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電熱水器模糊溫度控制 摘要 電熱水器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過采用PID控制技術(shù)調(diào)節(jié)加熱功率針對(duì)上述控制不理想的問題對(duì)使用的影響比較大的情況，使用仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真得到響應(yīng)曲線，實(shí)現(xiàn)了熱水器模糊溫度控制。 關(guān)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(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)多是用語言表達(dá)的具有相當(dāng)模糊性的控制規(guī)則。因?yàn)橐肓巳祟惖倪壿嬎季S方式，使得模糊控制器具有一定的自適應(yīng)控制能力，有很強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，因而特別適用于沒有精確數(shù)學(xué)模型的實(shí)際系統(tǒng)。 本文將模糊控制的基本思想應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)中。通過熱電偶測(cè)量烤箱實(shí)際溫度，與給定值比較。當(dāng)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度之間存在較大的偏差時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生占空比較大的脈沖序列，全力加熱。當(dāng)系統(tǒng)溫度與設(shè)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(jīng)過模糊推理輸出脈沖序列的占空比的大小,經(jīng)過固態(tài)繼電器控制電源的通斷, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。 一 設(shè)計(jì)目的及要求 利用模糊控制方法，對(duì)控制論域進(jìn)行了劃分，使控制論域更加精細(xì)：并且結(jié)合了模糊控制具有魯棒性、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，較好的解決原控制系統(tǒng)的不足之處，進(jìn)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(shè)計(jì)一個(gè)溫度模糊控制系統(tǒng)，被控對(duì)象為電熱水器，輸入控制信號(hào)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(biāo) （1） 溫度調(diào)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(duì)象為電熱水器，通過改變加熱電阻上的電壓調(diào)節(jié)水的溫度。從控制信號(hào)u(t)到水的溫度c(t)可以看作是廣義被控對(duì)象。當(dāng)控制信號(hào)u(t)=4V時(shí)，水的溫度最高為100C。被控對(duì)象具有慣性特性，故可以采用PID控制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)被控對(duì)象的模糊控制系統(tǒng)，寫出模糊規(guī)則與PID控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器進(jìn)行控制。 二 模糊控制器的設(shè)計(jì) 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(píng)為輸出控制量。設(shè)T為熱水器當(dāng)前溫度，Ts為設(shè)定溫度。則溫度偏差e=T-Ts,溫度偏差變化率為單位時(shí)間內(nèi)的溫度偏差改變量。 設(shè)定變量e、ec、u的模糊論域均為[-6 6]，在論域上均有7個(gè)語言變量描述：NL（負(fù)大）、NM(負(fù)中)、NS（負(fù)?。O（零）、PS（正?。M（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(diǎn)的參數(shù)設(shè)計(jì)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(shè)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(diǎn)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(fù)大） 三角形 [-6 -6 -4] NM(負(fù)中) [-6 -4 -2] NS（負(fù)?。? [-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(fù)小”； (3)如果“偏差”是“零”，且“偏差變化”是“負(fù)中”或“負(fù)大”則控制輸出量為“正中”； (4)如果“偏差”是“零”，且“偏差變化”是“負(fù)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(fù)小”； (6)如果“偏差”是“零”或“正小”，且“偏差變化”是“負(fù)中”或“負(fù)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(fù)小”，且“偏差變化”是“負(fù)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(fù)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(fù)大”或“負(fù)中”則控制輸出量為“正中”； (12)如果“偏差”是“負(fù)中”，且“偏差變化”是“正小”則控制輸出量為“負(fù)大”； (13)如果“偏差”是“負(fù)大”，且“偏差變化”是“正值”則控制輸出量為“負(fù)大”； (14)如果“偏差”是“負(fù)中”，且“偏差變化”是“負(fù)大”或“負(fù)中”，則控制輸出量為“負(fù)中”； (15)如果“偏差”是“負(fù)小”，且“偏差變化”是“正大”或“正中”，財(cái)控制輸出量為“負(fù)中”； (16)如果“偏差”是“零”，且“偏差變化”是“正值”，則控制輸出量為“負(fù)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(fù)中”或“負(fù)大”，且“偏差變化”是“負(fù)中”或“負(fù)大”，則控制輸出量為“正小”； (19)如果“偏差”是“負(fù)中”，且“偏差變化”是“零”或“負(fù)小”，則控制輸出量為“負(fù)小”； (20)如果“偏差”是“負(fù)大”，且“偏差變化”是“零”或“負(fù)小”，則控制輸出量為“負(fù)中”。 3.模糊控制器的設(shè)計(jì) 1）編輯名稱為“weather”的溫度模糊控制系統(tǒng)FIS （1) 增加一個(gè)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(duì)e、ec、u進(jìn)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(jìn)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(duì)于模糊控制器來說，輸入變量的論域，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)偏差e=T-Ts的值大于或等于20C，應(yīng)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?yàn)椤?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(shí)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?yàn)椤? 5】V，其最大值為5V，初選時(shí)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(shí)，系統(tǒng)由PD模糊控制器其調(diào)節(jié)作用；當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時(shí)，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(shí)間常數(shù),T=60s;K為放大系數(shù),階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí),廣義輸入控制信號(hào)為4V,被控對(duì)象輸出穩(wěn)定在90℃,因此放大系數(shù) K =80/4 =20℃/V;響應(yīng)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(duì)象的初步摸型，就可與以模糊控制系統(tǒng)進(jìn)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(jì)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(gè)輸入上限幅均為6,下限幅為-6;控制信號(hào)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(jié)果分析 將上述系統(tǒng)在 MAT LAB中進(jìn)行仿真 ,給定輸入溫度為80℃,得到系統(tǒng)響應(yīng)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(yīng)曲線能在正常時(shí)間內(nèi)達(dá)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(shí)驗(yàn)，可以得到如果系統(tǒng)受到外界干擾 ,特征傳遞函數(shù)會(huì)發(fā)生變化響應(yīng)曲線變化不大,溫度在正常時(shí)間內(nèi)也可以到達(dá)平衡狀態(tài)。 五、結(jié)論總結(jié) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能控制技術(shù)必會(huì)日趨完善，并且能夠在更多的領(lǐng)域上應(yīng)用。此設(shè)計(jì)是基于MATLAB的模糊控制系統(tǒng)，通過調(diào)試及仿真，可以初步得出溫度控制的關(guān)系原理，從而為在實(shí)際應(yīng)用上提供一個(gè)參考，但是在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)考慮實(shí)際的影響因素，例如環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)的影響、人為因素對(duì)控制系統(tǒng)的影響等。面對(duì)實(shí)際問題時(shí)應(yīng)具體問題具體分析。有不足的地方再加以改進(jìn)。 參考文獻(xiàn)： 1、馬明遠(yuǎn)．人工智能與專家系統(tǒng)導(dǎo)論．清華大學(xué)出版社，20062、韓力群．智能控制理論及應(yīng)用．機(jī)械工業(yè)出版社，20083、韓俊峰，李玉惠等．模糊控制技術(shù)．重慶大學(xué)出版社，2003 4、李友善,李軍.模糊控制理論及其在過程控制中的應(yīng)用[M].國防工業(yè)出版社,1993