基于模糊控制的智能溫控系統(tǒng)的研究

張 華，張子吟，馮丙寅

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054035）

基于模糊控制的智能溫控系統(tǒng)的研究

張 華，張子吟，馮丙寅

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054035）

介紹了一種以PLC為核心，采用模糊控制算法的熱水溫度控制系統(tǒng)，并對(duì)模糊控制的基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該系統(tǒng)中，以太陽(yáng)能為基礎(chǔ)，通過(guò)采用模糊控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)加熱時(shí)間的合理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了加熱棒的電能節(jié)約。在實(shí)際的應(yīng)用中，體現(xiàn)了節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了實(shí)際中的控制需要。

模糊控制；PLC；溫度控制系統(tǒng)；太陽(yáng)能

作為一種新型的溫度控制系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能作為一級(jí)加熱系統(tǒng)，電加熱棒作為二級(jí)加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)在夏季時(shí)能實(shí)現(xiàn)平均節(jié)能85%，春秋兩季實(shí)現(xiàn)平均節(jié)能65%，冬季實(shí)現(xiàn)平均節(jié)能40%，年平均節(jié)能 63.3%［1］。

圖1 熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)實(shí)中的溫度控制存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，有非線性、大慣性和時(shí)變性等特點(diǎn)。其中有的參數(shù)未知或緩慢變化，有的存在滯后和隨機(jī)干擾。本系統(tǒng)利用模糊控制的響應(yīng)快、超調(diào)小、過(guò)度過(guò)程時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)對(duì)熱水溫度進(jìn)行有效控制，保證控制精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)省。

一、PLC溫度控制系統(tǒng)

熱水溫度控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、溫度模塊、溫度傳感器、I/O口擴(kuò)展模塊、三相加熱棒、液位傳感器、固態(tài)繼電器SSR、電磁閥等部件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。溫度模塊把溫度傳感器的測(cè)量值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后直接送入PLC的輸入端，PLC結(jié)合觸摸屏的設(shè)定和輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過(guò)I/O擴(kuò)展口控制SSR的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制電加熱棒的工作。通過(guò)液位信號(hào)，PLC還可控制進(jìn)水管道電磁閥門，實(shí)現(xiàn)對(duì)集熱水箱補(bǔ)水。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的控制規(guī)則是：水源通過(guò)太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)進(jìn)入8T的集熱水箱，集熱水箱只要沒(méi)有到達(dá)高液位，就會(huì)隨時(shí)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)水。當(dāng)加熱水箱的最低液位報(bào)警時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)水，直到到達(dá)高液位。加熱水箱在到達(dá)高液位時(shí)，如溫度沒(méi)達(dá)到要求，啟動(dòng)二級(jí)加熱系統(tǒng)——電加熱棒，在水溫達(dá)到要求時(shí)停止加熱。在恒溫水箱中裝有2個(gè)低液位傳感器，因?yàn)槌鏊谳^低同時(shí)為了給水漬留有一定空間，低液位報(bào)警傳感器1（加水控制）裝在1T處，用于而低液位傳感器2（報(bào)警控制）放在0.5T處。每天的早晨和中午用水時(shí)間段，都要把恒溫水箱加滿水；在晚上用水時(shí)間段，當(dāng)水面到達(dá)低液位傳感器1時(shí)需要加水，沒(méi)有到達(dá)低液位2時(shí)則不必加水，防止在夜間恒溫水箱中的水過(guò)多，造成不必要的能源浪費(fèi)［2］。

本系統(tǒng)的被控對(duì)像是二級(jí)加熱的加熱棒，如圖3所示。通過(guò)調(diào)節(jié)加熱棒的工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)溫度的控制。

圖3 熱力對(duì)象示意圖

加熱一定量水需要的熱量應(yīng)從輸入的熱量和散失的熱量?jī)煞矫鎭?lái)考慮，即為加熱棒的輸入熱量與容器散失的熱量差，根據(jù)熱平衡方程，有：

其中，Q0為加熱一定量的水所需要的熱量，Q1為加熱器的輸入熱量，Q2為容器散失的熱量。

根據(jù)熱量計(jì)算公式，加熱一定量的水所需的熱量Q0的方程為：

式（2）中c為熱容（J/kg·℃），m為質(zhì)量（kg），T0為水的初始溫度。

式（1）中

式（3）中η是該加熱棒的熱轉(zhuǎn)換系數(shù)為90%［1］，P為加熱棒的功率，t為加熱的時(shí)間。

式（1）中

式（4）中k為熱傳系數(shù)，s為物體的表面積，t為時(shí)間，T1為環(huán)境溫度，T2為水箱內(nèi)溫度，h為物體厚度。T0、T1的選取可從表1中查得。

表1 定州基本氣候情況

二、模糊控制的實(shí)現(xiàn)

模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、I/O、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象和傳感器等5個(gè)部分組成。模糊控制器是各類模糊控制系統(tǒng)的核心部分。因?yàn)楸豢貙?duì)象的不同，以及對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性的要求和所應(yīng)用控制規(guī)則各異，所以可構(gòu)成各種類型的控制器［3］。

（一）控制方案的設(shè)計(jì)

模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，x為設(shè)定的水溫，控制系統(tǒng)以水箱中的加熱時(shí)間為控制對(duì)象，輸出時(shí)間t的控制目標(biāo)主要為3個(gè)方面：（1）加熱時(shí)間合理；（2）節(jié)省電能；（3）穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小。

圖4 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模糊控制系統(tǒng)的核心為模糊控制器，以模糊化后的溫度誤差（e）和溫度誤差變化率（ec）為控制器輸入，利用模糊算法和專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)輸出進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整獲得最大滿意輸出T，再經(jīng)過(guò)反模糊化得到確定的控制加熱時(shí)間t，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制效果［4］。

（二）模糊控制器的算法設(shè)計(jì)

模糊控制器的設(shè)計(jì)可以分為4個(gè)工作步驟：輸入量的模糊化，建立模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊推理，輸出量反模糊。

1.輸入量、輸出量的模糊化

模糊控制器的輸入為溫度誤差e（設(shè)定值與測(cè)量值差）、溫度誤差變化率ec（本次測(cè)量值與前次測(cè)量值差）。經(jīng)過(guò)模糊化處理后溫度誤差變?yōu)镋，溫度誤差變化率變?yōu)镋C。輸出為電加熱棒的加熱時(shí)間T。將模糊化后模糊變量E、EC、T進(jìn)行量化處理，得到E和EC的論域?yàn)椋?6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，語(yǔ)言表達(dá)｛NB，NM，NS ，ZO，PS，PM，PB｝；T的論域?yàn)椋?6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，語(yǔ)言表達(dá)｛NB，NM，NS ，ZO，PS，PM，PB｝。

對(duì)3個(gè)量進(jìn)行模糊表達(dá)，選擇E、EC、T的隸屬函數(shù)為三角形，如圖5和圖6所示。

圖5 E、EC的隸屬函數(shù)曲線

圖6 T的隸屬函數(shù)曲線

2.建立模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則是基于專家知識(shí)或操作者的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，是一種模仿人的直覺(jué)推理的語(yǔ)言形式。if...then...是模糊規(guī)則通常采用最直接的結(jié)構(gòu)。據(jù)此可以獲得如下控制規(guī)則：

if E=NB and EC=NB then T=ZO

if E=NB and EC=NM then T=ZO

┇

if E=PB and EC=PB then T=PB

上述的控制規(guī)則狀態(tài)表，如表2所示。

表2 控制規(guī)則狀態(tài)表

在允許的誤差范圍內(nèi)，控制量為ZO，系統(tǒng)不用進(jìn)行加熱控制，時(shí)間為0。當(dāng)系統(tǒng)控制量為PS時(shí)，加熱棒進(jìn)行短時(shí)間加熱，為PM時(shí)用中等時(shí)間加熱，為PB時(shí)用長(zhǎng)時(shí)間加熱。

3.進(jìn)行模糊推理

使用模糊控制算法對(duì)控制表進(jìn)行模糊推理，模糊推理實(shí)際是通過(guò)E和設(shè)計(jì)的R求出的控制量，即T=（E×EC）。R 獲得。

if…then...結(jié)構(gòu)的模糊控制規(guī)則：

If E=Aiand EC =Bithen T=Ci

此處Ai、Bi、Ci為定義在誤差、誤差變化率和控制量對(duì)應(yīng)論域上的模糊集。

則控制量C的隸屬函數(shù)為：

4.輸出量反模糊

由于實(shí)際被控對(duì)象所需的控制信號(hào)是有一定物理意義的精確值，所以需要將模糊控制器輸出的模糊量進(jìn)行反模糊化?？紤]到模糊量的執(zhí)行運(yùn)算和全面信息的復(fù)雜程度，選擇面積重心法進(jìn)行反模糊化，即：

反模糊化后的t值包含的所有元素信息，本質(zhì)是加權(quán)平均法，加權(quán)系數(shù)為對(duì)應(yīng)的隸屬度［5］。

另外，考慮到系統(tǒng)還要受加熱器功率、水的吸熱效率等諸多因素的影響，再在控制器輸出中增加調(diào)整變量t′，可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際控制的反饋情況進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性。這樣，最后的控制器輸出為：T=t+t′。

三、溫度模糊控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)PLC軟件部分設(shè)計(jì)分為手動(dòng)部分和自動(dòng)控制部分，模糊控制主要針對(duì)自動(dòng)控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。PLC控制器的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖7、圖8所示。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是在熱水加熱過(guò)程中嵌入模糊控制，實(shí)現(xiàn)熱水加熱的智能控制。根據(jù)時(shí)時(shí)情況，控制器通過(guò)模糊控制調(diào)節(jié)加熱棒的工作時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在合理的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度。這樣可以節(jié)省能源，加上本系統(tǒng)的最初熱源來(lái)自于太陽(yáng)能，充分體現(xiàn)了節(jié)能的目標(biāo)。

圖7 主程序流程圖

圖8 模糊算法流程圖

四、結(jié)論

將模糊控制與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，既顯示了PLC的可靠、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，也大大提高了控制系統(tǒng)的智能化程度［6］。由于該系統(tǒng)在節(jié)能、高效等方面的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高校、醫(yī)院、工礦企業(yè)等大型機(jī)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)在河北省定州市的運(yùn)行，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了最初的構(gòu)想。在符合熱水溫度的條件下，實(shí)現(xiàn)了能源的合理運(yùn)用，達(dá)到了節(jié)能的目標(biāo)，收到了使用方的好評(píng)。

［1］岳增田. 住宅太陽(yáng)能集中熱水供給系統(tǒng)［J］.太陽(yáng)能，2005（2）.

［2］姜長(zhǎng)生，王從慶，魏海坤等.智能控制與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［3］楊其華.一種實(shí)用的自組織模糊控制器設(shè)計(jì)方法［J］.中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（2）.

［4］宋勝利.智能控制技術(shù)概論［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

［5］張?jiān)?模糊數(shù)學(xué)在自動(dòng)化技術(shù)中的應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［6］王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Temperature Intelligent Control System Based on Fuzzy Control Strategies

ZHANG Hua，ZHANG Zi-yin，F(xiàn)ENG Bing-yin

（Xingtai Polytechnic College， Xingtai， Hebei 054035， China）

This paper describes a kind of temperature control system which is composed of PLC. Fuzzy control algorithm was used for the system. The basic structure of fuzzy control， parameter design， and system software and hardware design was expounded. In this system， based on solar energy， the fuzzy control achieved reasonable optimization of heating time and saving electric energy of the heating element. In practical applications， the system reached practical need which embodies energy saving and high efficient， etc.

fuzzy control； PLC； temperature control system； solar energy

TP273.4

A

1008—6129（2015）03—0069—05

（責(zé)任編輯 王傲冰）

2015—04—19

張華（1986—），河北邢臺(tái)人，邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，助教。