蚌埠學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 郭 緊 史成芳

基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)

蚌埠學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 郭 緊 史成芳

本文針對實(shí)際溫度控制的滯后性和非線性特點(diǎn)，提出了模糊控制的算法，該算法可在未知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的條件下，根據(jù)實(shí)測的溫度與設(shè)定值之間的偏差，選擇合適的控制方案，利用反饋，達(dá)到消除誤差或者減小誤差的目的，仿真分析表明該算法控制精度高，動(dòng)態(tài)性能好。

模糊控制器；溫度控制；控制算法

1 引言

溫度控制在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛地應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中溫度控制具有非線性、大滯后、時(shí)變性和大慣性的特點(diǎn)。國內(nèi)外科研人員在對溫度控制的研究中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)經(jīng)典的控制理論，要建立溫度控制的精確的數(shù)學(xué)模型很困難，而且在解決溫度控制的非線性、大滯后以及時(shí)變性等問題也存在極大困難，而模糊控制的提出能夠有效的解決溫度控制的問題。1965年Zadeh提出了模糊集合的概念，自此，模糊控制作為現(xiàn)代控制理論一個(gè)重要分支，發(fā)展日益成熟[1]，并廣泛應(yīng)用于家用電器、兒童玩具、工業(yè)控制、航空航天和國防控制。與此同時(shí)，單片機(jī)技術(shù)也獲得長足的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于控制領(lǐng)域的一個(gè)分支，滲透于生活與生產(chǎn)過程的方方面面。在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)模糊控制，無需建立精確地?cái)?shù)學(xué)模型，只要選取適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，根?jù)環(huán)境溫度的變化，就能夠?qū)囟瓤刂圃诶硐氲姆秶鷥?nèi)，達(dá)到控制精度高、動(dòng)態(tài)性能好的控制要求,具有比較高的理論研究價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值[2]。

2 溫度控制系統(tǒng)

模糊溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度傳感器及顯示模塊等構(gòu)成。

溫度采集通常采用數(shù)字溫度傳感器DSB1820，該數(shù)字溫度傳感器的好處是采用一條傳輸線與單片機(jī)通信，同時(shí)由于該傳感器輸出量即為數(shù)字量，使得該系統(tǒng)不需要另外加A/D轉(zhuǎn)換器，從而很大程度上簡化了外圍電路的設(shè)計(jì),提高了該系統(tǒng)的性價(jià)比。單片機(jī)采用AT89C51，溫度采集模塊的硬件輸出實(shí)現(xiàn)是P0口的0引腳。溫度顯示模塊，采用數(shù)碼管顯示溫度。風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，采用了一塊驅(qū)動(dòng)芯片，ULN2003。溫度由傳感器采集，傳送給模糊控制器，根據(jù)模糊控制器的控制算法計(jì)算出控制系統(tǒng)的控制輸出量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)化為模擬量，驅(qū)動(dòng)電磁閥的開度，從而確定風(fēng)機(jī)的速度和加熱閥的大小。以達(dá)把室溫控制在最佳溫度范圍內(nèi)的目標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)（見圖2）

高精密電器元件對溫度的范圍變化的范圍控制要求比較高，本文采用溫度誤差和溫度誤差的變化率作為輸入變量，該二維模糊控制器的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，

根據(jù)實(shí)際環(huán)境狀況和傳感器的的測量精度，為了將輸入的溫度誤差信號進(jìn)行模糊處理，將溫度誤差基本論域設(shè)定為[-2，+2]，溫度誤差的基本論域設(shè)定為[-1,+1],把誤差和誤差變化量化為13個(gè)等級，即為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}；輸出變量H量化為15個(gè)等級，即為：{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}。由此可以計(jì)算出，該溫度模糊控制器的誤差量化因子ke=6／2=3，誤差變化率的量化因子kec=6／1=6。量化因子可以使輸入量從基本論域變換到模糊集論域上去，即在基本論域中給定任意一個(gè)數(shù)值通過計(jì)算都可以得到在模糊集論域中最相近的整數(shù)點(diǎn)。由模糊控制算法計(jì)算出的控制量是不能直接對控制對象進(jìn)行控制的，需要將其轉(zhuǎn)換到基本論域中去，方能為控制對象所接受[3]。

表1 溫度模糊控制規(guī)則表

通常選取一個(gè)比例因子ku把控制量的模糊集論域變換到基本論域中。若控制量的基本論域?yàn)閇xmin，xmax]，量化后的論域?yàn)閇ymin，ymax]，則控制量的比例因子可由下式確定：

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)采取如表1所示的模糊規(guī)則[4-9]。

由于模糊控制器的輸出是一個(gè)模糊集合，無法對外圍被控制對象實(shí)現(xiàn)控制，所以需要對他進(jìn)行解模糊，求出一個(gè)最具有代表意義的精確的控制量實(shí)現(xiàn)控制，解模糊的方法有很多，比如最大隸屬度法，加權(quán)平均法，還有中位數(shù)法，本文采用中位數(shù)法。

圖3 模糊控制算法流程圖

4 仿真分析

模糊控制算法是本系統(tǒng)的核心控制算法，它包括兩個(gè)部分，一個(gè)是單片機(jī)離線計(jì)算模糊控制規(guī)則并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為一個(gè)表格存儲起來供系統(tǒng)查表使用，此為模糊矩陣運(yùn)算部分，另外一個(gè)是單片機(jī)讀取采集的溫度，并將采集到的溫度值同單片機(jī)設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較得到溫度誤差和誤差的變化率，通過量化因子將它映射到模糊集論域上去，并進(jìn)行模糊運(yùn)算獲得模糊控制量，再進(jìn)行解模糊。

解模糊化后的控制輸出，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化后，控制電磁閥的開度，從而控制風(fēng)機(jī)和加熱閥，達(dá)到修正溫度的目的，流程圖如圖3所示。

利用Simulink對模糊控制算法進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出該算法無超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間大約為5秒，穩(wěn)態(tài)誤差為零。

圖4 仿真結(jié)果圖

5 結(jié)語

本文通過對國內(nèi)溫度控制存在問題的研究，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)使用了AT89C51單片機(jī)，成本比較低，通過MATLAB仿真試驗(yàn)證明，該算法的設(shè)計(jì)比較合理，能夠?qū)囟瓤刂圃谠O(shè)定的溫度范圍內(nèi)，具有一定的工程實(shí)踐價(jià)值。

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A Design of the Temperature Control System Based on Fuzzy Control

GUO Jin,SHI Cheng-Fang
(Department of electronic and electrical Engineering,Bengbu college)

In view of the skewing and non-linear properties of real-temperature controlling,this paper proposes a kind of fuzzy control algorithm.According to the deviation between the measuring and the real temperature,the algorithm select suitable system scheme and use feedback to achieve the purpose of eliminating or reducing deviation.The simulated results indicate that the fuzzy control algorithm has high precision and good dynamic performance.

fuzzy controller; temperature control; control algorithm

郭緊（1990—），女，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科生。

史成芳（1976—），女，碩士，講師，從事控制工程及電子技術(shù)應(yīng)用研究。

安徽省省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201311305055)；蚌埠學(xué)院科研項(xiàng)目（2015ZR13)。