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電熱水器模糊溫度控制
摘要
電熱水器溫度自動控制系統(tǒng),通過采用PID控制技術調節(jié)加熱功率針對上述控制不理想的問題對使用的影響比較大的情況,使用仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真得到響應曲線,實現(xiàn)了熱水器模糊溫度控制。
關鍵詞: 模糊控制器 熱電偶 偏差
1.引言
模糊控制的基本思想是利用計算機來實現(xiàn)人的控制經驗,而這些經驗多是用語言表達的具有相當模糊性的控制規(guī)則。因為引入了人類的邏輯思維方式,使得模糊控制器具有一定的自適應控制能力,有很強的魯棒性和穩(wěn)定性,因而特別適用于沒有精確數(shù)學模型的實際系統(tǒng)。
本文將模糊控制的基本思想應用到溫度控制系統(tǒng)中。通過熱電偶測量烤箱實際溫度,與給定值比較。當測量溫度與設定溫度之間存在較大的偏差時,定時器產生占空比較大的脈沖序列,全力加熱。當系統(tǒng)溫度與設定溫度之間偏差小,采用模糊控制算法。模糊控制器根據(jù)誤差和誤差變化率,經過模糊推理輸出脈沖序列的占空比的大小,經過固態(tài)繼電器控制電源的通斷, 從而實現(xiàn)對溫度的控制。
一 設計目的及要求
利用模糊控制方法,對控制論域進行了劃分,使控制論域更加精細:并且結合了模糊控制具有魯棒性、穩(wěn)定性好的優(yōu)點,較好的解決原控制系統(tǒng)的不足之處,進一步提高了原控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和控制精度。
設計一個溫度模糊控制系統(tǒng),被控對象為電熱水器,輸入控制信號電壓為0~5V,輸出相電壓為0~220V,輸出最大功率為1500W。
模糊控制器
執(zhí)行器AAAAAAAA
熱水器向
熱電偶
—
給定值
輸出量
1. 控制系統(tǒng)性能指標
(1) 溫度調節(jié)范圍:(0C~90C)
(2) 系統(tǒng)無靜差(即系統(tǒng)誤差為零)
2. 控制方案的確定
該系統(tǒng)的被控對象為電熱水器,通過改變加熱電阻上的電壓調節(jié)水的溫度。從控制信號u(t)到水的溫度c(t)可以看作是廣義被控對象。當控制信號u(t)=4V時,水的溫度最高為100C。被控對象具有慣性特性,故可以采用PID控制設計。設計被控對象的模糊控制系統(tǒng),寫出模糊規(guī)則與PID控制相結合實現(xiàn)對熱水器進行控制。
二 模糊控制器的設計
1. 變量及隸屬度函數(shù)選擇
以溫度偏差e和溫度偏差變化率ec為模糊控制量的輸入量,以u為輸出控制量。設T為熱水器當前溫度,Ts為設定溫度。則溫度偏差e=T-Ts,溫度偏差變化率為單位時間內的溫度偏差改變量。
設定變量e、ec、u的模糊論域均為[-6 6],在論域上均有7個語言變量描述:NL(負大)、NM(負中)、NS(負小)、ZO(零)、PS(正?。?、PM(正中)、PL(正大),語言值的隸屬度函數(shù)都為三角形函數(shù)。變量論域的模糊子集名稱,隸屬度函數(shù)類型及拐點的參數(shù)設計數(shù)據(jù)如表1所示。
表 1 覆蓋輸入變量、輸出變量的模糊子集設定值
變量名稱
變量模糊論域
覆蓋變量的模糊子集
模糊子集類型
模糊子集拐點參數(shù)
溫度偏差e
溫度偏差變化率ec
輸出控制量u
[-6 6]
NL(負大)
三角形
[-6 -6 -4]
NM(負中)
[-6 -4 -2]
NS(負小)
[-4 -2 0]
ZO(零)
[-2 0 2]
PS(正?。?
[0 2 4]
PM(正中)
[2 4 6]
PL(正大)
[4 6 6]
2.模糊規(guī)則
(1)如果“偏差”是“正大”,不管“偏差變化”如何變化,則控制輸出量為“正大”;
(2)如果“偏差”是“正小”或“零”,且“偏差變化”是“正大”或“正中”則控制輸出量為“負小”;
(3)如果“偏差”是“零”,且“偏差變化”是“負中”或“負大”則控制輸出量為“正中”;
(4)如果“偏差”是“零”,且“偏差變化”是“負小”則控制輸出量為“正小”;
(5)如果“偏差”是“正小”,且“偏差變化”是“正中”或“正大”則控制輸出量為“負小”;
(6)如果“偏差”是“零”或“正小”,且“偏差變化”是“負中”或“負大”則控制輸出量為“正中”; ‘
(7)如果“偏差”是“零”,且“偏差變化”是“零”則控制輸出量不變;
(8)如果“偏差”是“負小”,且“偏差變化”是“負小”則控制輸出量不變;
(9)如果“偏差”是“正小”,且“偏差變化”是“正小”則控制輸出量不變;
(10)如果“偏差”是“負小”,且“偏差變化”是“零”或“正小”則控制輸出量為“正小”;
(11)如果“偏差”是“零”,且“偏差變化”是“負大”或“負中”則控制輸出量為“正中”;
(12)如果“偏差”是“負中”,且“偏差變化”是“正小”則控制輸出量為“負大”;
(13)如果“偏差”是“負大”,且“偏差變化”是“正值”則控制輸出量為“負大”;
(14)如果“偏差”是“負中”,且“偏差變化”是“負大”或“負中”,則控制輸出量為“負中”;
(15)如果“偏差”是“負小”,且“偏差變化”是“正大”或“正中”,財控制輸出量為“負中”;
(16)如果“偏差”是“零”,且“偏差變化”是“正值”,則控制輸出量為“負小”;
(17)如果“偏差”是“正小”,且“偏差變化”是“零”或“正小”,則控制輸出量為“正小”;
(18)如果“偏差”是“負中”或“負大”,且“偏差變化”是“負中”或“負大”,則控制輸出量為“正小”;
(19)如果“偏差”是“負中”,且“偏差變化”是“零”或“負小”,則控制輸出量為“負小”;
(20)如果“偏差”是“負大”,且“偏差變化”是“零”或“負小”,則控制輸出量為“負中”。
3.模糊控制器的設計
1)編輯名稱為“weather”的溫度模糊控制系統(tǒng)FIS
(1) 增加一個輸入變量;
(2)將輸入、輸出變量的名稱分別改為e、ec、u。
2)編輯覆蓋輸入、輸出變量的模糊子集
在FIS編輯器上按照表1的數(shù)據(jù)對e、ec、u進行編輯。得出圖1所示的界面。ec、u的MF編輯器和e的相似。
3)編輯“weather”的模糊控制規(guī)則
在編輯界面上,把上面所列的模糊輸入進去,得出圖2所示的界面。
圖 1 輸入量e的MF編輯器
圖 2 “weather”模糊規(guī)則編輯器
三 系統(tǒng)仿真模型的建立
1.論域及增益系數(shù)的選擇
1)偏差e的論域及增益系數(shù)的選擇
對于模糊控制器來說,輸入變量的論域,根據(jù)專家經驗系統(tǒng)偏差e=T-Ts的值大于或等于20C,應該是語言值的最大值“PL”, e的值小于等于-20C,就是“NL”,那么偏差e的論域為【-20 20】,ke的的值為20Xke=6則ke=0.3。
2)偏差變化率的論域及增益系數(shù)的選擇
類似于偏差e考慮到實際情況,初選kc=10。
3)模糊控制器輸出u的論域及增益系數(shù)K2的選擇
選控制量u的論域為【0 5】V,其最大值為5V,初選時最大增量Δu1一般是u1的最大值的百分之幾。如選Δu1為5X2%=0.1,那么K2的值為K2=0.1/6=0.017。
4)積分系數(shù)K1的選擇
由控制理論可知,積分的作用就在于消除靜態(tài)誤差。系統(tǒng)偏差較大時,系統(tǒng)由PD模糊控制器其調節(jié)作用;當系統(tǒng)偏差較小時,積分作用能夠消除系統(tǒng)偏差。取K1=1。
2.仿真模型的建立
溫度控制的傳遞函數(shù)可以看作是一階慣性環(huán)節(jié)。一階傳遞函數(shù)G(s)為:
式中: T為時間常數(shù),T=60s;K為放大系數(shù),階躍響應實驗時,廣義輸入控制信號為4V,被控對象輸出穩(wěn)定在90℃,因此放大系數(shù) K =80/4 =20℃/V;響應輸出無滯后,則τ=0。由此,仿真模型可粗略地寫為: G(s)=20/(60s+1)。
3.仿真系統(tǒng)框圖
有了對象的初步摸型,就可與以模糊控制系統(tǒng)進行仿真,用MATLAB中的 Simulink畫出系統(tǒng)仿真框圖 ,如圖3所示。圖3中的模糊控制器FLC可以是離線計算好的控制表 ,也可以采用 Fuzzy Tool在線推理。模糊控制器的兩個輸入上限幅均為6,下限幅為-6;控制信號u(t)的上限幅為5V,下限幅為0V。
圖 3 系統(tǒng)仿真模型圖
四 仿真結果分析
將上述系統(tǒng)在 MAT LAB中進行仿真 ,給定輸入溫度為80℃,得到系統(tǒng)響應的仿真曲線如圖4所示。
圖 4 系統(tǒng)仿真曲線
由圖4可以看出系統(tǒng)的響應曲線能在正常時間內達到穩(wěn)定狀態(tài) ,說明該系統(tǒng)具有良好的控制效果。通過另外的仿真實驗,可以得到如果系統(tǒng)受到外界干擾 ,特征傳遞函數(shù)會發(fā)生變化響應曲線變化不大,溫度在正常時間內也可以到達平衡狀態(tài)。
五、結論總結
隨著科學技術的發(fā)展,智能控制技術必會日趨完善,并且能夠在更多的領域上應用。此設計是基于MATLAB的模糊控制系統(tǒng),通過調試及仿真,可以初步得出溫度控制的關系原理,從而為在實際應用上提供一個參考,但是在實際應用中還應考慮實際的影響因素,例如環(huán)境對控制系統(tǒng)的影響、人為因素對控制系統(tǒng)的影響等。面對實際問題時應具體問題具體分析。有不足的地方再加以改進。
參考文獻:
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