模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)與Matlab仿真

1、模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)與Matlab仿真徐鵬 201403026摘要:針對(duì)溫度控制系統(tǒng)的時(shí)變、滯后等非線性特性及控制比較復(fù)雜的問題,提出了一種模糊控制方案以改善系統(tǒng)的控制性能.該方案采用mamdani推理型模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制器,依據(jù)模糊控制規(guī)則由SCR移相調(diào)控晶閘管控制電阻爐電熱功率,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制. Matlab仿真結(jié)果表明,模糊控制的引入有效地克服了系統(tǒng)的擾動(dòng),改善了控制性能,提高了控制質(zhì)量.關(guān)鍵詞:溫度控制器;模糊控制;仿真分析中圖分類號(hào): TP272文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AAbstract:For the temperature controlsystem with the nonl

2、inear characters of time-varying and lag and the comp lexity in control,a fuzzy control algorithm is p resented. Thealgorithm adop tsmamdani reasoning fuzzyPID controller to rep lace the traditional PID controller and use the SCR phase-shift thyristor to control the e-lectric resistance furnace powe

3、r based on the fuzzy control rules to imp lement the temperature control. Matlabsimulation results show that the fuzzy control can effectively overcome the disturbance and imp rove the con-trol performance.Key words: temperature controller; fuzzy control; simulation analysis0 引言在工業(yè)生產(chǎn)過程中,溫度控制是重要環(huán)節(jié),控制

4、精度直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量. 在傳統(tǒng)的溫度控制方法中,一般采取雙向可控硅裝置,并結(jié)合簡單控制算法(如PID算法) ,使溫度控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié). 但由于溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后等特點(diǎn),很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型, 因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果. 鑒于此,本文擬以模糊控制為基礎(chǔ)的溫度智能控制系統(tǒng),采用人工智能中的模糊控制技術(shù),用模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制器,以閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制.1溫度控制系統(tǒng)的硬件組成在該溫度控制裝置中,由SCR移相調(diào)控晶閘管控制電阻爐來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制. 在溫控系統(tǒng)中,通過CAN總線將控制站、操作站和通信處理單元連為一體.

5、 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示.圖1溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖本系統(tǒng)現(xiàn)場控制站由主控卡(ADAM5000 /CAN) 、總線適配卡( PCL841 ) 、模擬量輸入卡(5017) 、模擬量輸出卡( 5024)構(gòu)成基本控制回路.其中被控對(duì)象為箱形電阻爐(電壓220 V, 功率4. 5 kW,額定溫度1 200 ) ,系統(tǒng)采用鎳鉻熱電偶作為溫度傳感器,其檢測溫度范圍為01 300 ,對(duì)應(yīng)輸出為0 52. 37 mV. 采用DBW 型溫度變送器,把熱電偶輸出的mV信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?5 V標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào). 該信號(hào)經(jīng)A /D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),送入計(jì)算機(jī). 計(jì)算機(jī)將實(shí)際檢測信號(hào)與給定信號(hào)比較后發(fā)出控制信號(hào),經(jīng)D /A

6、轉(zhuǎn)換成05 V模擬信號(hào),該信號(hào)對(duì)應(yīng)可控硅觸發(fā)器的0100%觸發(fā),觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通角以改變電阻爐的電熱功率.圖1所示的溫度模糊控制系統(tǒng)和常見的負(fù)反饋控制系統(tǒng)相似,不同之處是控制裝置為模糊控制器. 熱電偶傳來的帶有溫度信號(hào)的mV級(jí)電壓,經(jīng)濾波、放大后,送至A /D轉(zhuǎn)換器. 這樣,就將所檢測的爐溫對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī),并與給定的電壓信號(hào)進(jìn)行比較,計(jì)算其偏差,計(jì)算機(jī)再對(duì)該偏差按一定的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算. 運(yùn)算結(jié)果可以控制可控硅在控制周期內(nèi)的過零觸發(fā)脈沖個(gè)數(shù),也就是控制電阻爐的平均功率的大小,從而達(dá)到控制溫度的目的. 該控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由同步過零檢測電路、溫度信號(hào)檢測及可控硅觸發(fā)電路、掉電檢

7、測與保護(hù)電路等組成,其中模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)是重點(diǎn).2 模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用mamdani推理型模糊控制器. 該控制器為雙輸入、單輸出結(jié)構(gòu): 輸入量為設(shè)定的鍋爐溫度值與采樣值的偏差E 以及溫度偏差值的變化率EC ;輸出量為溫度控制量U. 模糊控制器的具體設(shè)計(jì)步驟如下:1精確量的模糊化過程. 根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際性質(zhì)和要求,對(duì)輸入量和輸出控制量的模糊語言描述(模糊集)定義如下:設(shè)定輸入變量e和ec語言值的模糊子集為負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大 ,簡記為NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB ,將偏差e和偏差變化率ec量化到( - 3, 3)的區(qū)域內(nèi)本系統(tǒng)所選擇的隸

8、屬函數(shù)均為三角形分布,這樣就完成了精確量的模糊化過程. 不同的系統(tǒng),其模糊集的隸屬函數(shù)是不同的,要根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而定. 2模糊控制算法. 模糊控制的核心是模糊控制規(guī)則的建立. 模糊控制規(guī)則的實(shí)質(zhì)是把操作者的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié),并將在控制過程中由經(jīng)驗(yàn)得來的相應(yīng)措施總結(jié)成控制規(guī)則. 在得到輸入偏差量E,偏差變化率EC 和控制量U的模糊集后,就可以利用“若E且EC ,則U”的控制規(guī)則建立模糊控制器. 表1為模糊控制規(guī)則表.表1模糊控制規(guī)則表 EC ENB NM NS ZOPSPMPBNB PBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPMZOZO NSPMPMPMPM ZO NS NSZOPMP

9、MPSZO NS NMNMPSPSPS ZO NM NMNMNMPMZO ZONMNBNBNBNBPBZOZONMNBNBNBNB表1是完整的控制策略,每一條模糊條件推理語句對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊關(guān)系R = E EC U.按上式即可計(jì)算出模糊條件推理語句所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣R1 , R2 , , Rn ,將所有的模糊關(guān)系矩陣求并集運(yùn)算,即R = R1 R2 Rn ,即可求出總的模糊關(guān)系R.然后,輸入已知的條件,輸出由這個(gè)總控制規(guī)則的模糊關(guān)系確定.3 模糊判決. 由模糊數(shù)學(xué)理論可知,總的模糊關(guān)系矩陣R 是一個(gè)49 7的矩陣,每次控制計(jì)算都處理這樣一個(gè)矩陣是很困難的. 為此,可先將R 矩陣算出,然后算出每種

10、輸入狀態(tài)下的模糊控制輸出,最后用最大隸屬度決策算法,將模糊控制輸出轉(zhuǎn)化為精確的實(shí)際輸出動(dòng)作.模糊控制器的控制算法由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn). 這種程序一般包括2 個(gè)部分: 一個(gè)程序是離線計(jì)算查詢表,屬于模糊矩陣運(yùn)算; 另一個(gè)程序是計(jì)算機(jī)在模糊控制過程中在線計(jì)算輸入變量,并進(jìn)行模糊量化處理,查找查詢表后再做輸出處理. 在實(shí)時(shí)控制時(shí), 先將該表存入計(jì)算機(jī),只要測得E和EC ,通過查詢計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的總控制表,即可得到相應(yīng)的控制量U.3模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)利用MATLAB的模糊控制箱及Simulink內(nèi)含的功能元件，建立溫度箱溫度模糊控制器及其系統(tǒng)的模型。1 建立模糊控制器采用溫度偏差，即實(shí)際測量溫度與給定溫

11、度之差E及偏差變化率EC作為模糊控制器的輸入變量，輸出溫度控制量U形成典型的雙輸入單輸出二維模糊控制器。運(yùn)用MATLAB中的FIS編輯器 ，建立溫度箱的Mamdani型模糊控制器，如圖2所示。溫度偏差E、溫度偏差變化率EC和輸出變量U的語言變量E，EC，U都選擇為NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB，其中P和N分別表示正與負(fù)，B，M，S分別表示大、中、小，Z表示0。圖2 模糊控制器模型2 建立控制決策及隸屬函數(shù)模糊控制決策及解模糊方法采用系統(tǒng)默認(rèn)值，即極大極小合成運(yùn)算與重心法解模糊。由模糊控制決策公式可求得輸出變量的模糊集合 為U =(E EC )R本文都采用三角隸屬函數(shù)，各變量的隸屬函數(shù)如

12、圖3所示。其中，圖3(a)為E和EC，隸屬函數(shù)圖，E和EC的量化論域?yàn)?3，3；圖3(b)為U隸屬函數(shù)圖，U的量化論域?yàn)?3，3。不同的系統(tǒng), 其模糊集的隸屬函數(shù)是不同的, 要根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而定。圖3（a）E和EC的隸屬函數(shù)圖3（b） U的隸屬函數(shù)圖3隸屬函數(shù)3. 建立模糊控制規(guī)則建立該系統(tǒng)模糊控制規(guī)則的基本原則為：當(dāng)溫度偏差較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)溫度偏差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。將模糊控制規(guī)則表中的規(guī)則逐一輸入模糊控制規(guī)則界面。如圖4所示： 圖4模糊控制規(guī)則界面模糊規(guī)則三維關(guān)系曲面圖如圖5所示。從圖4可以清晰地觀測到模糊系統(tǒng)基于輸

13、入集的輸出集的變化范圍。 圖5模糊規(guī)則三維關(guān)系曲面圖按view-Rules,可得到部分規(guī)則視圖。如圖6所示圖6 部分規(guī)則視圖4 MATLAB的仿真為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的溫度模糊控制器的性能, 并在仿真過程中及時(shí)調(diào)整模糊控制器的控制規(guī)則和各項(xiàng)參數(shù),利用Matlab 軟件進(jìn)行仿真研究. 本次設(shè)計(jì)利用FuzzyLog ic Too lbox 和S imu link 圖形化工具平臺(tái), 對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化模糊控制設(shè)計(jì)與仿真的。在進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)的仿真之前, 必須建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型. 通常采用階躍響應(yīng)法來獲得對(duì)象的特性.溫度箱溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型, 近似等效為帶純滯后的一階對(duì)象。G(S)=Ku（e-ts）/65s+1在進(jìn)行模糊控制仿真時(shí), 首先利用M atlab的模糊邏輯工具箱建立溫度箱模糊控制器, 然后在S imulink環(huán)境下把模糊控制器加載進(jìn)相應(yīng)模塊, 進(jìn)行仿真.量化因子Kp=4，Kd =2，Ku =27，模糊控制器的封裝以及階躍響應(yīng)曲線分別如圖7, 圖8所示.圖7 系統(tǒng)仿真模型圖圖8 方波響應(yīng)曲線 5結(jié)語模糊溫度控制系統(tǒng)對(duì)無法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型相當(dāng)粗糙的系統(tǒng)可以取得滿意的控制效果.與傳統(tǒng)的PID溫度控制系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)具有控制精度高、速度快、控制質(zhì)量可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),大大提高了控制質(zhì)量及自動(dòng)化水平.參考文獻(xiàn): 1 路康,閻文科. 模糊P ID控制在