模糊控制實際應(yīng)用研究

班小強　黃揚

摘 要：模糊控制理論主要控制理論是人通過計算機來實現(xiàn)控制經(jīng)驗，是模糊數(shù)學中最重要理論，在工程中地位非常重要。模糊理論結(jié)合計算機技術(shù)、自動化技術(shù)，其控制特性得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：模糊控制；自調(diào)整因子；單片機；溫度傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.202

在工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制是經(jīng)常使用。有些系統(tǒng)把溫度定位主要參數(shù)，例如熱水器。工業(yè)中使用溫度控制有很多種方式，其中PID類型占據(jù)主要地位并且經(jīng)常使用的。PID控制技術(shù)雖然使用廣泛，但存在一些弊端，在解決某方面實現(xiàn)非常困難，例如一些復(fù)雜、非線形、時變、大延遲被控對象，而模糊控制就可以很好的解決這類問題。

1 PID控制與模糊控制二者比較

舉例介紹，熱水器溫度控制系統(tǒng)是使用單片機控制，如果采用模糊制的方法人為的設(shè)定程序，也就是按照人的思維方式進行控制。如果被控對象的參數(shù)突然發(fā)生變化，要得到較為理想溫度，系統(tǒng)是否仍可的控制？其實采用PID控制技術(shù)調(diào)節(jié)儲水式電熱水器溫度的自動控制系統(tǒng)，要使加熱功率達到理想控制溫度，控制效果一般。盡管在工業(yè)控制中PID控制廣泛應(yīng)并占有主導(dǎo)地位，但是在解決一些復(fù)雜的時變的、遲滯的被控對象方面控制效果不好。PID控制技術(shù)還有一項缺點，其參數(shù)設(shè)定專業(yè)而且整定難度大，當外界條件干擾控制系統(tǒng)后，參數(shù)還需要重新整定。最終體現(xiàn)控制達不到理想的效果。表現(xiàn)為控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、魯棒性不好、控制調(diào)節(jié)時間長。

采用的模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)。用模糊語言形式、模糊數(shù)學模糊邏輯的規(guī)則來表示，計算機控制技術(shù)具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)并帶有數(shù)字控制系統(tǒng)。常規(guī)的PID控制和模糊控制比，有以下的優(yōu)點：

（1）有很強的適應(yīng)性。如果控制對象確定，模糊控制和PID控制效果一樣；但對于不確定系統(tǒng)例如非線性、時變，模糊控制的優(yōu)勢就很明顯，同時對噪聲、純滯后抑制能力特別強大。

（2）整定參數(shù)方便。模糊控制數(shù)學模型和被控對象不用復(fù)雜建立。采用被控過程參數(shù)現(xiàn)狀來判斷所產(chǎn)生的定性感覺，計算控制發(fā)展趨勢觀測?？刂浦行纬梢欢ㄒ?guī)則參與控制過程，對現(xiàn)場操作人員、有關(guān)專家的經(jīng)驗知識、操作數(shù)據(jù)加以總結(jié)和歸納是模糊控制器出發(fā)點便。

（3）系統(tǒng)魯棒性強。模糊控制參數(shù)變化以后系統(tǒng)不敏感，是因為不采用二值邏輯，而采用一種連續(xù)多值邏輯控制。所以系統(tǒng)參數(shù)變化，容易實現(xiàn)穩(wěn)定控制，尤其適合于非線性、滯后系統(tǒng)時變的控制。

（4）結(jié)構(gòu)簡單。硬件結(jié)構(gòu)無特殊要求，軟硬件具有很強的優(yōu)勢，實現(xiàn)特別方便，主要體現(xiàn)在算法簡捷。簡單的查表運算對于模糊控制就可以實現(xiàn)，一些控制過程可離線進行，所以設(shè)計者設(shè)置容易，使用者也容易掌握。

（5）系統(tǒng)的規(guī)則。建立語言變量的控制規(guī)則靈活、系統(tǒng)控制參數(shù)，適用范圍非常廣。

2 熱水器中模糊控制原理

首先數(shù)據(jù)采集模塊要對內(nèi)膽溫度采集，模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，數(shù)據(jù)開始控制，具體形式表現(xiàn)——模數(shù)轉(zhuǎn)換——中值濾波——存入對應(yīng)存儲單元。溫度加熱是通過鍵盤設(shè)定也就是鍵盤輸入模塊，對出水溫度進行實時跟蹤顯示是LED顯示模塊，錯誤代碼開始顯示是就說明有異常情況；模糊控制器是控制模塊采用主要控制，采集數(shù)據(jù)進行運算控制主要是輸出驅(qū)動模塊，雙向晶閘管導(dǎo)通角是由輸出控制信號控制，并設(shè)定的控制強度。

模糊控制中模糊控制器是相當重要，控制器性能好壞對系統(tǒng)的控制特性影響很大。模糊控制規(guī)則的確定性、可調(diào)整性是由控制性能決定的。模糊控制器的設(shè)計，控制設(shè)計在不同程度上加權(quán)是由量化因子kc和ke的位置和大小對輸入變量誤差、誤差變化決定。調(diào)整系統(tǒng)特性時，kc和ke互相控制。改變一個，另一個也改變，所以要引進一種參數(shù)，這是參數(shù)是可調(diào)的，當采用可調(diào)參數(shù)對控制規(guī)則進行調(diào)整，被控對象不同，但都能獲得滿意控制效果。溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中，選用兩位模糊控制器即EC——偏差變化率E——偏差，EC、E來做為模糊控制器的輸入量。其中kc、ke和Ku 分別為輸入和輸出變量的量化因子和比例因子。量化因子kc和ke和比例系數(shù)Ku對控制系統(tǒng)的影響大。 ke選大，系統(tǒng)的超調(diào)也大，過渡過程也長；ke↑，超調(diào)↑，系統(tǒng)過渡時間變長。kc選擇較大時，超調(diào)量減小，kc↑，系統(tǒng)超調(diào)↓，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度就慢。因此ke對超調(diào)的抑制不明顯而kc對超調(diào)的抑制作用明顯。增大Ku能使系統(tǒng)加快響應(yīng)速度，但有一點增要考慮到， 增大Ku可能引起振蕩。ke值怎樣選擇很重要，要使ke=N/em ，em——誤差最大值， N——誤差論域的最大量化等級。同時再加一個階越信號，令 kc=0，觀察輸出結(jié)果，如果輸出劇烈振蕩，要增大kc；若輸出不能跟蹤理想信號，就要減小kc直至輸出信號理想，輸出信號理想時kc選擇為1/100。要結(jié)合采樣周期的長短來選擇Ku，采樣周期長，Ku可選的大。溫度偏差變化率EC、溫度偏差E，為模糊控制量的輸入量，Y為輸出控制量。如果超過系統(tǒng)溫度設(shè)定值，加熱器就要關(guān)閉，不考慮高于設(shè)定的誤差。如圖所示，計算系統(tǒng)的誤差e（K）=V0-V；誤差變化率公式為ec=e（K）-e（k-1），變量E和EC乘以量化因子ke 、kc ；基本控制到模糊控制，輸出量U乘以比例因子Ku 由模糊論反饋回到控制論。

3 結(jié)論

模糊現(xiàn)象在現(xiàn)實中大量存在，所以應(yīng)用模糊控制會越來越廣，研究開發(fā)模糊控制領(lǐng)域發(fā)展空間將會更大。模糊控制理論存在一些問題，解訣這些問題就成為模糊控制技術(shù)目發(fā)展方向和主要任務(wù)。相信模糊控制的應(yīng)用會給人們的生活帶來極大便利。

參考文獻：

[1]孟鳳果，曹振軍編著.單片機應(yīng)用自學通[M].北京：中國電力出版社，2005（01）.

[2]韓瑞珍，陳國定，楊馬英.基于模糊推理的自整定PID控制器[J].控制工程，2002（09）.