗是只讀性的，沒有編輯功能，只在用戶進(jìn)行觀測(cè)時(shí)使用。在模糊規(guī)則觀測(cè)窗中，用戶可以清楚地觀測(cè)到模糊規(guī)則和模糊推理作用于系統(tǒng)的過(guò)程，前面三個(gè)窗體編輯完畢后，此窗體就可以被調(diào)出。由于前面幾個(gè)編輯器都已經(jīng)確定，所以本模糊系統(tǒng)控制器可調(diào)出，如圖6所示。

圖6 集中供熱控制器模糊規(guī)則觀測(cè)窗

圖6中，左下方的Input中，可分別輸入模糊控制器兩個(gè)輸入的具體數(shù)值，由于確定了清晰化的方法，MATLAB模糊工具箱就可根據(jù)輸入的數(shù)值和清晰化方法，計(jì)算出輸出的數(shù)值，從而解決了人工計(jì)算量大和計(jì)算繁瑣的問(wèn)題。

2.5 模糊推理系統(tǒng)輸出量曲面觀測(cè)窗

模糊規(guī)則觀測(cè)窗中，人們只能看到平面的結(jié)果，看到的只有對(duì)應(yīng)于每組輸入量的輸出值。而曲面觀測(cè)窗則是立體性的，用一個(gè)空間曲面把整個(gè)論域上輸出量與輸入量間的函數(shù)關(guān)系都顯示出來(lái)。曲面觀測(cè)窗跟模糊規(guī)則觀測(cè)窗一樣，也是只讀性的。本集中供熱系統(tǒng)模糊控制器的輸出量曲面觀測(cè)窗，如圖7所示。

圖7 集中供熱控制器輸出量曲面觀測(cè)窗

圖7中兩個(gè)橫軸分別為輸入量供水流量和室外溫度，縱軸表示輸出量回水溫度，即輸出量跟輸入量的關(guān)系曲面?？臻g曲面是光滑的，表面輸出是近乎連續(xù)的，這正是模糊控制的突出特點(diǎn)之一。

3 集中供熱模糊控制器的MATLAB仿真

3.1 仿真過(guò)程

將建立的模糊控制器，輸送到MATLAB的Simulink工作空間中，將所有元件放入Simulink仿真空間后進(jìn)行連線，建立如圖8的仿真框圖[5，6]。

圖8 集中供熱模糊控制器Simulink仿真框圖

圖9 集中供熱模糊控制器仿真系統(tǒng)輸入曲線與輸出曲線

圖8中左邊下方的裝置是信號(hào)發(fā)生器，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出一個(gè)方波信號(hào)，按下仿真按鈕，經(jīng)過(guò)作者建立的模糊控制器處理后得到的原始信號(hào)和輸出信號(hào)曲線如圖9所示。

從圖9中，可以看出作為輸出曲線的紫色曲線和作為輸入的方波信號(hào)接近程度是很高的，兩曲線之間的間隙處于0.5～1之間，這便可以證明此模糊控制器在對(duì)被控系統(tǒng)的控制上，可以達(dá)到令人滿意的效果。

3.2 仿真分析

由于本控制器應(yīng)用于集中供熱控制系統(tǒng)中，就相當(dāng)于輸入兩個(gè)數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)模糊控制器，再輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)的最簡(jiǎn)單的仿真過(guò)程。利用作者實(shí)地考察所得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)上一節(jié)利用MATLAB軟件對(duì)模糊控制器的分析，將考察所得的供水流量和室外溫度作為輸入量，經(jīng)過(guò)模糊控制器后，通過(guò)MATLAB的清晰化算法得到輸出數(shù)據(jù)回水溫度的數(shù)值。最后將得出的輸出數(shù)據(jù)與考察所得的真實(shí)的回水溫度進(jìn)行對(duì)比，得到的計(jì)算數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線如圖10所示。

圖10 計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

從圖10中可以看出，兩條數(shù)據(jù)曲線擬合程度很好，效果比較理想。計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差最大值不超過(guò)0.57℃，最大相對(duì)誤差小于1.7%。這些誤差均在換熱站中的允許誤差之內(nèi)，完全可以滿足集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行快速、精確調(diào)節(jié)的需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了MATLAB工具箱，對(duì)其功能特點(diǎn)和工作流程作了闡述，其次重點(diǎn)分析和敘述了作者設(shè)計(jì)的模糊控制器在MATLAB中的建模過(guò)程和仿真過(guò)程，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，效果令人滿意。可見，模糊控制在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用前景應(yīng)是非常廣闊的。

[1] 張?jiān)?模糊數(shù)學(xué)在自動(dòng)化技術(shù)中國(guó)的應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997

[2] 李國(guó)勇.智能控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005

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[4] 張德豐.MATLAB模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009

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