過程控制系統中模糊控制應用研究

王彩彥

（桂林航天工業學院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

自上世紀80年后，過程控制系統成為那個時代使用最為廣泛、發展最為迅速的控制理論，該控制系統從分散局部控制站的手動控制過程逐步向高度集中的運動控制中心過渡，并成功地應用到實際工業生產過程中。隨著過程控制系統研究的不斷深入，基于神經網絡、模糊控制等智能控制技術的快速發展，過程控制實現了集成化和分散化的綜合化自動控制。然而，正是由于過程控制系統發展之迅速，許多企業過多考慮系統帶來的利益，忽視了過程控制系統最基本的理論研究，導致許多設計人員對于控制理論相對模糊。可見，在今后的過程控制理論研究中，應重點關注目前過程控制系統存在的幾個問題：

1）時變性。由于工業設備使用過程會出現不同程度的磨耗或一定程度的磨損，加上設備系統內部控制機制的復雜性，導致控制系統在持續運用過程中產生許多不確定的因素。由于目前大多數過程控制系統均采用傳統的PID控制器，該控制方式的使用需要建立一個明確的控制對象模型，而且系統被控對象的模型精度較高，使得傳統的控制方式無法有效解決目前工業設備在過程控制系統中出現的時變問題［1－5］。

2）系統的滯后性。目前，過程控制系統大多數使用在工業設備的溫度、流量、壓力以及液位的高低等自動化控制。但在實際控制過程中，所謂的被控參數傳輸到控制系統之間存在著一定的數據滯后性，導致系統控制產生一定的偏差，并影響到整個系統的控制效果。

3）系統的高耦合性。隨著信息化技術的發展，過程控制系統的功能相對廣泛，其涉及的控制變量也相應增多，控制變量之間存在著一定的聯系。許多變量在過程控制中并不是獨立存在的，它們具有相互影響和關聯性。這樣一來，系統在控制過程中，只要一個控制變量發生變化，涉及的多個控制變量也相應的發生改變。系統高耦合性不但嚴重影響整個系統的控制效果，而且增加了整個系統開發及控制的難度。

1 模糊控制技術的分析

1.1 模糊控制規則

模糊控制規則作為模糊控制器設計的基本原則，也是模糊控制器最重要的組成部分，其中不同的模糊控制系統模型對應不同的控制規則。目前，我國對于模糊控制設計過程中使用最為廣泛的系統模型為Mamdani模糊模型和T－S模糊模型［1］。基于Mamdani模糊模型的模糊控制規則最大的特點在于規則的形式，無論是思維方式還是語言表達方式都相對人性化，基于Mamdani模型的模糊控制規則形式簡單例子如下式：

可以看出，A，B，C分別是模型輸入、輸出變量的語言變量。因此，模糊控制規則對于設計人員或操作人員相對簡單，容易操作。

基于T－S模糊模型的模糊控制規則與Mamdani模型的模糊控制規則從表達形式上看十分相似，但這兩種模型的模糊控制規則最大的區別在于輸出量。對于基于T－S模糊模型的模糊控制規則而言，其輸出量并非是一種語言變量，而是由一個常量或輸入變量的線性組合構成。基于T－S的兩種模糊控制規則如下式：

式中：A，B——分別表示模糊控制的輸入變量；k，p，q，r——常量。

1.2 模糊控制器的基本原理

模糊控制系統的工作原理主要有3部分，即語言變量的輸入－模糊控制－語言變量的輸出，其中模糊控制器為控制系統的核心［6］。該系統核心部分主要包括3個過程：

1）輸入變量的模糊化處理過程。所謂輸入變量的模糊化處理過程就是模糊控制器對每個一維的輸入變量進行模糊處理，將控制系統的輸入變量轉化為模糊控制模型所識別的語言變量［7］。語言變量的個數完全由過程控制系統決定，不同的控制對象、不同控制要求對應的語言變量也不盡相同。

2）基于模糊控制規則的模糊推理過程。模糊推理過程主要是通過已設置好的模糊控制規則，根據輸入變量條件與模糊控制規則中的限制條件去推導某個結論，并利用所產生的推導結論完成被控對象的控制。

3）輸出變量的模糊化過程，即輸出變量的轉化過程。要最終實現被控對象的控制，需要將模糊控制器中的輸出語言變量轉化為系統識別的精確控制量，也就是被控對象的一個精確數值［8］。

2 基于模糊控制下的MIMO系統過程控制應用研究

2.1 基于MIMO控制系統的家用熱水器模糊控制系統結構設計

家用熱水器作為一種簡單的MIMO控制對象，在系統模糊控制過程中主要針對熱水器的水溫和流量，如果采用智能解耦控制方式來設計控制器會造成系統變量的多余，控制策略無法有效利用。因此，文中采用自適應解耦控制方式實現熱水器的流量和水溫的控制，不僅控制過程簡單，而且設計人員可以通過手動調節的經驗獲取必要的控制規則。

熱水器模糊控制系統結構如圖1所示。

該系統由兩個輸入變量、兩個輸出變量、兩個調節器、模糊控制器以及兩個流量閥控制端組成，其中模糊控制器成為整個控制系統的核心部分［5］。

整個系統工作原理為：

首先進行流量和水溫輸入變量的設置，通過模糊控制器進行輸入變量的模糊化處理過程、模糊推理過程以及最后的輸出變量的模糊化過程。

其次，根據模糊控制器輸出變量進行熱水閥和冷水閥的流量控制，結合下式中的混合器數學控制模型完成熱水器的水流量和水溫度的輸出。

式中：q1——熱水閥流量；

q2——冷水閥流量；

Q（q1，q2）——熱水器的輸出水流量；

T（q1，q2）——熱水器的輸出水溫度。

最后，將輸出與輸入變量進行比較，將輸入與輸出的偏差進行再次控制，最終保持輸入和輸出變量一致。

圖1 基于MIMO控制系統的熱水器模糊控制結構

2.2 模糊控制器設計

對于模糊控制器的設計，主要包括輸入隸屬度函數、輸出隸屬度函數以及模糊控制規則的確定［4］。文中采用的是兩輸入、兩輸出的MIMO系統，即兩輸入為水流量偏差和水溫偏差，兩輸出分別為熱水閥和冷水閥的控制量。因此，根據系統控制要求，水溫偏差隸屬度函數、水流量偏差隸屬度函數以及輸出變量隸屬度函數如圖2所示。

圖2 輸入、輸出隸屬度函數

2.3 基于Matlab的仿真分析

熱水器水溫和流量模糊控制系統的仿真結果如圖3所示。

圖3 基于Matlab的模糊控制系統仿真結果

從仿真結果可以看出，水流量控制完全達到預期效果，由于溫度相對與流量控制而言，具有一定的滯后性，在水溫控制過程中會出現較小的滯后和偏差，但總體上水溫度控制還是符合設計要求的，達到了預期控制效果。

3 結 語

隨著智能技術發展的不斷深入，模糊控制所具有的優越控制性能在智能化領域發揮的作用越來越大，并得到越來越廣泛的應用。文中結合日常使用的熱水器工作原理，設計了一個兩輸入、兩輸出的模糊控制器，滿足熱水器對水流量和水溫度參數的實時控制，并采用基于Matlab軟件對模型進行仿真驗證，得到預期效果。由此證明模糊控制在過程控制系統運用中的優勢，它的運用與研究對我國智能化領域的發展具有重大意義。

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