1、本科生畢業論文(設計)調研報告題 目： 基于模糊控制算法的 溫度控制系統的設計 學生姓名： 學 號： 專業班級： 指導教師： 完成時間： 年 月 日 基于模糊控制算法的溫度控制系統的設計一、 主要目標任務：綜合運用所學知識，如模擬電子技術、數字電子技術、自動控制原理、微機原理、單片機原理與應用，設計一個基于模糊控制算法的溫度控制系統。1）對以前所學知識進行系統的復習，全面的綜合并將其聯貫。2）學會了獨立的分析和解決問題和進行相關社會調查的能力3）學會了查閱文獻的方法和培養查閱文獻的良好習慣。4）提高專業相關外文的閱讀、翻譯能力。提高專業英語水平。5）提高編寫程序的水平，優化軟件結構。提高電腦繪

2、圖水平。二、 技術性能指標：1）溫度控制在0100度（水溫），誤差為±0.5。C。2）恒溫控制。3）LED實時顯示系統溫度。并通過鍵盤輸入給定溫度三、 簡要工作原理以AT89C51單片機為模糊控制器，結合溫度傳感變送器，A/D轉換器、LED顯示器、靜態電子開關等，設計出一個基于模糊控制算法的溫度控制系統。在系統中，溫度傳感變送器獲得溫度的感應電壓，轉變成15V的標準電壓信號，再由A/D轉換器轉換成數字信號進入單片機內部。單片機將給定電壓的A/D轉換結果與測量電壓的結果相比較，得出偏差量。然后跟據模糊控制算法得出控制量。在執行器中由開關頻率較高的靜態電子開關完成，采用模擬的PWM控制方

3、法，改變同一個周期中電子開關的閉合時間。從而調節加熱開關的導通時間，以達到控制效果的目的。四、 課題文獻綜述1、動力鍋爐燃燒系統的模糊控制策略1） 作者：劉向杰、柴天佑、劉紅波2） 摘要：基于模糊控制策略給出了鍋爐系統新的控制方法。工業鍋爐的主要動態包括非線性、非最小相位特征、不穩定性、時滯和負荷干擾，采用傳統控制方法難以實施有效的控制。運用GPE（Gausian partition with evenly spaced midpoints）模糊控制系統對鍋爐對象的主汽壓進行研究和實時控制，模糊控制器能夠克服許多干擾因素，產生良好的控制效果，最后給出了模糊控制同傳統方法的比較結果。3） 模糊控

4、制器的應用 本文的線性推理規則表示：IF error is Ej and rate is Rj THEN output is U(i+j)。Ei代表著一個誤差模糊，Rj代表一個誤差變化率模糊集，U(i+j)代表著一個輸出量模糊集。4） 實施結果 上述控制策略用于現場實際對象，盡管現場運行存在很大的干擾，主汽壓仍然顯示良好的跟蹤效果。可以看出其的主要特征是強干擾及動態變化模糊控制器能夠克服許多干擾素，顯示了強魯棒性并產生了良好的控制效果。2、模糊控制在水廠混凝投藥系統中的應用1） 作者：王強、周建萍2） 摘要：針對給水平混凝劑投放控制系統中存在的非線性、時滯性和模糊性等問題，結合工程實例提出了模

5、糊控制的思想，介紹了混淆是非凝模糊控制系統的組成，說明了混凝模糊控制器的設計方法。3） 混凝投藥控制模糊系統的設計 輸入E和輸出U的論域分別分為7個和9個等級。對于濁度E和輸出輸出控制U取模糊語言值均為：PB（正大）、PS（正小）、ZO（零）、NS（負小）、NB（負大）可以得出基于手動操作人員長期積累的經驗和專家的有關知識確定混凝控制的規則庫，它包含以下5條規則。若E為NB則U為PB；若E為NS則U為PS；若E為ZO則U為ZO；若E為PS則U為NS；若E為PB則U為NB；4） 結束語：混凝模糊控制是總結熟練操作人員專家的經驗形成控制規則而實施控制的一種先進方法。這種控制系統運行至今，工作穩定可

6、靠，動態性能好。它有效地克服了傳統控制方法中過程復雜、結果不準確、對變化及干擾適應和抑制能力差等不足之處。3、單片機在退火爐爐溫模糊控制中的應用1） 作者：周景振2） 摘要：討論了利用模糊控制技術設計的單片機模糊爐溫控制系統，并將其應用于退火爐爐溫控制上。試驗表明，這種控制系統比傳統的PID調節控制系統精度高、速度快3） 制器的設計考慮到退火爐爐溫具有非線性、時變等特點，單片機模糊爐溫控制器采用模糊控制理論，通過總結操作人員對過程的操作和控制的經驗，用模糊條件語句構成控制規則，采用極大極小合成運算原理，從而得到一個模糊爐溫控制模型。模糊控制器的控制步驟大體分三步：精確量模糊化、模糊推理、解模糊

7、。4） 模糊控制規則推理在單片機模糊爐溫控制系統中，采用If Ai and Bi Then Ci為模糊控制規則。其中，Ai為誤差模糊子集，Bi為誤差變化模糊子集，Ci為輸出量模糊子集。 為了充分利用模糊控制量向量所取得的信息，本控制器系統采用加權平均法將模糊控制向量轉化為精確控制向量。 4、分戶熱計量供熱系統中的分戶溫度模糊控制1）作者：劉曼蘭，王可崇2）摘要：房間溫度控制是典型的時變遲滯系統，用常規PID控制方式很難實現有效控制，而常規FUZZY控制因其穩態性能不佳，又不能滿足某些分戶熱計量供熱系統中的分戶智能溫控裝置對室內熱環境實現智能控制的穩態溫差不超過±1的要求。筆者設計出了

8、一種行為自校正模糊控制器，應用到某分戶熱計量供熱系統中的分戶智能溫控裝置中，通過MATLAB仿真結果表明：該行為自校正模糊控制器的性能優于常規FUZZY控制器和PID控制器。3） 行為自校正模糊控制器的基本原理對于一個已經設計好的經典模糊控制器，由于其控制規則不夠完善，則在某些情況下，當系統的內部參數發生較大變化時，其控制效果往往不佳。若在該模糊控制器的基礎上，再增加一個性能測量環節，一個控制量校正環節，所得到的校正量與原模糊控制器輸出的控制量疊加在一起，形成新的控制量，這樣就能實現對原控制量的校正，這就相當于對原控制規則進行了修改，從而構成一種改進的行為自校正模糊控制器。4） 結果分析行為自

9、校正模糊控制既克服了PID控制對系統參數適應能力差的弱點，又克服經典模糊控制穩態誤差比較大的缺點。行為自校正模糊控制比PID控制有更強的魯棒性，比經典 模糊控制有更小的穩態誤差。而且其控制效果完全滿足某分戶熱計量供熱系統中的分戶智能溫度控制系統所提出的控制性能指標。但該行為自校正模糊控制器沒有解決因模糊量化取整運算而引起的量化誤差和調節死區的問題。因此在穩態階段，仍有一定的穩態誤差，甚至可能會有穩態顫振現象。筆者認為如果對E，EC，U，P都不采用模糊量化取整運算，而是采用模糊數模型在線插值的方法，則能從本質上消除這種穩態誤差。5、挖掘機液壓系統模糊控制方法的研究1） 作者：李克杰2） 液壓系統

10、控制的基本內容 液壓系統是挖掘機實現各種運動和進行自動控制的基礎。從某種意義上來講，液壓系統的性能決定著挖掘機的質量與工作效率。現代挖掘機能夠 根據工作環境和作業條件，自動實現分功率的變量與全功率變量，以保證任 何情況下發動 機均不超載，使發動機運行平穩且功率得到充分利用；還應設置減速系統（AutoSlow）和負控制系統（Negative Control），以便當其工作裝置不動作時，使發動機油門自動減小，并使液壓泵排量減至最小以節省能量。根據挖掘機工況變化大而快這一特點，為有效利用以動機功率，且保證安全，正常作業，現代挖掘機控制系統應具有下列功能：（1）速度傳感  檢查發動機轉速是否

11、在輸出范圍內，并控制液壓泵驅動扭矩使二者匹配及防止發動機熄火。（2）流量分配控制 為實現工作裝置的聯合動作，需對每執行元件（如斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸等）提供不同的壓力和流量。當液壓系統只有一臺主泵時，通過流量分配控制使各執行元件同時動作，滿足不同作業的要求。（3）行走馬達控制 設置高速、中速、低速行走自動選擇系統，實現機器行走隨外載荷變化自動無級調速，使行走速度與操縱手柄原位置相對應。（4）預熱 在液壓油溫低于某一界線時，發動機轉速自動增高，液壓磁流量即隨之增加，液壓系統很快被加熱。（5）突發增力 對主溢流閥施以背壓，使系統溢流額定壓力上升，短時間提高作業功率。 以上功率的實現，多與對液壓系統

12、的控制有關。  由于液壓系統的信息具有模糊性、不確定性和偶然性，分析和實踐表明，模糊控制非常適用這一類系統控制。3） 液壓系統模糊控制  模糊控制系統的核心是模糊控制器，由模糊化、模糊推理、模糊判決（反模糊化）三部分組成，模糊控制工作原理見圖1，其中慮線部分表示模糊控制器；e、ec分別表示實測值與設定值的偏差及偏差變化率；E，EC為模糊化的偏差及偏差變化率；u表示模糊控制量，u*為標度變換前的精確量；K1、K2、K3皆為標度變換系數；r、y分別為輸入量和輸出量。  對于變負載情況的進、回油旁路節流調速液壓系統，采用均勻分布的隸屬度函數曲線；控制總表生成時，首先將三

13、個語言變量e、ec和u劃分為7擋，即用7個模糊子集；正大（PL），正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、負小（NS）、負中（NM）、負大（NL）表示。e、ec相應于各模糊子集的取值，即為隸屬度。它表示某一確定量對模糊子集的隸屬程度。   控制規則確定了輸入e和ec與輸出u之間的某種關系，是由“F.THEN.”的條件語句來描述的：IF e is A AMD (or) ec is B,THEN u is C。4） 外載荷變化使液壓泵輸出壓力在系統溢流閥調節壓力范圍內變化時， 由模糊控制可得到接近發動機額定功率的變化規律，且最大的差值不超過5%。而一般的工程機械用發動機的扭矩儲

14、備系數為1.06-1.14左右。因此，由模糊控制委動機自身特性的結合，完全可以使發動機穩定正常的工作。6、熱電阻在煙葉初烤炕房溫度控制中的應用1） 作者：高明遠2） 摘 要：以炕房溫度工藝要求為例，介紹了以單片機為核心、以Cu50為傳感器的溫度控制裝置。實踐證明溫度測量電路新穎、測量比較精確，裝置控制性能良好。 3）硬件設計本系統選用AT89C51作為CPU。根據本系統的測量精度和控制精度要求，本裝置選擇了熱電阻式傳感器Cu50作為測溫傳感器3。Cu50測溫范圍-50+150，工作范圍20-80，線性度好，靈敏度高，價格適中，滿足了該系統的技術要求。溫度的測量和控制主要取決于溫度測量精度，因此

15、，為了保證精度，從硬件采用了三個方面的措施：第一，測量中傳感器的連接采用新的三線制方法1，補償由導線引起的誤差；第二，選用高精度低漂移運算放大器OP07作為運算放大的電路，第三，測量電路采用恒流源供電。A/D轉換器選用常用的ADC1005CMOS10位A/D轉換器，即可滿足技術要求。該芯片總的非調整誤差為±1LSB，輸出電平與TTL電平兼容，單電源+5V供電，模擬量輸入范圍為0-5V4。有三個輸出通道：一個報警電路，二個電機驅動電路分別控制風門電機的正反轉。為了提高系統的抗干擾能力，驅動電路采用交流固態繼電器。溫度顯示電路：溫度值采用數碼管顯示。為了不再擴展并行接口，利用串行口的移位

16、寄存器功能，擴展三位靜態數碼管顯示接口電路。報警電路：利用蜂鳴器報警。4）總結使用這種補償方法的熱電阻測溫電路，測量精度大大提高，實現了高精度的溫度測量和控制。同時，該裝置在硬件上增加了手動/自動轉換功能，軟件上增添了抗干擾措施，使其工作更可靠、穩定，使用方便，已被平頂山煙草公司寶豐縣分公司的使用所證明。 7、在預測領域中應用模糊控制的研究1） 作者：張昊、郁濱、吳捷2） 摘要預測問題在科學技術領域中有著廣泛的應用背景.提出了將基于誤差反饋和專家經驗的閉環模糊控制引入預測系統，用于修正預測輸出、提高預測精度和魯棒性的設想.以電力負荷預測為背景，進行了一系列實驗研究，結果證明在預測領域中應用模糊

17、控制是有效的，從而為其它控制方法在預測領域的應用研究開辟了前景。3） 引言預測可以幫助人們認識并揭示事物的發展規律、提供關于未來的信息，使得人們當前的行為有所依據，因此預測技術越來越受到重視。60年代發展起來的預測學，現已廣泛應用于國民經濟各部門以及社會、科技、軍事、政治等領域，成為管理決策不可缺少的重要組成部分.在各類預測方法的研究中，提高預測精度是一個主要目標.稍遲于預測學的發展，L A Zadeh于60年代中期創立了模糊集理論.隨后，經E H Mamdani等許多學者的努力，模糊控制已逐漸發展成為解決傳統方法無法解決的控制和系統問題的途徑。應用模糊理論進行電力負荷預測的研究在國外已經開始

18、。但迄今為止，尚沒有將模糊控制或其它控制方法應用于預測領域的研究。理論界研究較多的函數映射逼近問題，也與閉環控制無關。本文研究的核心就是將兩者有機地結合起來，達到提高預測系統精度的目的。4）結束語本文研究了將模糊控制引入預測領域的問題.引入誤差反饋控制的預測系統具有閉環結構.加入了模糊控制修正機制的預測系統，在負荷預測的實驗中表現得更為精確，且對于擾動具有魯棒性.傳統預測算法的STLF誤差均高達1020%甚至更高，因而無法實用，本文的實驗結果已達到了國際同類系統的水平11，其應用價值明顯.目前正在研究可適用于多頻預測的、具有自學習能力的模糊控制算法.推廣而言，該項研究更重要的意義在于為各類現代

19、控制方法，特別是“無模型的”自適應模糊控制方法，在預測領域(或非線性映射逼近問題)中的應用開辟了廣闊的前景。8、模糊控制的系統化設計和穩定性分析1） 作者：張金明、李人厚2） 摘要給出了一種模糊控制系統的系統化設計方法，它采用一組局部T-S模糊模型來表示模糊系統，對每個局部模型，利用狀態反饋進行控制器設計，最后給出了全局模糊系統的穩定性分析.通過對一個典型的非線性球-棒控制系統的仿真研究，表明該方法是有效的，它的性能指標優于現有文獻的結果。3）模糊系統穩定性分析從上節的模糊控制器設計中，可以看到，首先，利用局部反饋和極點配置技術，保證每個局部T-S模糊模型是穩定的.然后，用這些局部模型構成一個

20、模糊系統.當然，一般而言，局部穩定不能保證全局穩定.因此，我們必須對設計的模糊系統進行穩定性分析，否則，難于保證全局模糊系統的穩定性。9、模糊控制在真空燒結爐爐溫控制中的應用1） 作者：張國德2） 摘要：針對真空燒結爐的特點，提出了模糊控制算法，給出了以單片機為核心的爐溫模糊控制系統。4）溫度模糊控制    模糊控制器是模糊控制系統的核心，模糊控制器是一種利用專家知識和操作者經驗設計的專家控制系統，設計時不用數學解析模型來描述受控系統的特性。在本溫度控制系統設計中，采用二維模糊控制器，把加熱操作量作為輸出變量。在模糊控制過程中，同時把偏差和偏差的變化率作為模糊輸入

21、量，這種方法不僅能保證系統控制的穩定性，而且還可減少超調量和振蕩現象。根據受控系統的實際情況，確定輸入變量的測量范圍和輸出變量的控制作用范圍，以確定每個變量的論域，Ke、Kec和Ku分別為輸入和輸出變量的量化因子和比例因子。先經限幅處理，再經量化處理就得到了E和EC。根據當前已求得的E和EC，直接查詢模糊控制表就獲得控制量的變化值U，將該變化值U乘以比例因子Ku，即可得到當前的實際控制量增量u。再將該增量和前    一采樣時刻的實際控制量相加，就得到目前應實施的控制動作，即 uk=uk-1+Ku·U，其模糊控制程序框圖如圖3所示。  

22、  在單片機中對輸入的模糊量進行模糊推理，須將所有描述控制過程的控制規則存儲在單片機的EPROM中。把專家知識和現場經驗轉換為用語言表達的模糊控制規則，即設計控制規則庫。本系統中，偏差E、偏差變化率EC和控制量的變化的模糊子集定義為E=NB，NM，NS，NO，P0，PS，PM，PBEC=NB，NM，NS，0，PS，PM，PBU=NB，NM，NS，0，PS，PM，PBP、N分別表示正、負，B、M、S分別表示大、中、小。    建立模糊控制規則表的基本思想，以偏差為負的情況說明。當偏差為負大時，若偏差變化為負，表明此時偏差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負大偏

23、差并抑制偏差進一步增大，所以控制量的變化取正大。當偏差為負而偏差變化為正時，系統本身已有減少偏差的趨勢，所以為盡快消除偏差且又不超調，應取較小的控制量。故當偏差為負大且偏差變化為正小時，控制量的變化取為正中。若偏差變化為正大或正中時，控制量不宜增加，否則將會造成較大的超調，出現正偏差，因此這時的控制量變化取為0級。當偏差為負中時，控制量的變化應該使偏差盡快消除，基于這種原則，控制量的變化選擇同偏差為負大時相同。當偏差為負小時，系統接近穩態。若偏差變化為負時，選取控制量變化為正中，以抑制偏差往負方向變化；若偏差變化為正，系統本身有消除負小偏差的趨勢，選取控制量變化為正小即可。可見選取控制量變化的

24、原則是：當偏差大或較大時，選擇控制量的大小以盡快消除偏差為主；而當偏差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以使系統穩定為主要出發點。    為節省內存，提高單片機應用系統的工作速度，實現有效的實時控制，根據隸屬函數和模糊控制規則表離線計算對應的模糊控制表（即查詢表），并將該表內置在應用軟件的EPROM表中，供實時控制過程使用。在實際控制時，模糊控制器首先把輸入量量化到輸入量的語言變量論域中，再根據量化的結果去查表求出控制量，這樣可大大提高模糊控制的實時效果，節省內存空間。5）結束語    以89C51單片機為核心的真空燒結爐溫度模糊控制

25、系統，實時性好、 節省內存、精度高、功能強、使用方便，極大地改善了系統的動態與靜態特性，溫度均勻度不超過±3,控溫精度高過±1,經處理的材料（工件）表面光亮、無氧化、質量可靠、工藝穩定。10、A dynamic fuzzy model for a drum-boiler-turbine system1） Author:Hacene Habbi,Mimoun Zelmat Belkaem Ould Bouamama2） Abstact:A nonlinear dynamic fuzzy model for natural circulation drum-boiler-tur

26、bine is presented. The model is derived from Astrom-Bell nonlinear dynamic system and describes the complicated dynamics of the physical plant. It is shown that the dynamic fuzzy model gives exalete linearizations of the nonlinear dynamic system. This closeness is illustrated by simulation in variou

27、s conditions.3） The proposed dynamic fuzzy modelOn of the most important applications of fuzzy rule-based systems is system modeling. The Takagi-Sugeno-Kang fuzzy model, which is referred as to TSK fuzzy model has recently found wide applicability in fuzzy model-based control, in particular for the

28、case of complex systems. The reason for this is that its consequence part is an affine dynamic model rather than a fuzzy set or constant value. In regard to the complexity of the boiler-turbine dynamics described by the nonlinear model, and in attempt to find a simple model structure which can captu

29、re in some appropriate sense the key dynamical properties of the physical plant, we investigate in this section the existence and use of the TSK-type fuzzy model in the modeling process of the boiler-turbine dynamics. The dynamic fuzzy model structure and its interpretability issue are then given.Th

30、e dynamic TSK fuzzy model is formed by nine IF-THEN logical rules that have a fuzzy antecedent part and a functional consequent part.Regarding the physics of the boiler-turbine system and its nonlinear model structure, two fuzzy variables are considered in the antecedent part of the TSK fuzzy model,

31、 the drum steam pressure and the dynamic of fluid in the system. The consequent part is composed of local dynamic models. The derivation of the plant-rules describing the dynamic behavior of the physical model is based on an approximate reasoning with respect to the plant operating points show in Ta

32、ble.4) ConclusionIn this paper, a fossil-fuelled nonlinear boiler-turbine dynamic fuzzy model is presented, The global behavior of the TSKfuzzy model accurately approximates the global behavior of the nonlinear physical model, A theoretical understanding of the proposed model is developed by relatin

33、g the dynamic TSKfuzzy model with local affine models to dynamic linearization about a time-varyig point, The modeling errors due to the variation of the load point have beer significantly reduced by the use of the fuzzy model instead of the linearized model about the nominal operating point.The dyn

34、amic fuzzy nodel could be useful for applications to model-based control. In addition, from a control engineer perspective the use of local linear models bridges the gap between fuzzy control and conventional control. This way give some improvements in the control of the complex rink-and -swell phen

35、omenon associated with the drum wary level.5） 方案選擇論證方案一1)硬件組成：PLC、A/D轉換器、LED顯示器、熱電阻、氣開開關、燃油供應子系統。2)工作原理：在系統中，由分立的熱電阻做成測量工具，對溫度變量進行檢測，并輸出到A/D轉換器。A/D轉換器將數據進行A/D轉換后輸出到PLC。PLC執行模糊控制器的作用，根據給定量與測量量的偏差進行模糊運算，得出模糊輸出量，控制氣開開關。氣開開關根據PLC的輸出量自動的調節進入燃燒爐內的燃氣，從而起到了調節溫度的目的。燃油供應子系統起到了供應燃油的作用。LED顯示器用于實時的顯示測量的溫度。LED顯示+

36、給定電壓A/D轉換PLC開關熱電阻+-燃料供應系統D/Aa) 系統原理框圖 方案二、1) 硬件組成：單片機、A/D轉換器、LED顯示器、集成的熱電偶溫度變送器、靜態電子開關、大功率發熱器LED顯示器。2) 工作原理：由集成的熱電偶變送器對系統溫度進行檢測，并完成信號標準化、變送功能。單片機執行模糊控制功能、由靜態電子開關控制大功率發熱器電源的導通與斷開，從而達到控制溫度的目的。3) 系統原理框圖ADC0809AT89C51靜態電子開關LED顯示DDZ熱電偶溫度變送器矩陣鍵盤電爐溫度 方案三、1） 硬件組成：工控機、集成的熱電偶溫度變送器、A/D轉換器、LCD顯示器、氣開開關、燃料供應子系統。2

37、） 工作原理：在系統中，先由工控機發出波形（此波形為理想控制過程），經A/D轉換后輸入到工控機，作為給定量（給定量是變化的）。熱電偶溫度變送器作為測量工具，對溫度變量進行檢測，并輸出到A/D轉換器。A/D轉換后輸出到工控機。工控機利用模糊算法，根據給定量與測量量的偏差進行模糊運算，得出模糊輸出量，控制氣開開關的開啟程度，自動的調節進入燃燒爐內的燃氣，從而起到了調節溫度的目的。燃油供應子系統用于供應燃油。LED顯示器用于實時的顯示測量的溫度。波形生成LCD顯示+A/D工控機開關熱電偶溫度變送+-燃料供應系統D/A3） 系統原理框圖 論證分析：1） 每個方案都采用了不同的處理器，方案一用PLC為模糊控制器，在進行A/D、D/A轉換和LED顯示時出現許多難題，如引腳不夠用，數據并行輸出困難、及內部編程復雜等諸多不便。而方案二和方案三采用了單片機及工控機能夠很好的解決上述問題。2） 方案一采用的是