模糊控制在溫度控制系統(tǒng)中的仿真研究

王 振

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253034

0 引言

溫度控制系統(tǒng)是以溫度為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多地方需要對控制對象進行溫度控制，使溫度高精度地保持在給定的數(shù)值，如冶煉、紡織、食品、化工、醫(yī)藥電子等場合均對溫度提出了相當高的要求。

1 模糊控制器的設(shè)計

1.1 模糊控制的基本原理

模糊控制系統(tǒng)，它的核心部分為模糊控制器。通常模糊控制器包括4 個部分：1）模糊化接口；2）知識庫；3）推理機；4）精確化。

1.2 模糊溫度控制器的設(shè)計

1.2.1 模糊控制器輸入輸出變量的確定

假設(shè)溫度的設(shè)定值為Td，系統(tǒng)的實際溫度為T，則偏差e=Td-T，其變化率為偏差率de，把e 和de 作為系統(tǒng)的輸入變量，模糊控制器的輸出變量為晶閘管SCR 導(dǎo)通角u 的變化，SCR開度可以間接控制系統(tǒng)的溫度。這樣就可以構(gòu)成一個二維的模糊控制器。

1.2.2 輸入輸出變量的語言描述

選取輸人語言變量為溫度誤差e 和溫度誤差的變化率de，輸出語言變量為控制量的變化u。本控制器設(shè)計中描述輸入變量和輸出變量的語言值都取七個模糊子集，即{NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，ZE(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}。其中各值論域為：

e 的基本論域為(-5 ℃，5 ℃)；de 的基本論域為(-10，10)；u 的基本論域為(-0.5，+0.5)；

這里注意的是偏差的論域為(-5℃，5℃)，當偏差大于5℃時按照5℃時的情況進行運算，小于-5℃時按照-5℃時的情況運算。

2 模糊控制在溫度控制系統(tǒng)中的仿真

2.1 模糊控制器的仿真

鍋爐是工業(yè)比較常見的設(shè)備，鍋爐的水溫可以通過晶閘管SCR 控制加熱器加熱提高，設(shè)計一個模糊控制器使水溫能穩(wěn)定在一個固定點(設(shè)定值)。

在這個系統(tǒng)中，被調(diào)整參數(shù)是水溫，控制量是SCR 導(dǎo)通角。因為鍋爐里水是流動的，故SCR 導(dǎo)通角適當小的時候水溫可以下降。所以，理論是能實現(xiàn)水溫穩(wěn)定在某點。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 MATLAB 仿真

為了檢測模糊控制器的控制效果，我們必須對其進行Simulink 仿真。如圖3-2 模糊控制溫度系統(tǒng)仿真框圖。

采用模糊及常規(guī)PID 控制，通過辨識，得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)

圖2 模糊控制仿真框圖

采用模糊控制器對溫度系統(tǒng)進行控制，仿真運行的結(jié)果如圖3 所示。常規(guī)控制器對溫度系統(tǒng)進行控制的仿真結(jié)構(gòu)為圖4所示。

圖3 模糊控制時系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖4 常規(guī)PID 控制時系統(tǒng)響應(yīng)曲線

由上面的圖可以看出，采用模糊控制比常規(guī)PID 具有更好的控制效果。

3 結(jié)論

模糊控制器克服了單純的PID 控制器超調(diào)量大，過渡時間長的缺點；模糊控制器具有超調(diào)量小，過渡時間短，控制穩(wěn)定時控制精度高，僅存在很小穩(wěn)態(tài)偏差以及很小范圍的振蕩。

從目前模糊控制及其參數(shù)整定的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來看，以下方面是今后需進一步研究和實踐的重點：

1）在模糊規(guī)則調(diào)整方面，在設(shè)計控制器時，應(yīng)該總結(jié)出系統(tǒng)化設(shè)計方法，到目前為止還未有成熟的模糊規(guī)則可以借鑒。

2）智能控制器有待于進一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計劃設(shè)定有機結(jié)合，使其具有自動診斷功能；結(jié)合專家經(jīng)驗知識、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想方法對原有PID 控制器設(shè)計思想及整定方法進行改進；以及從生產(chǎn)過程的實際出發(fā)，設(shè)計滿足實際過程要求的控制方案，將預(yù)測控制、模糊控制、優(yōu)化控制和PID 控制相結(jié)合，進一步提高控制系統(tǒng)的性能，是智能模糊控制發(fā)展極其有前途的方向。

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[2]張立峰，金秀章，田沛.基于模糊自調(diào)整PID技術(shù)的勵磁控制器研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2006，33(4)：2022.