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        模糊控制實(shí)際應(yīng)用研究

        2016-03-15 09:40:21班小強(qiáng)黃揚(yáng)
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:溫度傳感器模糊控制單片機(jī)

        班小強(qiáng) 黃揚(yáng)

        摘 要:模糊控制理論主要控制理論是人通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制經(jīng)驗(yàn),是模糊數(shù)學(xué)中最重要理論,在工程中地位非常重要。模糊理論結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù),其控制特性得到廣泛應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞:模糊控制;自調(diào)整因子;單片機(jī);溫度傳感器

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.202

        在工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制是經(jīng)常使用。有些系統(tǒng)把溫度定位主要參數(shù),例如熱水器。工業(yè)中使用溫度控制有很多種方式,其中PID類型占據(jù)主要地位并且經(jīng)常使用的。PID控制技術(shù)雖然使用廣泛,但存在一些弊端,在解決某方面實(shí)現(xiàn)非常困難,例如一些復(fù)雜、非線形、時(shí)變、大延遲被控對象,而模糊控制就可以很好的解決這類問題。

        1 PID控制與模糊控制二者比較

        舉例介紹,熱水器溫度控制系統(tǒng)是使用單片機(jī)控制,如果采用模糊制的方法人為的設(shè)定程序,也就是按照人的思維方式進(jìn)行控制。如果被控對象的參數(shù)突然發(fā)生變化,要得到較為理想溫度,系統(tǒng)是否仍可的控制?其實(shí)采用PID控制技術(shù)調(diào)節(jié)儲水式電熱水器溫度的自動控制系統(tǒng),要使加熱功率達(dá)到理想控制溫度,控制效果一般。盡管在工業(yè)控制中PID控制廣泛應(yīng)并占有主導(dǎo)地位,但是在解決一些復(fù)雜的時(shí)變的、遲滯的被控對象方面控制效果不好。PID控制技術(shù)還有一項(xiàng)缺點(diǎn),其參數(shù)設(shè)定專業(yè)而且整定難度大,當(dāng)外界條件干擾控制系統(tǒng)后,參數(shù)還需要重新整定。最終體現(xiàn)控制達(dá)不到理想的效果。表現(xiàn)為控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、魯棒性不好、控制調(diào)節(jié)時(shí)間長。

        采用的模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)。用模糊語言形式、模糊數(shù)學(xué)模糊邏輯的規(guī)則來表示,計(jì)算機(jī)控制技術(shù)具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)并帶有數(shù)字控制系統(tǒng)。常規(guī)的PID控制和模糊控制比,有以下的優(yōu)點(diǎn):

        (1)有很強(qiáng)的適應(yīng)性。如果控制對象確定,模糊控制和PID控制效果一樣;但對于不確定系統(tǒng)例如非線性、時(shí)變,模糊控制的優(yōu)勢就很明顯,同時(shí)對噪聲、純滯后抑制能力特別強(qiáng)大。

        (2)整定參數(shù)方便。模糊控制數(shù)學(xué)模型和被控對象不用復(fù)雜建立。采用被控過程參數(shù)現(xiàn)狀來判斷所產(chǎn)生的定性感覺,計(jì)算控制發(fā)展趨勢觀測??刂浦行纬梢欢ㄒ?guī)則參與控制過程,對現(xiàn)場操作人員、有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)知識、操作數(shù)據(jù)加以總結(jié)和歸納是模糊控制器出發(fā)點(diǎn)便。

        (3)系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)。模糊控制參數(shù)變化以后系統(tǒng)不敏感,是因?yàn)椴徊捎枚颠壿?,而采用一種連續(xù)多值邏輯控制。所以系統(tǒng)參數(shù)變化,容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制,尤其適合于非線性、滯后系統(tǒng)時(shí)變的控制。

        (4)結(jié)構(gòu)簡單。硬件結(jié)構(gòu)無特殊要求,軟硬件具有很強(qiáng)的優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)特別方便,主要體現(xiàn)在算法簡捷。簡單的查表運(yùn)算對于模糊控制就可以實(shí)現(xiàn),一些控制過程可離線進(jìn)行,所以設(shè)計(jì)者設(shè)置容易,使用者也容易掌握。

        (5)系統(tǒng)的規(guī)則。建立語言變量的控制規(guī)則靈活、系統(tǒng)控制參數(shù),適用范圍非常廣。

        2 熱水器中模糊控制原理

        首先數(shù)據(jù)采集模塊要對內(nèi)膽溫度采集,模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,數(shù)據(jù)開始控制,具體形式表現(xiàn)——模數(shù)轉(zhuǎn)換——中值濾波——存入對應(yīng)存儲單元。溫度加熱是通過鍵盤設(shè)定也就是鍵盤輸入模塊,對出水溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示是LED顯示模塊,錯(cuò)誤代碼開始顯示是就說明有異常情況;模糊控制器是控制模塊采用主要控制,采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算控制主要是輸出驅(qū)動模塊,雙向晶閘管導(dǎo)通角是由輸出控制信號控制,并設(shè)定的控制強(qiáng)度。

        模糊控制中模糊控制器是相當(dāng)重要,控制器性能好壞對系統(tǒng)的控制特性影響很大。模糊控制規(guī)則的確定性、可調(diào)整性是由控制性能決定的。模糊控制器的設(shè)計(jì),控制設(shè)計(jì)在不同程度上加權(quán)是由量化因子kc和ke的位置和大小對輸入變量誤差、誤差變化決定。調(diào)整系統(tǒng)特性時(shí),kc和ke互相控制。改變一個(gè),另一個(gè)也改變,所以要引進(jìn)一種參數(shù),這是參數(shù)是可調(diào)的,當(dāng)采用可調(diào)參數(shù)對控制規(guī)則進(jìn)行調(diào)整,被控對象不同,但都能獲得滿意控制效果。溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,選用兩位模糊控制器即EC——偏差變化率E——偏差,EC、E來做為模糊控制器的輸入量。其中kc、ke和Ku 分別為輸入和輸出變量的量化因子和比例因子。量化因子kc和ke和比例系數(shù)Ku對控制系統(tǒng)的影響大。 ke選大,系統(tǒng)的超調(diào)也大,過渡過程也長;ke↑,超調(diào)↑,系統(tǒng)過渡時(shí)間變長。kc選擇較大時(shí),超調(diào)量減小,kc↑,系統(tǒng)超調(diào)↓,但系統(tǒng)的響應(yīng)速度就慢。因此ke對超調(diào)的抑制不明顯而kc對超調(diào)的抑制作用明顯。增大Ku能使系統(tǒng)加快響應(yīng)速度,但有一點(diǎn)增要考慮到, 增大Ku可能引起振蕩。ke值怎樣選擇很重要,要使ke=N/em ,em——誤差最大值, N——誤差論域的最大量化等級。同時(shí)再加一個(gè)階越信號,令 kc=0,觀察輸出結(jié)果,如果輸出劇烈振蕩,要增大kc;若輸出不能跟蹤理想信號,就要減小kc直至輸出信號理想,輸出信號理想時(shí)kc選擇為1/100。要結(jié)合采樣周期的長短來選擇Ku,采樣周期長,Ku可選的大。溫度偏差變化率EC、溫度偏差E,為模糊控制量的輸入量,Y為輸出控制量。如果超過系統(tǒng)溫度設(shè)定值,加熱器就要關(guān)閉,不考慮高于設(shè)定的誤差。如圖所示,計(jì)算系統(tǒng)的誤差e(K)=V0-V;誤差變化率公式為ec=e(K)-e(k-1),變量E和EC乘以量化因子ke 、kc ;基本控制到模糊控制,輸出量U乘以比例因子Ku 由模糊論反饋回到控制論。

        3 結(jié)論

        模糊現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)中大量存在,所以應(yīng)用模糊控制會越來越廣,研究開發(fā)模糊控制領(lǐng)域發(fā)展空間將會更大。模糊控制理論存在一些問題,解訣這些問題就成為模糊控制技術(shù)目發(fā)展方向和主要任務(wù)。相信模糊控制的應(yīng)用會給人們的生活帶來極大便利。

        參考文獻(xiàn):

        [1]孟鳳果,曹振軍編著.單片機(jī)應(yīng)用自學(xué)通[M].北京:中國電力出版社,2005(01).

        [2]韓瑞珍,陳國定,楊馬英.基于模糊推理的自整定PID控制器[J].控制工程,2002(09).

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