基于模糊控制算法的溫度控制系統設計

魯 可，張曉東，俞盛愷

（河南工業大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

在工業生產中，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的定型，都是通過對溫度的控制，從而達到產品的生產工藝[1]。在科技的迅速發展之下，自動控制系統應用的領域越來越廣泛，同時對系統的穩定性，精確性和響應的速度以及系統自調節能力的要求也越來越高。由于工業生產中的生產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，國內各個行業中溫度控制系統的主要的成熟產品還是以常規PID溫度控制器為主。對于一般的溫度系統，PID溫度控制器已經能夠很好的適應，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PID控制器還較難控制。將模糊控制算法應用到溫度控制系統中，能夠克服溫度控制系統中存在的滯后性較強的現象，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的溫度為被控對象，將模糊控制算法和溫度控制結合在一起進行研究，設計出一種基于模糊控制算法的溫度控制系統，并將其與傳統PID控制進行系統仿真比較，體現出較好的優越性。

1 系統硬件設計

本文系統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提供電能；溫度檢測電路將檢測到的溫度信號轉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定量，單片機系統根據輸入量和檢測量以模糊控制算法為基礎求出控制值，固態繼電器作為執行器調整溫度的高低。硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

2 系統軟件設計

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

2.1 模糊運算模塊

在模糊運算模塊中，模糊控制系統的設計尤其重要，其組成如圖2所示[5]。模糊控制系統一般可以分為五個部分：

圖2 模糊控制系統

（1）模糊控制器。它是模糊控制系統的核心，它的主要工作是完成系統模糊推理過程與根據輸入量和模糊運算做出模糊控制。模糊控制器的設計途徑有根據專家的知識和經驗、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換傳送，在輸入-輸出接口裝置中，不僅要有A/D和D/A的轉換器，還需要有電平轉換。

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

（4）被控對象的范圍很廣，它可以是一種設備或裝置，也可以是一個生產的、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的精確度造成直接影響，在模糊控制系統中傳感器的地方十分重要。因此應該選擇精度和穩定性都相對不錯的傳感器作為整個系統的檢測裝置[7]。

2.2 設定系統

整個模糊控制系統的核心是模糊控制器，設計一個合理的模糊控制器對整個模糊控制系統的運行非常重要。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]。

在本文中設定系統偏差E=現行溫度值-設定溫度值，其論域為E，劃分7個等級，即E={-3，-2，-1，0，+ 1，+2，+3}，相應的模糊集合為｛負大（NB），負中（NM），負小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）｝。設定偏差變化為Ec=E1-E2，其對應的論域為Ec，系統的輸出控制量設定為U，其對應的論域為U。將偏差變化和輸出控制量都同E一樣劃分7個等級，也劃分為對應的模糊集合。其次是確定各語言變量的隸屬度函數，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來描述的。可以得到對應的隸屬度量見表1。

最后是模糊控制規則的建立，通常采用經驗歸納法。例如本文爐溫的加熱系統，有如下模糊規則：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}。根據以下控制規則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 模糊控制規則表

3 系統仿真

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節來表示，設傳遞函數為：

式中，K—對象的靜態增益；T—對象的時間常數；τ—對象的純滯后時間。

3.1 傳統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成控制量，因此稱為PID控制，其系統原理如圖3所示。其控制規律寫成傳遞函數形式為：

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

3.2 模糊算法控制仿真

這里采用常規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，經模糊化，按模糊控制規則定出輸出量U作為控制量[11]。

圖3 PID控制系統原理圖

首先確定模糊控制器，對輸入輸出量的隸屬函數進行編輯。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]，選擇隸屬函數曲線為7，類型默認為 trimf；根據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改為與其對應模糊子集的模糊語言值[12]。然后打開模糊規則編輯窗口，以 If...and... Then...的格式寫模糊控制規則，根據前面的模糊控制規則表可以得出共有49條控制規則。最后在Matlab的Simulink工具中進行系統仿真，得到模糊控制的響應曲線，見圖5。

圖4 PID控制仿真響應曲線

4 結論

通過將PID控制仿真得到的響應曲線圖和模糊控制仿真響應曲線圖對比，可以看出，模糊控制比傳統PID控制，響應時間短、超調量小，穩態精度高、系統遇到干擾時能很快恢復穩態，動靜態性能好。而且這種方法抗干擾能力也很強，同時對一階慣性滯后環節的適應能力很強，由于一般溫控對象的數學模型可用一階慣性滯后環節來描述，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，比傳統的PID溫度控制系統更具優越性。

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