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        基于模糊規(guī)則的快速恒溫水浴控制系統(tǒng)研究

        2017-03-09 09:40:56王德元
        時代農(nóng)機 2017年12期
        關鍵詞:框圖水浴導通

        王德元

        (吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學院,吉林 吉林 132013)

        恒溫水浴控制系統(tǒng)在化工產(chǎn)品測試、食品工程、環(huán)境監(jiān)測等領域有著廣泛的應用,尤其對于細菌檢查、食品加工等方面起著不可替代的作用。恒溫水浴系統(tǒng)主要應用于實驗室中,將被測試產(chǎn)品放置于水域系統(tǒng)內(nèi),在設定的溫度下進行恒溫加熱,以化驗檢測產(chǎn)品的各項物理化學性能。

        傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)是建立在被控對象精確的數(shù)學模型基礎上的,由于反饋的滯后和各種不可預知的擾動的存在,有時調(diào)量較大,難以實現(xiàn)快速精確的恒溫控制。模糊控制作為一種智能控制方法,是在實驗過程中總結(jié)的經(jīng)驗并將其形成語言規(guī)則,運用模糊集合模擬操作人員最優(yōu)化的操作,在解決復雜系統(tǒng)控制問題的過程中表現(xiàn)出了巨大的潛力。

        對于恒溫水浴系統(tǒng)的控制的主要影響因素有兩個:一個是水量的多少,另一個是測量水溫與設定水溫的差值大小。

        1 恒溫水浴硬件系統(tǒng)

        設計水浴系統(tǒng)如圖1所示,溫度傳感器選用Pt100,溫度傳感器和液位傳感器信號進入微機系統(tǒng),設計微機的接口電路,通過對可控硅導通電流的控制,實現(xiàn)對水浴槽的控制。利用導通電流的大小實現(xiàn)對加熱器的控制,攪拌器的作用是使水槽內(nèi)的溫場均勻。液位傳感器是實現(xiàn)槽內(nèi)水量大小的測量。設計微機的接口電路,通過固態(tài)繼電器的通斷實現(xiàn)對可控硅導通電流進行控制。

        圖1 水浴恒溫系統(tǒng)框圖

        2 恒溫水浴系統(tǒng)的模糊控制

        模糊控制器的系統(tǒng)設計框圖如圖2所示,圖中的輸入量有兩個,一個是溫度誤差e,另一個是誤差的變化率△e,輸出量則為控制信號變化量△u。

        圖2 基于模糊規(guī)則的水浴溫度系統(tǒng)控制框圖

        將測量結(jié)果與設定值相比較得到的誤差x1分為小于,略小于,等于、略高于,高于五個隸屬度,將輸入誤差的變化率x2分為快,略快,不變、略慢,慢五個隸屬度。由于液位傳感器為輔助參數(shù),根據(jù)液位傳感器輸出計算出的水量x3,將其分為水量少,水量中,水量多三個隸屬度,輸出規(guī)則共有75條規(guī)則。

        制定模糊規(guī)則的形式為:

        式中,Ri表示第i條模糊規(guī)則;Aij是模糊子集,隸屬函數(shù)選取為高斯型;由上述分析可知,輸入變量為3個;yi是第i條模糊規(guī)則的輸出;fi()為輸出函數(shù);n為模糊規(guī)則總數(shù)。本文中fi()為輸入變量的線性函數(shù),將:

        3 模糊控制的快速恒溫水浴控制系統(tǒng)仿真實驗

        將編制的規(guī)則輸入MATLAB 2016模糊控制(FIS)工具箱,與傳統(tǒng)的PID控制的恒溫水浴同時進行仿真比較,得到的結(jié)果如表1所示。

        表1 模糊控制與PID控制仿真比較結(jié)果

        4 結(jié)語

        文章提出了利用模糊規(guī)則對恒溫水浴裝置進行精確控制,設計了水浴溫度控制系統(tǒng),制定了模糊控制規(guī)則,并進行了仿真試驗,利用模糊規(guī)則控制方法的恒溫最大誤差為0.17℃,而傳統(tǒng)的PID控制恒溫最大誤差為0.43℃;在恒溫時間相比于傳統(tǒng)的PID控制縮短了26%以上。

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