《基于模糊控制變量方法的電子膨脹閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MATLAB仿真》12000字（論文）

模糊控制簡(jiǎn)介4.1模糊控制的特點(diǎn)模糊控制系統(tǒng)語(yǔ)言技術(shù)是一種用來(lái)表示人類(lèi)邏輯思維日?；顒?dòng)以及控制復(fù)雜事物極其有效地語(yǔ)言手段,因此,對(duì)于那些長(zhǎng)期利用某種傳統(tǒng)模糊控制語(yǔ)言方法難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法湊效的控制文題,采用模糊控制語(yǔ)言技術(shù)往往有可能迎刃而解。與其他傳統(tǒng)的模糊控制分析技術(shù)相結(jié)合比較,模糊控制技術(shù)具有下述如下主要特點(diǎn):（1）不一定需要建立被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。它指的是一種推理的邏輯控制,具有近似人類(lèi)推理思維的若干基本特點(diǎn),能夠根據(jù)人類(lèi)一系列的模糊推理知識(shí)和復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)而得出各種符合實(shí)際邏輯關(guān)系的推理結(jié)論,不同于需要系統(tǒng)精確的建立數(shù)學(xué)推理模型,因此被認(rèn)為特別適合于推理系統(tǒng)復(fù)雜、難于或根本無(wú)法自行建立新的數(shù)學(xué)推理模型、人工智能操作和無(wú)經(jīng)驗(yàn)有效的非線性、時(shí)變及純粹的滯后性等系統(tǒng)的推理控制。（2）適應(yīng)性強(qiáng)。經(jīng)研究結(jié)果表明，對(duì)于一個(gè)完全確定的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程系統(tǒng)控制對(duì)象,用模糊控制與經(jīng)常用到的采用PID運(yùn)動(dòng)控制的傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)滯后效果相當(dāng)，同時(shí)對(duì)于非線性、噪聲和純粹的滯后過(guò)程系統(tǒng)也具有較強(qiáng)的一致控制能力,在這三個(gè)特點(diǎn)方面一些傳統(tǒng)控制往往只會(huì)顯得無(wú)能為力。（3）魯棒性強(qiáng)。由于模糊控制系統(tǒng)采用的不是二次多值控制邏輯,而是一種連續(xù)多值邏輯,所以當(dāng)模糊系統(tǒng)控制參數(shù)發(fā)生變化時(shí),能比較容易地地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的模糊控制。（4）軟件系統(tǒng)的操作規(guī)則和基本參數(shù)功能整體設(shè)定方便。只要通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種工業(yè)語(yǔ)言過(guò)程變量進(jìn)行不確定性的統(tǒng)計(jì)分析,就已經(jīng)能比較好地找出建立語(yǔ)言過(guò)程變量的基本控制操作規(guī)則和系統(tǒng)的主要控制參數(shù),而且這些參數(shù)的控制適用范圍較廣。（5）軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)的軟硬件功能實(shí)現(xiàn)都比較方便。4.2隸屬度函數(shù)在進(jìn)行模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，我們必須要了解隸屬度。什么是隸屬度函數(shù)？舉例來(lái)說(shuō),也就是,對(duì)于論域U內(nèi)的任一定義元素并且A都可以有一個(gè)定義范圍內(nèi)的不可確定性函數(shù)值而B(niǎo)(A)與之互相對(duì)應(yīng),那么我們就把元素A可以稱(chēng)為論域U上的一個(gè)模糊集,B(A)可以稱(chēng)為元素A對(duì)論域B的模糊隸屬度。當(dāng)A在論域內(nèi)產(chǎn)生變化時(shí)，此時(shí)的B（A）就是一個(gè)函數(shù)，我們把此時(shí)的B（A）就稱(chēng)作A的隸屬函數(shù)。當(dāng)隸屬度B（A）越接近論域范圍內(nèi)的最大值時(shí)，A屬于B的程度越高，反之則亦然。在模糊控制中為什么需要特別研究一個(gè)隸屬度上的函數(shù)呢?這可能是因?yàn)樵u(píng)價(jià)隸屬度函數(shù)屬于從模糊化的評(píng)價(jià)模型函數(shù)之中提煉衍生出來(lái)的一個(gè)概念，它可以以一個(gè)模糊集合的形式來(lái)表示在承受多種因素影響下判斷該決策是否正確的多因素決策方法。在進(jìn)行模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要用到數(shù)學(xué)方法隸屬度函數(shù)，只有隸屬度函數(shù)才可以將模糊集合內(nèi)具有聯(lián)系和相似性各個(gè)元素一一準(zhǔn)確表述出來(lái)。隸屬度函數(shù)是多樣的，想要判斷哪個(gè)函數(shù)為最優(yōu)化函數(shù)，就需要利用不同的隸屬函數(shù)進(jìn)行操作。下列是選取合適隸屬度函數(shù)方法：1、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法該方法先根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及實(shí)際操作數(shù)據(jù)給出一個(gè)估計(jì)的相應(yīng)權(quán)系數(shù)值或處理算式，然后由在這一方面具有很多經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家根據(jù)自己積累的經(jīng)驗(yàn)把模糊信息融入到隸屬函數(shù)中。這是一個(gè)需要通過(guò)大量的實(shí)踐反復(fù)驗(yàn)證完善的方法，正是因?yàn)檫@確定過(guò)程的工作量繁雜，所以通過(guò)這種方法得到的隸屬度函數(shù)更嚴(yán)謹(jǐn)更符合實(shí)際所需。2、函數(shù)法此方法根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際特性，綜合考慮選擇一個(gè)較為合適的典型函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，主要有三角形、S型、Z型等典型函數(shù)。該方法操作簡(jiǎn)單不需要復(fù)雜計(jì)算。4.3本章小結(jié)在本章中，具體介紹了模糊控制理論和其特點(diǎn)，判斷是否適用于電子膨脹閥控制系統(tǒng)中。電子膨脹閥模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真5.1smith預(yù)估控制Smith預(yù)估控制是在針對(duì)傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，因?yàn)楸豢貙?duì)象的復(fù)雜特性，導(dǎo)致常規(guī)PID控制并不能完美的完成這項(xiàng)任務(wù)。而且在smith中的預(yù)估滯后控制通過(guò)自動(dòng)引入和刪除被控控制對(duì)象之間并聯(lián)的功能補(bǔ)償器對(duì)純粹的滯后控制現(xiàn)象功能進(jìn)行自動(dòng)減弱和實(shí)時(shí)消弭，在一定程度上提高了啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。針對(duì)本系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制器的引入系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下圖5-1。圖5-1Smith預(yù)估控制系統(tǒng)仿真框圖5.2模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模糊控制系統(tǒng)就是以模糊控制理論為核心算法的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)的新型智能化系統(tǒng)。雖然其控制結(jié)構(gòu)于傳統(tǒng)閉環(huán)反饋類(lèi)似，但是與其不同的是增設(shè)了模糊控制器并且將模糊控制理論融合其中。這樣，模糊控制系統(tǒng)不僅僅具有傳統(tǒng)控制的優(yōu)勢(shì)，模糊控制器的加入使得系統(tǒng)可以進(jìn)行更快速的反應(yīng)和更良好的控制效應(yīng)。如圖5-2所示可看出，模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為完善，它在控制器中增加了輸入變量的模糊化和輸出變量清晰化的過(guò)程，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更加完備控制效果更優(yōu)。圖5-圖5-2模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模糊控制器中最為核心的功能是模糊推理,它主要功能是把模糊推理控制器需要輸入的所有模糊知識(shí)量和輸入知識(shí)庫(kù)中所需要儲(chǔ)存的模糊知識(shí)形成規(guī)則,通過(guò)含糊模仿實(shí)現(xiàn)人類(lèi)對(duì)模糊推理概念的邏輯思考和模糊判斷邏輯思維等，并進(jìn)行綜合邏輯分析推理和數(shù)學(xué)運(yùn)算等來(lái)獲得模糊控制器的信號(hào)。在解模糊化時(shí)由于系統(tǒng)經(jīng)過(guò)模糊推理后得到的量為模糊量而被控系統(tǒng)僅能接受清晰量，所以就需要通過(guò)解模糊化將模糊量轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦?。下列為解模糊法的主要方法：a.最大隸屬度法該算法實(shí)質(zhì)上即是直接在輸出模糊子集中找到隸屬度最大的那個(gè)元素當(dāng)做最終輸出值，當(dāng)輸出模糊子集有多個(gè)元素隸屬度等大時(shí)，那么則取這些元素的平均值作為最終輸出值。該方法計(jì)算量小，但由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常只關(guān)注研究最大隸屬度輸出值而忽視隸屬度曲線形狀，所以會(huì)漏掉小隸屬度的結(jié)論信息，導(dǎo)致其精確度不高不適用在復(fù)雜控制系統(tǒng)中。b.重心法該模糊算法首先我們需要通過(guò)得到模糊定義結(jié)論中各個(gè)加權(quán)元素的對(duì)應(yīng)隸屬度,然后再通過(guò)求得各加權(quán)元素與其對(duì)應(yīng)隸屬度的元素乘積,這樣算法所得的元素乘積的值就是其定義范圍內(nèi)的各個(gè)加權(quán)元素平均值。該方法是最實(shí)用有效的解模糊化方法，但其計(jì)算量較大，所以此項(xiàng)工作一般由計(jì)算機(jī)完成。5.3模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.3.1輸入輸出量模糊化過(guò)熱度偏差e和過(guò)熱度偏差變化率d的論域分別取[-7,7]和[-3,3],將它們劃分為5類(lèi)模糊群集合，分別為負(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）、零（ZE）、正?。≒S）、正大（PB），即模糊子集為{NB,NS,ZE,PS,PB}。將e和d的論域量化為7級(jí)，即{-3，-2，-1，0,1,2,3}。采用了三角形隸屬函數(shù)，表5-1給出了過(guò)熱度偏差e和過(guò)熱度偏差變化率d對(duì)應(yīng)于5個(gè)模糊集合的隸屬度值。表5-3過(guò)熱度偏差e和過(guò)熱度偏差變化率d的隸屬度表量化量化化隸隸屬度值變量-3-2-10123OB000000.41OS0000100HL0001000CS0010000CB10.400000電子膨脹閥的開(kāi)度量化為7級(jí)，即{-3，-2，-1，0,1,2,3}，分別對(duì)應(yīng)電子膨脹閥的開(kāi)度大小。將這7種輸出狀態(tài)分為5個(gè)模糊狀態(tài)，即{關(guān)閉，小開(kāi)，半開(kāi)，大半開(kāi)，全開(kāi)}，表示符號(hào)為：{CB,CS,HL,OS,OB}。采用三角形隸屬函數(shù)，表5-3給出了執(zhí)行器的輸出u對(duì)應(yīng)于5個(gè)模糊集合的隸屬度值。表5-4執(zhí)行器的輸出（閥的開(kāi)度）u的隸屬度表量化量化化屬隸屬度值值變量-3-2-10123OB000000.41OS0000100HL0001000CS0010000CB10.4000005.3.2模糊控制規(guī)則的確定模糊控制規(guī)則不僅是控制器內(nèi)部運(yùn)行推理操作的理論支持，還是模糊邏輯運(yùn)算不二依據(jù)。其工作原理是將自然語(yǔ)言變量用來(lái)表述專(zhuān)業(yè)人士在面臨相同狀況時(shí)的預(yù)備操作行為，再將專(zhuān)業(yè)人員熟練的操作經(jīng)驗(yàn)知識(shí)模糊抽象為關(guān)于輸入輸出變量的映射關(guān)系。該系統(tǒng)控制規(guī)則的確定就是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作經(jīng)驗(yàn)通過(guò)專(zhuān)業(yè)知識(shí)總結(jié)，再用語(yǔ)言變量描述得出。根據(jù)結(jié)合上文對(duì)到的輸入輸出量進(jìn)行模糊化計(jì)算得到的模糊控制子集合的變量分析可以得出獲得模糊控制器的規(guī)則及其表如下圖表5-5所示：表5-5模糊控制規(guī)則表ececeNBNSZEPSPBNBOBOBOBOBOBNSOBOSOSHLCSZEOBOSHLCSCBPSOSHLCSCSCBPBCBCBCBCBCB由上模糊控制規(guī)則表5-5即可應(yīng)用編程語(yǔ)句完成對(duì)模糊控制器的相關(guān)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象變化的實(shí)時(shí)把控。根據(jù)以上對(duì)模糊控制系統(tǒng)原理的了解，再加上前期對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)運(yùn)行后展開(kāi)的模糊聚類(lèi)以及相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)的所有工作基礎(chǔ)上，我們可以建立一套模糊控制規(guī)則如下圖所示：初始化初始化將輸入量輸出量化因子寫(xiě)入寄存器將越線變量設(shè)為上限或下限值輸出控制電子閥輸出量乘以量化因子，得到控制量將輸入量寫(xiě)入寄存器進(jìn)行模糊推理給出輸出量將輸入量模糊化是否到采樣時(shí)間判斷ec，e是否超限結(jié)束YNNY圖5-6模糊規(guī)則5.4MATLAB仿真現(xiàn)根據(jù)圖5-6模糊規(guī)則執(zhí)行開(kāi)始編輯模糊控制系統(tǒng)如下：1）模糊推理系統(tǒng)編輯器（Fuzzy）于MATLAB的Fuzzy控制界面上,添加兩個(gè)壓力輸入,并將其修改成了相應(yīng)的兩個(gè)輸入所在輸出控制名稱(chēng):兩個(gè)輸入輸出控制量函數(shù)是輸出壓力值的偏差ec和壓力偏差變化率的ec,輸出量函數(shù)是壓力Kp，Ki和Kd。如圖5-所示。2）隸屬度函數(shù)編輯器（Mfedit）選中的input,在出現(xiàn)的新窗口左下角的Range和右下DisplayRange中,寫(xiě)入取值范圍[-11]。隸屬函數(shù)默認(rèn)為三個(gè),需再依次添加四個(gè)帶有隸屬域的函數(shù)并在右邊name處依次輸入一個(gè)相應(yīng)的函數(shù)隸屬域和函數(shù)域的名稱(chēng),并依次選擇右邊Trimf(意為:一個(gè)三角形作為隸屬域的函數(shù)映射曲線)然后在左邊params(輸入?yún)?shù))中選擇添加三個(gè)參數(shù)值,并利用同樣的操作方法設(shè)定output參數(shù)值如圖5-7所示。圖5-7模糊推理編輯器圖5-8隸屬度函數(shù)編輯器利用隸屬度函數(shù)編輯器根據(jù)上章節(jié)表5-5模糊規(guī)則表依次添加進(jìn)49條規(guī)則，如圖5-9所示。待所有規(guī)則填入并優(yōu)化后便可以觀察該課題的結(jié)果圖與三維圖如圖5-10所示。圖5-9隸屬度函數(shù)編輯器圖5-10模糊邏輯工具箱仿真結(jié)果圖5-11仿真框圖運(yùn)行后得到的圖5-7圖5-7仿真對(duì)比框圖圖5-12仿真結(jié)果對(duì)比圖通過(guò)兩圖響應(yīng)結(jié)果曲線的對(duì)比，顯而易見(jiàn)，模糊控制器的超調(diào)量相較于單回路傳統(tǒng)控制器更小，可以快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。5.5本章小結(jié)本章節(jié)通過(guò)分析模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部控制器確定該控制系統(tǒng)與本設(shè)計(jì)十分契合后，著手進(jìn)行了相關(guān)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)上章節(jié)對(duì)模糊控制系統(tǒng)理解的基礎(chǔ)上逐步對(duì)輸入輸出量模糊化進(jìn)行了操作與此同時(shí)也確定了模糊規(guī)則。結(jié)合本課題相關(guān)參數(shù)整定模糊控制器并借助MATLAB，說(shuō)明了將模糊算法應(yīng)用于MATLAB的電子膨脹閥控制系統(tǒng)中是非常成功的。結(jié)論這次大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容是如何建立模糊控制模擬系統(tǒng),在Matlab的模擬環(huán)境下,利用它的模糊控制系統(tǒng)工具箱可以創(chuàng)建雙模糊輸入單和一輸出的模糊驅(qū)動(dòng)控制器,然后在Simulink的模擬環(huán)境下對(duì)一個(gè)電子膨脹閥的模糊控制進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立一個(gè)仿真設(shè)計(jì)框圖,并進(jìn)行仿真,實(shí)現(xiàn)了模糊控制方法的有效性和正確性。設(shè)計(jì)中,遇到了許多復(fù)雜性的問(wèn)題,模糊模擬仿真軟件控制器的如何正確設(shè)計(jì),Matlab等等模擬仿真軟件的模糊仿真控制器和模擬工具箱的如何正確使用,還有在Simulink的虛擬環(huán)境下如何正確進(jìn)行模糊模擬仿真,均出現(xiàn)了很多的問(wèn)題,使我不得不埋頭于一堆有關(guān)模糊控制理論和MATLAB的專(zhuān)業(yè)書(shū)籍中,在看這些書(shū)的時(shí)候,我發(fā)現(xiàn)了自己的很多知識(shí)漏洞以及一些誤區(qū),通過(guò)不斷地學(xué)習(xí)和實(shí)踐,我對(duì)MATLAB軟件又多了一層認(rèn)識(shí)和理解,同時(shí)也了解了SIMULINK軟件的各個(gè)模塊,學(xué)會(huì)了用SIMULINK軟件繪制仿真框圖,使我受益匪淺。參考文獻(xiàn)王琳,李慧.多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中電子膨脹閥作用性能分析[J].節(jié)能,2017,36(05):58-60+3.翟正亮.一種中央空調(diào)用電子膨脹閥的控制方法[J].機(jī)電信息,2017(1):79-81.段培永,劉桂云,段晨旭,等.基于LabVIEW和CAN總線的吸收式制冷機(jī)組數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2015(04):105-109.張明,周智,周?chē)?guó)鵬,金鵬.一種自適應(yīng)分段式電子膨脹閥控制策略研究[J].流體機(jī)械,2020,48(06):14-19.趙英軍.變頻空調(diào)電子膨脹閥的模糊PID控制[J].電子技術(shù)與軟件工程,2019(13):60-61.黃俊鋒,蘇林,方奕棟,周?chē)?guó)梁.電子膨脹閥對(duì)蒸發(fā)器出口過(guò)熱度的控制改進(jìn)研究[J].能源工程,2018(03):64-69+74.陳鋒,趙俊.空調(diào)用電子膨脹閥噪音與導(dǎo)向套的關(guān)系分析探討[J].中國(guó)設(shè)備工程,2019(01):103-104.楊帥,孟文,徐文,曾利,潘紹飛.熱泵系統(tǒng)中電子膨脹閥的模糊控制應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表,2016,31(06):42-45.ChenT,BaeKJ,KwonOK.EmpiricalcorrelationdevelopmentofR245faflowinelectronicexpansionvalves[J].InternationalJournalofRefrigeration,2018,88（06）:284-290.AlaaR.Al-Badri,AhmedH.Al-Hassani.Acontrolmethodusingadaptivesettingofelectronicexpansionvalveforwaterchillersystemsequippedwithvariablespeedcompressors[J].