模糊控制理論在即熱式熱水器中的應用

于江濤，王克奇，鐘曉偉

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

即熱式熱水器又稱快熱型，就是讓通過機體的水流即刻轉化成理想水溫的熱水器。即熱式熱水器比傳統(tǒng)熱水器節(jié)省40%的能耗，用多少熱水加熱多少，沒有用不完帶來的浪費和使用中途熱水供應不足的現(xiàn)象，熱水利用率100%。它既不需要提前預熱，也不需要保溫，省去了大量的額外開支，給用戶帶來真正的實惠[1]。

傳統(tǒng)的即熱式熱水器溫度控制系統(tǒng)采用PID控制技術調節(jié)加熱功率控制溫度，但是PID控制只對于單輸入單輸出的線性非時變系統(tǒng)能達到好的控制效果，而即熱式熱水器是非線形的、時變的、大延遲的被控對象，因此傳統(tǒng)的PID控制在被控對象參數(shù)變化時不能對控制器參數(shù)進行最優(yōu)調整，難以達到很好的控制性能，而作為智能控制理論的重要分支之一的模糊控制技術可以比較好地解決這個問題[2]。

2 即熱式熱水器控制系統(tǒng)硬件組成及工作原理

在本系統(tǒng)中，需要檢測的輸入信號有出水口溫度、內膽溫度和水流檢測。需要輸出的信號主要是控制雙向可控硅的導通時間以控制加熱功率的大小，還要完成溫度數(shù)據(jù)的實時顯示、工作狀態(tài)指示、出水溫度的設置以及自動檢測故障等功能。還具有各種完善的保護功能，如溫度的超限報警、防干燒和隔電墻技術[3]。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

即熱式熱水器控制系統(tǒng)由水流檢測電路、鍵盤、顯示電路、測溫電路、加熱輸出控制電路、工作指示及保護電路和過零檢測等電路組成?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖2所示。首先通過數(shù)字式溫度傳感器DS18B20將出水口溫度直接變換成數(shù)字量送到單片機AT 89S52。單片機對接收到的信號與設定信號進行比較，根據(jù)測量偏差、消除偏差的自動控制系統(tǒng)工作原理，采用模糊控制的方法，輸出一個控制量，控制可控硅的導通角，以實現(xiàn)對加熱功率的控制。同時用LED顯示當前溫度。當出現(xiàn)故障時，自動檢測故障原因，并顯示相應的故障代碼。

圖2 即熱式熱水器控制系統(tǒng)原理圖

2 模糊控制器的設汁

2.1 模糊控制器的組成

模糊控制器的基本組成包括：輸入量模糊化接口、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、推理機和輸出解模糊接口。模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于模糊控制輸出的求解，它的主要作用是將真實的精確輸入量轉換成一個模糊矢量；數(shù)據(jù)庫存放的是所有輸入輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值(即經(jīng)過論域等級的離散化以后對應的集合)，若論域為連續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)；規(guī)則庫就是用來存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時為“推理機”提供控制規(guī)則；推理機是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關系方程，并獲得模糊控制量的輸出部分；模糊推理的結果，得到的均為模糊值，需先轉化成一個執(zhí)行機構可以執(zhí)行的精確量，此過程被稱為解模糊過程[4]。模糊控制器的組成如圖3所示。

圖3 模糊控制器組成

2.2 模糊控制原理

在圖4中，e和ec分別是誤差和誤差變化量的實際值，它們本身是在某一采樣時刻確定的一些模擬量值，而這些值不能用來進行模糊決策。為使這些確定的值模糊化，采用量化因子K1和K2，K1將e量化為E，K2將ec量化為EC。

在本溫度控制系統(tǒng)中，設溫度設定值為T，采樣溫度即實際溫度為Ts，則溫度偏差為：△e=TTs，溫度偏差的變化量為：△ec=△en-△en-1。由于即熱式熱水器的水溫變化范圍還是比較大，所以△e的基本論域經(jīng)過反復實驗確定為[-15，15]，△ec確定為[-6，+6]，而△e、△ec、u的模糊論域均量化為[-6，6]，取它們的模糊子集都為：{N B,N M,N S,Z 0,PS,PM,PB}[5]。子集中元素都是模糊語言變量，分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。對輸入與輸出變量均選用三角型隸屬函數(shù)。利用M AT LAB中的GUI來設計M am dani型模糊控制器，得出各模糊子集的隸屬函數(shù)如圖5所示。

圖5 △e、△ec、u的隸屬函數(shù)曲線

2.3 建立模糊控制規(guī)則表

對于即熱式熱水器溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)幾個月調試即熱式熱水器的經(jīng)驗，可得出如表1所示的控制規(guī)則：

表1 模糊控制規(guī)則表

根據(jù)上述規(guī)則控制表，在M AT LAB環(huán)境下可得出一組有45條Fuzzy條件語句構成的模糊控制規(guī)則，如圖6所示。每一條模糊條件語句都決定一個模糊關系Ri，通過45個模糊關系Ri的“并”運算，可得出系統(tǒng)的總模糊關系R。由不同時刻的輸入與R做矩陣合成運算可得到u的模糊輸出量，模糊量經(jīng)過清晰化處理（采用面積中心法），即可得出u的精確輸出值，如圖7所示。

圖6 模糊推理規(guī)則編輯圖

圖7 控制量u模糊推理輸出曲面

4 實驗仿真

在M atlab/Sim ulink圖形化建模環(huán)境下，利用系統(tǒng)仿真基本模塊搭建了模糊控制和常規(guī)PID控制器的仿真模型，仿真前應先將編輯好的模糊推理系統(tǒng)嵌入Fuzzy Logic Controller模塊中。連接好各模塊，并修改好各模塊參數(shù)。仿真模型如圖8所示。

系統(tǒng)運行后，設置溫度穩(wěn)定值為23℃，可以在虛擬示波器中看到運行結果，圖8所示的是傳統(tǒng)PID控制和模糊控制下的仿真曲線對比圖。結果表明：模糊控制較常規(guī)的PID控制，具有更高的控制精度、超調量小、調節(jié)時間短和控制效果好的優(yōu)點[6]。

5 結束語

利用M AT LAB提供的Fuzzy Logic T oolbox及Sim ulink工具箱可以快速并簡單地進行模糊控制系統(tǒng)設計。結果表明模糊控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能，能實現(xiàn)控制器參數(shù)的在線自整定，可以方便、有效地控制即熱式熱水器的溫度調節(jié)，縮短過渡時間，減小超調，提高控制性能。

[1]王學慧，田成芳.微機模糊控制理論及應用[M].北京：北京電子工業(yè)出版社，1994.

[2]張化光，何希勤.模糊自適應控制理論及其應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[3]周鵬，胡捷，黃云.單片機系統(tǒng)在即熱式電熱水器中的應用[J].機電一體化.2002,（6）： 73-75.

[4]Fuzzy regulatorsand fuzzy observers:relaxed stability conditions and LM I based design[J].IEEE trans on fuzzy System s， 1998， 6,（ 2） ： 250-265.

[5]李正興.電冰箱模糊控制器[J].北方工業(yè)大學學報，1994， 6,（1） ： 78-87.

[6]胡國亮，陳久康.用M AT LAB進行模糊控制器的設計和仿真[J].基礎自動化， 2000， 7（l）： 15-20.