基于模糊控制算法的溫度控制系統

黃媛媛+黃飛昊

【摘 要】在工業自動化控制中，用溫度進行控制是主要的操作方式，在整個控制行業中，溫度控制都占有十分重要的地位，而通過模糊控制算法對溫度進行計算，運用到溫度控制系統中，就可以直接緩解溫度控制系統的滯后現象，以此來起到提高控制效果和控制精度的作用，從而輔助工業企業進行控溫工作。

【關鍵詞】模糊控制算法；溫度；控制系統

一、模糊控制系統的基本原理

模糊控制系統用到的模擬機制主要是模擬人的思維，在安排控制工作時，除了模糊集合論這個基本的元素之外，還添加了語言變量和邏輯推理這兩個因素，可以完成以這幾個因素為基礎的控制工作，同時控制工作是非線性的，因此可以不限制難易程度和復雜程度，就算環境不確定也可以進行控制，模糊控制系統屬于智能控制系統。

模糊控制系統在結構并沒有特殊，與普遍的微機控制系統沒什么兩樣，在結構的構成上，主要由以下四部分構成：

（一）測量元件傳感器

測量元件的測量數據會作為控制的主要標準，被控制對象會發出信號，這個信號最終轉變為電信號，因此測量元件時測量出來的標準值會直接影響整個系統發出的信號，精度十分重要，在進行測量元件的選擇時，一定要注意挑選穩定且符合精度要求的測量元件。

（二） 輸入輸出接口裝置

輸入輸出接口裝置主要在工作中起到接收、轉換的作用，在控制系統中，它負責進行信號的采集，電平的轉換等工作。

（三）廣義對象

廣義對象主要包括執行機構，需要控制的對象是一些比較復雜的工業過程，這樣的工業過程往往比較難上手，沒有嚴格地分為線性或是非線性，在控制過程中，存在控制障礙，沒有明確的控制機制，也未能明確數學模糊的過程。

它包括被控對象與執行機構，被控對象為復雜的工業過程，可是線性的或非線性的，也可能存在各種干擾，是模糊的、不確定的、沒有精確數學模糊的過程。

（四）模糊控制器

模糊控制器是一個總的控制平臺，這個控制平臺會將模糊推理工作完整地進行，在進行推理的過程中，主要利用的數據是輸入量，通過模糊運算的方式進行總的控制工作。

在溫度控制系統中，這幾個部件都各自有各自的作用，負責不同的工作，負責感受控制對象的溫度的部件是傳感器，感受溫度之后分析溫度產生的線性變化，根據線性變化分析出變化關系，送給變送器進行處理。變送器收到這些數據以后將這個數據的變化轉化成標準的電信號或者是可供識別的電壓，這些轉化后的數據主要運送給輸入輸出接口，接口便進行運送至系統前的最后轉換工作，將這些數據進行模數轉換。

輸入輸出接口裝置中有無數的接口，這些接口都滿足了控制系統的所需工作，比如接入了可以控制溫度的鍵盤，從而實現控溫工作；接入了可以顯示實時溫度的數碼管，從而掌握實時溫度情況；接入了可以用來報警的LED，從而實現簡便報警的作用。人機接口越多，可以完成工作的類型也就越多，這樣整個產品的功能就能得到提升，產品的親合力也能隨之增長。

控制對象沒有明確的劃分，執行器會跟著控制對象的改變而改變，但是可以選擇的范圍都比較廣，如果控制對象是電爐，執行器便是晶閘管，執行器也能自動匹配到靜態和固態的繼電器；而如果控制對象變為了油爐，執行器也可以選擇調節閥，主要用來控制油爐進油量的大小。

溫度控制系統是以模糊算法為基礎算法的系統，在完成控制溫度的工作過程中，也可以用來進行處理器的控溫工作，滿足各類處理器的基本處理工作需求，用內部運行的模糊算法程序，進行簡單的控制工作。

二、控溫系統具體實現過程

（一）預處理

在進行處理之前，必須通過測量設備測量得到的一個具體數據，這個數據被稱作預數據，預處理是指在所有數據進入控制器之前，就提前進行處理，處理就是根據這些數據的種類和定義進行分類，預處理的這個過程也算是量化過程，在離散空間中的數據分為了好幾個部分，稱量化器量化的比例為量化因子。量化的過程相當于是個削減數據量的過程，但是量化工作也必須很認真地進行，如果完成的效果太過于粗糙，那么控制器就不適合進行下一步操作，控制器會產生振蕩反應，甚至失去平衡。

（二）模糊化

在進行模糊化之前，一定要確定一個隸屬度函數，這個函數中主要包括了模糊集論域中語言變量各值以及所對應的模糊子集。一般是操作者根據自己的經驗在進行模糊化之前確定的，在這個數據進行使用之后，還可以不斷進行修正和優化，從而達到更好的控制效果。隸屬度函數的形狀根據數據的不同選擇，會呈現不同的形狀，但是影響模糊控制器性能的關鍵不完全是運用的數據，影響的關鍵因素是各模糊集覆蓋論域的情況，在達到控制要求方面，隸屬函數的形狀并沒有什么差別，為了計算上的方便，一般選擇函數形狀時，都會選擇三角形、梯形的函數。并且在實際工作中，三個三個隸屬函數不應該同時進行使用并且呈現相交的狀態，模糊控制算法最大的優點應該是不必完全地了解一整個系統的數學模型，就可以直接完成控制工作。

數學模型中，一些難以確定的系統可以直接進行模糊算法的計算，在計算上面來說有明顯的優勢，但是模糊控制算法中并不存在積分項，所以在控制結果的產生上，容易產生靜差。因此，為了避免產生靜差，可以將模糊控制算法與PID算法結合在一起，進行創新得到模糊PID算法?？梢韵仍O定PID控制器的初始數值，然后在模擬模糊規則，將計算得出的調節值輸在系統中，然后相加，就能得到最終的PID參數。

Kp = Kp + Qp * △Kp （Kp ： 初值 Qp： 比例系數 △Kp ： 模糊規則得到的Kp調節值）

Ki = Ki + Qi * △Ki

Kd = Kd + Qd * △Kd

三、結束語

雖然溫度控制系統在很多領域已經開始投入使用，并且在很多領域都獲得了好的發展，不少企業對控制系統的能力已經認可了，但是在整個控制系統中還存在一些缺點，比如沒能正確地選擇控制器的規格，大多數控制系統選擇的控制器是速度較慢的單片機，但是更好的選擇應該是速度更快的工控機，這就在一定程度上限制了采樣工作的完成效率。但是如果能采用更先進的模糊算法，就能增加模糊系統的控制精度，如果能夠在發展過程中，將壓力等因素也加進整個控制系統中，控制系統除了可以控制溫度，也可以控制壓力，控制范圍與之前相比加大了不少，也將有不小的應用前景。

參考文獻：

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