基于模糊控制的溫度控制系統

蚌埠學院電子與電氣工程學院 郭 緊 史成芳

基于模糊控制的溫度控制系統

蚌埠學院電子與電氣工程學院 郭 緊 史成芳

本文針對實際溫度控制的滯后性和非線性特點，提出了模糊控制的算法，該算法可在未知系統數學模型的條件下，根據實測的溫度與設定值之間的偏差，選擇合適的控制方案，利用反饋，達到消除誤差或者減小誤差的目的，仿真分析表明該算法控制精度高，動態性能好。

模糊控制器；溫度控制；控制算法

1 引言

溫度控制在日常生活和工業生產中都有著廣泛地應用。在實際應用中溫度控制具有非線性、大滯后、時變性和大慣性的特點。國內外科研人員在對溫度控制的研究中發現，根據經典的控制理論，要建立溫度控制的精確的數學模型很困難，而且在解決溫度控制的非線性、大滯后以及時變性等問題也存在極大困難，而模糊控制的提出能夠有效的解決溫度控制的問題。1965年Zadeh提出了模糊集合的概念，自此，模糊控制作為現代控制理論一個重要分支，發展日益成熟[1]，并廣泛應用于家用電器、兒童玩具、工業控制、航空航天和國防控制。與此同時，單片機技術也獲得長足的發展，單片機技術是計算機技術應用于控制領域的一個分支，滲透于生活與生產過程的方方面面。在單片機上實現模糊控制，無需建立精確地數學模型，只要選取適當的控制算法，根據環境溫度的變化，就能夠將溫度控制在理想的范圍內，達到控制精度高、動態性能好的控制要求,具有比較高的理論研究價值和應用價值[2]。

2 溫度控制系統

模糊溫度控制系統的結構框圖如圖1所示，系統由單片機、溫度傳感器及顯示模塊等構成。

溫度采集通常采用數字溫度傳感器DSB1820，該數字溫度傳感器的好處是采用一條傳輸線與單片機通信，同時由于該傳感器輸出量即為數字量，使得該系統不需要另外加A/D轉換器，從而很大程度上簡化了外圍電路的設計,提高了該系統的性價比。單片機采用AT89C51，溫度采集模塊的硬件輸出實現是P0口的0引腳。溫度顯示模塊，采用數碼管顯示溫度。風機驅動模塊，采用了一塊驅動芯片，ULN2003。溫度由傳感器采集，傳送給模糊控制器，根據模糊控制器的控制算法計算出控制系統的控制輸出量，經D/A轉換后，轉化為模擬量，驅動電磁閥的開度，從而確定風機的速度和加熱閥的大小。以達把室溫控制在最佳溫度范圍內的目標。

圖1 系統框圖

圖2 模糊控制器結構圖

3 模糊控制器的設計（見圖2）

高精密電器元件對溫度的范圍變化的范圍控制要求比較高，本文采用溫度誤差和溫度誤差的變化率作為輸入變量，該二維模糊控制器的邏輯結構圖如圖2所示，

根據實際環境狀況和傳感器的的測量精度，為了將輸入的溫度誤差信號進行模糊處理，將溫度誤差基本論域設定為[-2，+2]，溫度誤差的基本論域設定為[-1,+1],把誤差和誤差變化量化為13個等級，即為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}；輸出變量H量化為15個等級，即為：{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}。由此可以計算出，該溫度模糊控制器的誤差量化因子ke=6／2=3，誤差變化率的量化因子kec=6／1=6。量化因子可以使輸入量從基本論域變換到模糊集論域上去，即在基本論域中給定任意一個數值通過計算都可以得到在模糊集論域中最相近的整數點。由模糊控制算法計算出的控制量是不能直接對控制對象進行控制的，需要將其轉換到基本論域中去，方能為控制對象所接受[3]。

表1 溫度模糊控制規則表

通常選取一個比例因子ku把控制量的模糊集論域變換到基本論域中。若控制量的基本論域為[xmin，xmax]，量化后的論域為[ymin，ymax]，則控制量的比例因子可由下式確定：

根據實際經驗，系統采取如表1所示的模糊規則[4-9]。

由于模糊控制器的輸出是一個模糊集合，無法對外圍被控制對象實現控制，所以需要對他進行解模糊，求出一個最具有代表意義的精確的控制量實現控制，解模糊的方法有很多，比如最大隸屬度法，加權平均法，還有中位數法，本文采用中位數法。

圖3 模糊控制算法流程圖

4 仿真分析

模糊控制算法是本系統的核心控制算法，它包括兩個部分，一個是單片機離線計算模糊控制規則并將結果轉換為一個表格存儲起來供系統查表使用，此為模糊矩陣運算部分，另外一個是單片機讀取采集的溫度，并將采集到的溫度值同單片機設定的溫度值進行比較得到溫度誤差和誤差的變化率，通過量化因子將它映射到模糊集論域上去，并進行模糊運算獲得模糊控制量，再進行解模糊。

解模糊化后的控制輸出，進行數模轉化后，控制電磁閥的開度，從而控制風機和加熱閥，達到修正溫度的目的，流程圖如圖3所示。

利用Simulink對模糊控制算法進行仿真，結果如圖4所示，從圖中可以看出該算法無超調量，調節時間大約為5秒，穩態誤差為零。

圖4 仿真結果圖

5 結語

本文通過對國內溫度控制存在問題的研究，結合單片機技術，采用模糊控制算法實現了基于模糊控制的溫度控制系統，系統使用了AT89C51單片機，成本比較低，通過MATLAB仿真試驗證明，該算法的設計比較合理，能夠將溫度控制在設定的溫度范圍內，具有一定的工程實踐價值。

[1]諸靜.模糊控制原理與應用[M].北京:機械工業出版社,1995: 1-15.

[2]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,1997:130-189.

[3]張小娟.一種基于模糊控制的溫度控制系統設計[J].儀表技術與傳感器,2010(11): 76-78.

[4]鄭艷玲,王占奎,張素君.模糊控制在智能溫度控制系統中的應用[J].機械與電子,2011(27):101-102.

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A Design of the Temperature Control System Based on Fuzzy Control

GUO Jin,SHI Cheng-Fang
(Department of electronic and electrical Engineering,Bengbu college)

In view of the skewing and non-linear properties of real-temperature controlling,this paper proposes a kind of fuzzy control algorithm.According to the deviation between the measuring and the real temperature,the algorithm select suitable system scheme and use feedback to achieve the purpose of eliminating or reducing deviation.The simulated results indicate that the fuzzy control algorithm has high precision and good dynamic performance.

fuzzy controller; temperature control; control algorithm

郭緊（1990—），女，電氣工程及其自動化專業本科生。

史成芳（1976—），女，碩士，講師，從事控制工程及電子技術應用研究。

安徽省省級大學生創新創業訓練計劃項目(201311305055)；蚌埠學院科研項目（2015ZR13)。