基于模糊控制的智能溫控系統的研究

張 華，張子吟，馮丙寅

（邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054035）

基于模糊控制的智能溫控系統的研究

張 華，張子吟，馮丙寅

（邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054035）

介紹了一種以PLC為核心，采用模糊控制算法的熱水溫度控制系統，并對模糊控制的基本結構和參數設計以及系統的軟、硬件設計進行了詳細闡述。該系統中，以太陽能為基礎，通過采用模糊控制實現了對加熱時間的合理優化，實現了加熱棒的電能節約。在實際的應用中，體現了節能、高效等優點，達到了實際中的控制需要。

模糊控制；PLC；溫度控制系統；太陽能

作為一種新型的溫度控制系統，采用太陽能作為一級加熱系統，電加熱棒作為二級加熱系統，系統結構圖如圖1所示。根據數據統計，太陽能加熱系統在夏季時能實現平均節能85%，春秋兩季實現平均節能65%，冬季實現平均節能40%，年平均節能 63.3%［1］。

圖1 熱水系統結構圖

現實中的溫度控制存在嚴重的滯后現象，有非線性、大慣性和時變性等特點。其中有的參數未知或緩慢變化，有的存在滯后和隨機干擾。本系統利用模糊控制的響應快、超調小、過度過程時間短等優點對熱水溫度進行有效控制，保證控制精度，進而實現能源的節省。

一、PLC溫度控制系統

熱水溫度控制系統由觸摸屏、PLC、溫度模塊、溫度傳感器、I/O口擴展模塊、三相加熱棒、液位傳感器、固態繼電器SSR、電磁閥等部件組成，系統結構圖如圖2所示。溫度模塊把溫度傳感器的測量值進行A/D轉換后直接送入PLC的輸入端，PLC結合觸摸屏的設定和輸入的數據進行處理，然后通過I/O擴展口控制SSR的導通與關斷，從而控制電加熱棒的工作。通過液位信號，PLC還可控制進水管道電磁閥門，實現對集熱水箱補水。

圖2 系統結構圖

系統的控制規則是：水源通過太陽能加熱系統進入8T的集熱水箱，集熱水箱只要沒有到達高液位，就會隨時自動進行補水。當加熱水箱的最低液位報警時系統會自動補水，直到到達高液位。加熱水箱在到達高液位時，如溫度沒達到要求，啟動二級加熱系統——電加熱棒，在水溫達到要求時停止加熱。在恒溫水箱中裝有2個低液位傳感器，因為出水口較低同時為了給水漬留有一定空間，低液位報警傳感器1（加水控制）裝在1T處，用于而低液位傳感器2（報警控制）放在0.5T處。每天的早晨和中午用水時間段，都要把恒溫水箱加滿水；在晚上用水時間段，當水面到達低液位傳感器1時需要加水，沒有到達低液位2時則不必加水，防止在夜間恒溫水箱中的水過多，造成不必要的能源浪費［2］。

本系統的被控對像是二級加熱的加熱棒，如圖3所示。通過調節加熱棒的工作時間，實現溫度的控制。

圖3 熱力對象示意圖

加熱一定量水需要的熱量應從輸入的熱量和散失的熱量兩方面來考慮，即為加熱棒的輸入熱量與容器散失的熱量差，根據熱平衡方程，有：

其中，Q0為加熱一定量的水所需要的熱量，Q1為加熱器的輸入熱量，Q2為容器散失的熱量。

根據熱量計算公式，加熱一定量的水所需的熱量Q0的方程為：

式（2）中c為熱容（J/kg·℃），m為質量（kg），T0為水的初始溫度。

式（1）中

式（3）中η是該加熱棒的熱轉換系數為90%［1］，P為加熱棒的功率，t為加熱的時間。

式（1）中

式（4）中k為熱傳系數，s為物體的表面積，t為時間，T1為環境溫度，T2為水箱內溫度，h為物體厚度。T0、T1的選取可從表1中查得。

表1 定州基本氣候情況

二、模糊控制的實現

模糊控制系統通常由模糊控制器、I/O、執行機構、被控對象和傳感器等5個部分組成。模糊控制器是各類模糊控制系統的核心部分。因為被控對象的不同，以及對系統動態、靜態特性的要求和所應用控制規則各異，所以可構成各種類型的控制器［3］。

（一）控制方案的設計

模糊控制系統結構如圖4所示，x為設定的水溫，控制系統以水箱中的加熱時間為控制對象，輸出時間t的控制目標主要為3個方面：（1）加熱時間合理；（2）節省電能；（3）穩態誤差盡可能小。

圖4 模糊控制系統結構圖

模糊控制系統的核心為模糊控制器，以模糊化后的溫度誤差（e）和溫度誤差變化率（ec）為控制器輸入，利用模糊算法和專家經驗對輸出進行優化，經過反復調整獲得最大滿意輸出T，再經過反模糊化得到確定的控制加熱時間t，實現相應的控制效果［4］。

（二）模糊控制器的算法設計

模糊控制器的設計可以分為4個工作步驟：輸入量的模糊化，建立模糊規則，進行模糊推理，輸出量反模糊。

1.輸入量、輸出量的模糊化

模糊控制器的輸入為溫度誤差e（設定值與測量值差）、溫度誤差變化率ec（本次測量值與前次測量值差）。經過模糊化處理后溫度誤差變為E，溫度誤差變化率變為EC。輸出為電加熱棒的加熱時間T。將模糊化后模糊變量E、EC、T進行量化處理，得到E和EC的論域為｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，語言表達｛NB，NM，NS ，ZO，PS，PM，PB｝；T的論域為｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，語言表達｛NB，NM，NS ，ZO，PS，PM，PB｝。

對3個量進行模糊表達，選擇E、EC、T的隸屬函數為三角形，如圖5和圖6所示。

圖5 E、EC的隸屬函數曲線

圖6 T的隸屬函數曲線

2.建立模糊控制規則

模糊控制規則是基于專家知識或操作者的長期經驗，是一種模仿人的直覺推理的語言形式。if...then...是模糊規則通常采用最直接的結構。據此可以獲得如下控制規則：

if E=NB and EC=NB then T=ZO

if E=NB and EC=NM then T=ZO

┇

if E=PB and EC=PB then T=PB

上述的控制規則狀態表，如表2所示。

表2 控制規則狀態表

在允許的誤差范圍內，控制量為ZO，系統不用進行加熱控制，時間為0。當系統控制量為PS時，加熱棒進行短時間加熱，為PM時用中等時間加熱，為PB時用長時間加熱。

3.進行模糊推理

使用模糊控制算法對控制表進行模糊推理，模糊推理實際是通過E和設計的R求出的控制量，即T=（E×EC）。R 獲得。

if…then...結構的模糊控制規則：

If E=Aiand EC =Bithen T=Ci

此處Ai、Bi、Ci為定義在誤差、誤差變化率和控制量對應論域上的模糊集。

則控制量C的隸屬函數為：

4.輸出量反模糊

由于實際被控對象所需的控制信號是有一定物理意義的精確值，所以需要將模糊控制器輸出的模糊量進行反模糊化。考慮到模糊量的執行運算和全面信息的復雜程度，選擇面積重心法進行反模糊化，即：

反模糊化后的t值包含的所有元素信息，本質是加權平均法，加權系數為對應的隸屬度［5］。

另外，考慮到系統還要受加熱器功率、水的吸熱效率等諸多因素的影響，再在控制器輸出中增加調整變量t′，可根據系統實際控制的反饋情況進行設置，進一步增強系統的適應性。這樣，最后的控制器輸出為：T=t+t′。

三、溫度模糊控制系統的實現

整個PLC軟件部分設計分為手動部分和自動控制部分，模糊控制主要針對自動控制部分進行設計。PLC控制器的實現流程圖如圖7、圖8所示。設計實現的目標是在熱水加熱過程中嵌入模糊控制，實現熱水加熱的智能控制。根據時時情況，控制器通過模糊控制調節加熱棒的工作時間，進而實現在合理的時間內達到設定溫度。這樣可以節省能源，加上本系統的最初熱源來自于太陽能，充分體現了節能的目標。

圖7 主程序流程圖

圖8 模糊算法流程圖

四、結論

將模糊控制與PLC控制系統相結合，既顯示了PLC的可靠、靈活、適應性強的特點，也大大提高了控制系統的智能化程度［6］。由于該系統在節能、高效等方面的優點，特別適用于高校、醫院、工礦企業等大型機構。

經過在河北省定州市的運行，該系統運行良好，實現了最初的構想。在符合熱水溫度的條件下，實現了能源的合理運用，達到了節能的目標，收到了使用方的好評。

［1］岳增田. 住宅太陽能集中熱水供給系統［J］.太陽能，2005（2）.

［2］姜長生，王從慶，魏海坤等.智能控制與應用［M］.北京：科學出版社，2007.

［3］楊其華.一種實用的自組織模糊控制器設計方法［J］.中國計量學院學報，1999（2）.

［4］宋勝利.智能控制技術概論［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［5］張曾科.模糊數學在自動化技術中的應用［M］.北京：清華大學出版社，1997.

［6］王立新.模糊系統與模糊控制教程［M］.北京：清華大學出版社，2003.

Temperature Intelligent Control System Based on Fuzzy Control Strategies

ZHANG Hua，ZHANG Zi-yin，FENG Bing-yin

（Xingtai Polytechnic College， Xingtai， Hebei 054035， China）

This paper describes a kind of temperature control system which is composed of PLC. Fuzzy control algorithm was used for the system. The basic structure of fuzzy control， parameter design， and system software and hardware design was expounded. In this system， based on solar energy， the fuzzy control achieved reasonable optimization of heating time and saving electric energy of the heating element. In practical applications， the system reached practical need which embodies energy saving and high efficient， etc.

fuzzy control； PLC； temperature control system； solar energy

TP273.4

A

1008—6129（2015）03—0069—05

（責任編輯 王傲冰）

2015—04—19

張華（1986—），河北邢臺人，邢臺職業技術學院汽車工程系，助教。