基于模糊規則的快速恒溫水浴控制系統研究

王德元

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林 132013）

恒溫水浴控制系統在化工產品測試、食品工程、環境監測等領域有著廣泛的應用，尤其對于細菌檢查、食品加工等方面起著不可替代的作用。恒溫水浴系統主要應用于實驗室中，將被測試產品放置于水域系統內，在設定的溫度下進行恒溫加熱，以化驗檢測產品的各項物理化學性能。

傳統的PID控制系統是建立在被控對象精確的數學模型基礎上的，由于反饋的滯后和各種不可預知的擾動的存在，有時調量較大，難以實現快速精確的恒溫控制。模糊控制作為一種智能控制方法，是在實驗過程中總結的經驗并將其形成語言規則，運用模糊集合模擬操作人員最優化的操作，在解決復雜系統控制問題的過程中表現出了巨大的潛力。

對于恒溫水浴系統的控制的主要影響因素有兩個：一個是水量的多少，另一個是測量水溫與設定水溫的差值大小。

1 恒溫水浴硬件系統

設計水浴系統如圖1所示，溫度傳感器選用Pt100，溫度傳感器和液位傳感器信號進入微機系統，設計微機的接口電路，通過對可控硅導通電流的控制，實現對水浴槽的控制。利用導通電流的大小實現對加熱器的控制，攪拌器的作用是使水槽內的溫場均勻。液位傳感器是實現槽內水量大小的測量。設計微機的接口電路，通過固態繼電器的通斷實現對可控硅導通電流進行控制。

圖1 水浴恒溫系統框圖

2 恒溫水浴系統的模糊控制

模糊控制器的系統設計框圖如圖2所示，圖中的輸入量有兩個，一個是溫度誤差e，另一個是誤差的變化率△e，輸出量則為控制信號變化量△u。

圖2 基于模糊規則的水浴溫度系統控制框圖

將測量結果與設定值相比較得到的誤差x1分為小于，略小于，等于、略高于，高于五個隸屬度，將輸入誤差的變化率x2分為快，略快，不變、略慢，慢五個隸屬度。由于液位傳感器為輔助參數，根據液位傳感器輸出計算出的水量x3，將其分為水量少，水量中，水量多三個隸屬度，輸出規則共有75條規則。

制定模糊規則的形式為：

式中，Ri表示第i條模糊規則；Aij是模糊子集，隸屬函數選取為高斯型；由上述分析可知，輸入變量為3個；yi是第i條模糊規則的輸出；fi()為輸出函數；n為模糊規則總數。本文中fi()為輸入變量的線性函數，將：

3 模糊控制的快速恒溫水浴控制系統仿真實驗

將編制的規則輸入MATLAB 2016模糊控制（FIS）工具箱，與傳統的PID控制的恒溫水浴同時進行仿真比較，得到的結果如表1所示。

表1 模糊控制與PID控制仿真比較結果

4 結語

文章提出了利用模糊規則對恒溫水浴裝置進行精確控制，設計了水浴溫度控制系統，制定了模糊控制規則，并進行了仿真試驗，利用模糊規則控制方法的恒溫最大誤差為0.17℃，而傳統的PID控制恒溫最大誤差為0.43℃；在恒溫時間相比于傳統的PID控制縮短了26%以上。