1、模糊溫度控制器的設計與Matlab仿真徐鵬 201403026摘要:針對溫度控制系統的時變、滯后等非線性特性及控制比較復雜的問題,提出了一種模糊控制方案以改善系統的控制性能.該方案采用mamdani推理型模糊控制器代替傳統的PID控制器,依據模糊控制規則由SCR移相調控晶閘管控制電阻爐電熱功率,實現對溫度的控制. Matlab仿真結果表明,模糊控制的引入有效地克服了系統的擾動,改善了控制性能,提高了控制質量.關鍵詞:溫度控制器;模糊控制;仿真分析中圖分類號: TP272文獻標志碼:AAbstract:For the temperature controlsystem with the nonl

2、inear characters of time-varying and lag and the comp lexity in control,a fuzzy control algorithm is p resented. Thealgorithm adop tsmamdani reasoning fuzzyPID controller to rep lace the traditional PID controller and use the SCR phase-shift thyristor to control the e-lectric resistance furnace powe

3、r based on the fuzzy control rules to imp lement the temperature control. Matlabsimulation results show that the fuzzy control can effectively overcome the disturbance and imp rove the con-trol performance.Key words: temperature controller; fuzzy control; simulation analysis0 引言在工業生產過程中,溫度控制是重要環節,控制

4、精度直接影響系統的運行和產品質量. 在傳統的溫度控制方法中,一般采取雙向可控硅裝置,并結合簡單控制算法(如PID算法) ,使溫度控制實現自動調節. 但由于溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后等特點,很難用數學方法建立精確的模型, 因此用傳統的控制理論和方法很難達到好的控制效果. 鑒于此,本文擬以模糊控制為基礎的溫度智能控制系統,采用人工智能中的模糊控制技術,用模糊控制器代替傳統的PID控制器,以閉環控制方式實現對溫度的自動控制.1溫度控制系統的硬件組成在該溫度控制裝置中,由SCR移相調控晶閘管控制電阻爐來實現對溫度的控制. 在溫控系統中,通過CAN總線將控制站、操作站和通信處理單元連為一體.

5、 溫度控制系統的結構簡圖如圖1所示.圖1溫度控制系統結構簡圖本系統現場控制站由主控卡(ADAM5000 /CAN) 、總線適配卡( PCL841 ) 、模擬量輸入卡(5017) 、模擬量輸出卡( 5024)構成基本控制回路.其中被控對象為箱形電阻爐(電壓220 V, 功率4. 5 kW,額定溫度1 200 ) ,系統采用鎳鉻熱電偶作為溫度傳感器,其檢測溫度范圍為01 300 ,對應輸出為0 52. 37 mV. 采用DBW 型溫度變送器,把熱電偶輸出的mV信號轉變為05 V標準模擬信號. 該信號經A /D轉換成數字信號,送入計算機. 計算機將實際檢測信號與給定信號比較后發出控制信號,經D /A

6、轉換成05 V模擬信號,該信號對應可控硅觸發器的0100%觸發,觸發可控硅的導通角以改變電阻爐的電熱功率.圖1所示的溫度模糊控制系統和常見的負反饋控制系統相似,不同之處是控制裝置為模糊控制器. 熱電偶傳來的帶有溫度信號的mV級電壓,經濾波、放大后,送至A /D轉換器. 這樣,就將所檢測的爐溫對應的電壓信號轉換成數字量送入計算機,并與給定的電壓信號進行比較,計算其偏差,計算機再對該偏差按一定的規律進行運算. 運算結果可以控制可控硅在控制周期內的過零觸發脈沖個數,也就是控制電阻爐的平均功率的大小,從而達到控制溫度的目的. 該控制系統的硬件系統由同步過零檢測電路、溫度信號檢測及可控硅觸發電路、掉電檢

7、測與保護電路等組成,其中模糊溫度控制器的設計是重點.2 模糊溫度控制器的設計本次設計采用mamdani推理型模糊控制器. 該控制器為雙輸入、單輸出結構: 輸入量為設定的鍋爐溫度值與采樣值的偏差E 以及溫度偏差值的變化率EC ;輸出量為溫度控制量U. 模糊控制器的具體設計步驟如下:1精確量的模糊化過程. 根據本系統的實際性質和要求,對輸入量和輸出控制量的模糊語言描述(模糊集)定義如下:設定輸入變量e和ec語言值的模糊子集為負大,負中,負小,零,正小,正中,正大 ,簡記為NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB ,將偏差e和偏差變化率ec量化到( - 3, 3)的區域內本系統所選擇的隸

8、屬函數均為三角形分布,這樣就完成了精確量的模糊化過程. 不同的系統,其模糊集的隸屬函數是不同的,要根據實際情況和實踐經驗而定. 2模糊控制算法. 模糊控制的核心是模糊控制規則的建立. 模糊控制規則的實質是把操作者的經驗加以總結,并將在控制過程中由經驗得來的相應措施總結成控制規則. 在得到輸入偏差量E,偏差變化率EC 和控制量U的模糊集后,就可以利用“若E且EC ,則U”的控制規則建立模糊控制器. 表1為模糊控制規則表.表1模糊控制規則表 EC ENB NM NS ZOPSPMPBNB PBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPMZOZO NSPMPMPMPM ZO NS NSZOPMP

9、MPSZO NS NMNMPSPSPS ZO NM NMNMNMPMZO ZONMNBNBNBNBPBZOZONMNBNBNBNB表1是完整的控制策略,每一條模糊條件推理語句對應一個模糊關系R = E ×EC ×U.按上式即可計算出模糊條件推理語句所對應的模糊關系矩陣R1 , R2 , , Rn ,將所有的模糊關系矩陣求并集運算,即R = R1 R2 Rn ,即可求出總的模糊關系R.然后,輸入已知的條件,輸出由這個總控制規則的模糊關系確定.3 模糊判決. 由模糊數學理論可知,總的模糊關系矩陣R 是一個49 ×7的矩陣,每次控制計算都處理這樣一個矩陣是很困難的. 為

10、此,可先將R 矩陣算出,然后算出每種輸入狀態下的模糊控制輸出,最后用最大隸屬度決策算法,將模糊控制輸出轉化為精確的實際輸出動作.模糊控制器的控制算法由計算機的程序實現. 這種程序一般包括2 個部分: 一個程序是離線計算查詢表,屬于模糊矩陣運算; 另一個程序是計算機在模糊控制過程中在線計算輸入變量,并進行模糊量化處理,查找查詢表后再做輸出處理. 在實時控制時, 先將該表存入計算機,只要測得E和EC ,通過查詢計算機內存中的總控制表,即可得到相應的控制量U.3模糊溫度控制器的設計利用MATLAB的模糊控制箱及Simulink內含的功能元件，建立溫度箱溫度模糊控制器及其系統的模型。1 建立模糊控制器

11、采用溫度偏差，即實際測量溫度與給定溫度之差E及偏差變化率EC作為模糊控制器的輸入變量，輸出溫度控制量U形成典型的雙輸入單輸出二維模糊控制器。運用MATLAB中的FIS編輯器 ，建立溫度箱的Mamdani型模糊控制器，如圖2所示。溫度偏差E、溫度偏差變化率EC和輸出變量U的語言變量E，EC，U都選擇為NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB，其中P和N分別表示正與負，B，M，S分別表示大、中、小，Z表示0。圖2 模糊控制器模型2 建立控制決策及隸屬函數模糊控制決策及解模糊方法采用系統默認值，即極大極小合成運算與重心法解模糊。由模糊控制決策公式可求得輸出變量的模糊集合 為U =(E ×EC

12、 )×R本文都采用三角隸屬函數，各變量的隸屬函數如圖3所示。其中，圖3(a)為E和EC，隸屬函數圖，E和EC的量化論域為-3，3；圖3(b)為U隸屬函數圖，U的量化論域為-3，3。不同的系統, 其模糊集的隸屬函數是不同的, 要根據實際情況和實踐經驗而定。圖3（a）E和EC的隸屬函數圖3（b） U的隸屬函數圖3隸屬函數3. 建立模糊控制規則建立該系統模糊控制規則的基本原則為：當溫度偏差較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當溫度偏差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統的穩定性為主要出發點。將模糊控制規則表中的規則逐一輸入模糊控制規則界面。如圖4所示： 圖4模糊控制規則界面模糊規則三

13、維關系曲面圖如圖5所示。從圖4可以清晰地觀測到模糊系統基于輸入集的輸出集的變化范圍。 圖5模糊規則三維關系曲面圖按view-Rules,可得到部分規則視圖。如圖6所示圖6 部分規則視圖4 MATLAB的仿真為了驗證所設計的溫度模糊控制器的性能, 并在仿真過程中及時調整模糊控制器的控制規則和各項參數,利用Matlab 軟件進行仿真研究. 本次設計利用FuzzyLog ic Too lbox 和S imu link 圖形化工具平臺, 對溫度控制系統進行優化模糊控制設計與仿真的。在進行溫度控制系統的仿真之前, 必須建立被控對象的數學模型. 通常采用階躍響應法來獲得對象的特性.溫度箱溫度控制系統的傳遞

14、函數數學模型, 近似等效為帶純滯后的一階對象。G(S)=Ku（e-ts）/65s+1在進行模糊控制仿真時, 首先利用M atlab的模糊邏輯工具箱建立溫度箱模糊控制器, 然后在S imulink環境下把模糊控制器加載進相應模塊, 進行仿真.量化因子Kp=4，Kd =2，Ku =27，模糊控制器的封裝以及階躍響應曲線分別如圖7, 圖8所示.圖7 系統仿真模型圖圖8 方波響應曲線 5結語模糊溫度控制系統對無法取得數學模型或數學模型相當粗糙的系統可以取得滿意的控制效果.與傳統的PID溫度控制系統相比,該系統具有控制精度高、速度快、控制質量可靠穩定等優點,大大提高了控制質量及自動化水平.參考文獻: 1 路康,閻文科. 模糊P ID控制