模糊控制集中供熱控制器的MATLAB仿真

徐彤 崔高健 曲永利

1長春經開供熱集團有限公司

2長春工業(yè)大學機電工程學院

0 引言

由于集中供熱系統的非線性、時變性、隨機干擾及對象模型參數的不確定因素，使得傳統控制難以精確地完成控制任務，從而存在對能源的極大浪費，而模糊控制以其強大的函數映射能力，它能夠通過輸入輸出數據對過程進行有效的學習，進而可以很好地解決這一問題，能夠在很大程度上節(jié)省資源[1]。

論文以供水流量和室外溫度作為輸入，以回水溫度作為輸出，設計出了二維的集中供熱的模糊控制器。利用MATLAB中的模糊推理工具箱，對設計出的模糊控制器進行了仿真。

1 模糊控制器的結構

對長春某熱力公司提供的供熱數據進行歸納總結，得出供水流量x∈[17283，23213]和室外溫度y∈[-20,5]。模糊控制器則根據x和y的數據，選定回水溫度t∈[43，61]。因為只考慮回水溫度，可以用雙輸入-單輸出模糊控制器完成任務[2]。

2 集中供熱控制器的MATLAB建模

2.1 模糊推理系統編輯器

由于本集中供熱控制器是采用供水流量、室外溫度為輸入，回水溫度為輸出的雙輸入-單輸出結構，清晰化方法選用面積中心法，所以設置完成后的模糊邏輯編輯器如圖1所示[3]。

圖1 集中供熱模糊控制器模糊推理編輯器

2.2 隸屬函數編輯器

本集中供熱模糊控制器的兩個輸入供水流量、室外溫度和一個輸出回水溫度的隸屬函數的確立，這里作者選擇合適的模糊論域和比例因子、量化因子后[4]，將結果按步驟輸入到MATLAB中，得到的供水流量隸屬函數編輯器、室外溫度隸屬函數編輯器、回水溫度隸屬函數編輯器分別如圖2～4所示。

圖2 集中供熱模糊控制器供水流量隸屬函數編輯器

圖3 集中供熱模糊控制器室外溫度隸屬函數編輯器

圖4 集中供熱控制器回水溫度隸屬函數編輯器

2.3 模糊規(guī)則編輯器

模糊規(guī)則就是輸入量和輸出量間的模糊蘊涵關系，只是用模糊條件命題對他們進行了表述。作者將模糊系統的結構、模糊推理的類型和輸入變量的模糊化進行編輯，并且制定了模糊規(guī)則表，從表中可以得出如下九條模糊規(guī)則（設供水溫度為x，室外溫度為y，回水溫度為 t）：

①If x issand y isl then t isnb

②If x issand y ism then t ism

③If x issand y ish then t isps

④If x ism and y isl then t isns

⑤If x ism and y ism then t ism

⑥If x ism and y ish then t isps

⑦If x isb and y isl then t ism

⑧If x isb and y ism then t isps

⑨If x isb and y ish then t ispb

將上述九條模糊規(guī)則輸入MATLAB模糊工具箱中，得到如圖5所示的模糊規(guī)則編輯器。

圖5 集中供熱控制器模糊規(guī)則編輯器

2.4 模糊規(guī)則觀測窗

不同于前三個界面，模糊規(guī)則觀測窗是只讀性的，沒有編輯功能，只在用戶進行觀測時使用。在模糊規(guī)則觀測窗中，用戶可以清楚地觀測到模糊規(guī)則和模糊推理作用于系統的過程，前面三個窗體編輯完畢后，此窗體就可以被調出。由于前面幾個編輯器都已經確定，所以本模糊系統控制器可調出，如圖6所示。

圖6 集中供熱控制器模糊規(guī)則觀測窗

圖6中，左下方的Input中，可分別輸入模糊控制器兩個輸入的具體數值，由于確定了清晰化的方法，MATLAB模糊工具箱就可根據輸入的數值和清晰化方法，計算出輸出的數值，從而解決了人工計算量大和計算繁瑣的問題。

2.5 模糊推理系統輸出量曲面觀測窗

模糊規(guī)則觀測窗中，人們只能看到平面的結果，看到的只有對應于每組輸入量的輸出值。而曲面觀測窗則是立體性的，用一個空間曲面把整個論域上輸出量與輸入量間的函數關系都顯示出來。曲面觀測窗跟模糊規(guī)則觀測窗一樣，也是只讀性的。本集中供熱系統模糊控制器的輸出量曲面觀測窗，如圖7所示。

圖7 集中供熱控制器輸出量曲面觀測窗

圖7中兩個橫軸分別為輸入量供水流量和室外溫度，縱軸表示輸出量回水溫度，即輸出量跟輸入量的關系曲面。空間曲面是光滑的，表面輸出是近乎連續(xù)的，這正是模糊控制的突出特點之一。

3 集中供熱模糊控制器的MATLAB仿真

3.1 仿真過程

將建立的模糊控制器，輸送到MATLAB的Simulink工作空間中，將所有元件放入Simulink仿真空間后進行連線，建立如圖8的仿真框圖[5，6]。

圖8 集中供熱模糊控制器Simulink仿真框圖

圖9 集中供熱模糊控制器仿真系統輸入曲線與輸出曲線

圖8中左邊下方的裝置是信號發(fā)生器，對整個系統由信號發(fā)生器發(fā)出一個方波信號，按下仿真按鈕，經過作者建立的模糊控制器處理后得到的原始信號和輸出信號曲線如圖9所示。

從圖9中，可以看出作為輸出曲線的紫色曲線和作為輸入的方波信號接近程度是很高的，兩曲線之間的間隙處于0.5～1之間，這便可以證明此模糊控制器在對被控系統的控制上，可以達到令人滿意的效果。

3.2 仿真分析

由于本控制器應用于集中供熱控制系統中，就相當于輸入兩個數字信號，經過模糊控制器，再輸出一個數字信號的最簡單的仿真過程。利用作者實地考察所得的數據，經過上一節(jié)利用MATLAB軟件對模糊控制器的分析，將考察所得的供水流量和室外溫度作為輸入量，經過模糊控制器后，通過MATLAB的清晰化算法得到輸出數據回水溫度的數值。最后將得出的輸出數據與考察所得的真實的回水溫度進行對比，得到的計算數據與真實數據的對比曲線如圖10所示。

圖10 計算數據與實際數據對比曲線

從圖10中可以看出，兩條數據曲線擬合程度很好，效果比較理想。計算數據與實際數據的絕對誤差最大值不超過0.57℃，最大相對誤差小于1.7%。這些誤差均在換熱站中的允許誤差之內，完全可以滿足集中供熱系統進行快速、精確調節(jié)的需要。

4 結束語

本文首先介紹了MATLAB工具箱，對其功能特點和工作流程作了闡述，其次重點分析和敘述了作者設計的模糊控制器在MATLAB中的建模過程和仿真過程，最后對仿真結果進行了分析，效果令人滿意?？梢姡：刂圃诩泄嵯到y中的應用前景應是非常廣闊的。

[1] 張曾科.模糊數學在自動化技術中國的應用[M].北京:清華大學出版社,1997

[2] 李國勇.智能控制及其MATLAB實現[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005

[3] 聞新,周露.MATLAB模糊邏輯工具箱的分析與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002

[4] 張德豐.MATLAB模糊系統設計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009

[5] 石辛民,郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清華大學出版社,2008

[6] 姚俊,馬松輝.Simulink建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002