模糊控制在溫度控制系統中的仿真研究

王 振

德州職業技術學院，山東德州 253034

0 引言

溫度控制系統是以溫度為被控參數的控制系統，它在工業中的各個領域都有廣泛的應用。在工業生產過程中，有很多地方需要對控制對象進行溫度控制，使溫度高精度地保持在給定的數值，如冶煉、紡織、食品、化工、醫藥電子等場合均對溫度提出了相當高的要求。

1 模糊控制器的設計

1.1 模糊控制的基本原理

模糊控制系統，它的核心部分為模糊控制器。通常模糊控制器包括4 個部分：1）模糊化接口；2）知識庫；3）推理機；4）精確化。

1.2 模糊溫度控制器的設計

1.2.1 模糊控制器輸入輸出變量的確定

假設溫度的設定值為Td，系統的實際溫度為T，則偏差e=Td-T，其變化率為偏差率de，把e 和de 作為系統的輸入變量，模糊控制器的輸出變量為晶閘管SCR 導通角u 的變化，SCR開度可以間接控制系統的溫度。這樣就可以構成一個二維的模糊控制器。

1.2.2 輸入輸出變量的語言描述

選取輸人語言變量為溫度誤差e 和溫度誤差的變化率de，輸出語言變量為控制量的變化u。本控制器設計中描述輸入變量和輸出變量的語言值都取七個模糊子集，即{NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，ZE(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}。其中各值論域為：

e 的基本論域為(-5 ℃，5 ℃)；de 的基本論域為(-10，10)；u 的基本論域為(-0.5，+0.5)；

這里注意的是偏差的論域為(-5℃，5℃)，當偏差大于5℃時按照5℃時的情況進行運算，小于-5℃時按照-5℃時的情況運算。

2 模糊控制在溫度控制系統中的仿真

2.1 模糊控制器的仿真

鍋爐是工業比較常見的設備，鍋爐的水溫可以通過晶閘管SCR 控制加熱器加熱提高，設計一個模糊控制器使水溫能穩定在一個固定點(設定值)。

在這個系統中，被調整參數是水溫，控制量是SCR 導通角。因為鍋爐里水是流動的，故SCR 導通角適當小的時候水溫可以下降。所以，理論是能實現水溫穩定在某點。

圖1 鍋爐結構示意圖

2.2 MATLAB 仿真

為了檢測模糊控制器的控制效果，我們必須對其進行Simulink 仿真。如圖3-2 模糊控制溫度系統仿真框圖。

采用模糊及常規PID 控制，通過辨識，得到系統傳遞函數

圖2 模糊控制仿真框圖

采用模糊控制器對溫度系統進行控制，仿真運行的結果如圖3 所示。常規控制器對溫度系統進行控制的仿真結構為圖4所示。

圖3 模糊控制時系統響應曲線

圖4 常規PID 控制時系統響應曲線

由上面的圖可以看出，采用模糊控制比常規PID 具有更好的控制效果。

3 結論

模糊控制器克服了單純的PID 控制器超調量大，過渡時間長的缺點；模糊控制器具有超調量小，過渡時間短，控制穩定時控制精度高，僅存在很小穩態偏差以及很小范圍的振蕩。

從目前模糊控制及其參數整定的研究和應用現狀來看，以下方面是今后需進一步研究和實踐的重點：

1）在模糊規則調整方面，在設計控制器時，應該總結出系統化設計方法，到目前為止還未有成熟的模糊規則可以借鑒。

2）智能控制器有待于進一步研究，將自適應、自整定和增益計劃設定有機結合，使其具有自動診斷功能；結合專家經驗知識、直覺推理邏輯等專家系統思想方法對原有PID 控制器設計思想及整定方法進行改進；以及從生產過程的實際出發，設計滿足實際過程要求的控制方案，將預測控制、模糊控制、優化控制和PID 控制相結合，進一步提高控制系統的性能，是智能模糊控制發展極其有前途的方向。

[1]石辛民.模糊控制及其MATLAB仿真[M].清華大學出版社，2008：201-230.

[2]張立峰，金秀章，田沛.基于模糊自調整PID技術的勵磁控制器研究[J].華北電力大學學報，2006，33(4)：2022.