基于Matlab的電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)設計及仿真

張立眾, 馬永翔

(陜西理工大學， 陜西 漢中723003)

溫度控制一直以來就是工業(yè)生產(chǎn)過程中一個非常重要的環(huán)節(jié).以前都是采用傳統(tǒng)控制結合比較簡單的控制算法，從而達到實現(xiàn)自主調節(jié)溫度的要求.而溫度的單向升溫性以及滯后大慣性大等特點則使得傳統(tǒng)控制理論已經(jīng)無法滿足控制要求.為了克服以上缺點，在溫度控制系統(tǒng)中引用了模糊控制，用模糊控制器代替經(jīng)典控制器，控制效果得到了明顯的改善.

隨著現(xiàn)代工業(yè)(像機械、化工以及冶金等工業(yè))制造的迅速發(fā)展，電加熱爐在許多領域中也有了更加普遍的運用.但是溫度控制存在滯后、慣性大、非線性大等不利因素，傳統(tǒng)控制無法解決這些問題，而自適應積分分離PID控制不僅算法簡單，控制結果簡單，效果顯著，就連計算量也小，而且靜動態(tài)性能指標好，完全可以解決上述問題.

當系統(tǒng)是非線性時變系統(tǒng)時，單純的PID算法就能夠得到比較理想的效果.可是，當系統(tǒng)模型為參數(shù)時變系統(tǒng)時，運用參數(shù)已經(jīng)調整好的PID控制器，不僅系統(tǒng)控制性能會變差，更可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定.模糊控制器雖然能夠應用于被控對象為非線性與時變性的系統(tǒng)，并擁有較好的魯棒性，但是穩(wěn)態(tài)控制精度比較差，很難實現(xiàn)精確控制，尤其在平衡點附近.模糊控制器沒有積分控制，系統(tǒng)靜差難以消除.因此，單純的采用模糊控制同樣不能得到想要的控制效果.于是,工業(yè)過程控制中大多都是把模糊控制器和其他控制器結合使用，本文所采用的所用的本文將模糊控制和PID控制結合起來，構建自適應模糊PID控制器，來控制電阻爐溫度就能夠很好地彌補上述兩個方法的缺陷[1-3].本文通過使用Matlab/SIMULINK這個軟件來搭建傳統(tǒng)PID溫度控制系統(tǒng)與自整定模糊PID溫度控制系統(tǒng)的模型，對其進行仿真分析，從仿真結果可知模糊PID控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)，控制速度要快，穩(wěn)定性要高，更有應用價值.

1 模糊控制系統(tǒng)的組成及被控對象

模型確立

如今的工業(yè)控制控制過程中普遍存在著時滯現(xiàn)象.但是許多的時間常數(shù)特別大的系統(tǒng)可以運用純滯后環(huán)節(jié)與一些時間常數(shù)去近似.電加熱爐溫度控制系統(tǒng)就可以用階躍響應來表示.被控對象的數(shù)學模型所用傳遞函數(shù)可以用式(1)表示：

(1)

由于電加熱爐具有時變，非線性以及分布參數(shù)等特性，因而作為被控對象是非常復雜的.

工作原理：被熱電偶檢測到溫度值變成毫伏的電壓信號值，被溫度變送器放大然后進入A/D轉換器，并將其轉換成數(shù)字量再送入計算機，通過與與設定值進行比較，經(jīng)PID調節(jié)后，輸出驅動信號，從而控制光控可控硅的導通與否.如果檢測所得實際值比給定值要高就報警，如果比給定值要低那么就繼續(xù)加熱，以此來實現(xiàn)溫度的控制[4-5].

采用對過程對象施加階躍輸入信號，測取過程對象的階躍響應，然后根據(jù)階躍響應曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)[6],得到電阻爐模型為

由于模糊控制算法也屬于計算機數(shù)字控制算法當中的一種，所以它的系統(tǒng)組成與數(shù)字控制系統(tǒng)結構形式基本相同，模糊控制系統(tǒng)通常有5部分：模糊控制器、I/O接口裝置、執(zhí)行機構、被控對象和檢測裝置.

1.1 建立溫度模糊控制器

模糊控制器的輸入變量是溫度偏差，是指實際測量溫度與給定溫度之差e及偏差變化率ed.輸出脈沖寬度調制信號控制發(fā)熱電阻的功率大小，從而調節(jié)溫度箱內溫度的高低升降，形成雙輸入單輸出二維的模糊控制器 .

模糊控制器建立過程：

隨著當前醫(yī)療技術水平的不斷發(fā)展，剖宮產(chǎn)已經(jīng)成為了一種比較常見的分娩方式，能夠降低患者的疼痛，排除一些其他的危險因素，保證產(chǎn)婦以及新生兒的生命安全，目前的應用十分廣泛[1]。在這種情況下，疤痕子宮產(chǎn)婦的數(shù)量出現(xiàn)了顯著的增加，再次分娩當中方式選擇更為重要，這是因為與非疤痕子宮產(chǎn)婦來說，疤痕子宮產(chǎn)婦進行再次剖宮產(chǎn)的過程中，會存在比較大的危險性，對產(chǎn)婦的生命安全產(chǎn)生了一定的威脅[2]。因此，本研究于收治的剖宮產(chǎn)產(chǎn)婦中進行抽樣，選取108例疤痕子宮再次妊娠二次剖宮產(chǎn)作為對照組，同期選取108例非疤痕子宮剖宮產(chǎn)作為觀察組，對疤痕子宮再次妊娠二次剖宮產(chǎn)與非疤痕子宮剖宮產(chǎn)的情況進行對比探究。

1)首先運用Matlab中的FIS編輯器 ，來建立溫度箱的Mamdani型模糊控制器.溫度偏差e和溫度偏差變化率ec及輸出變量u的語言變量E，EC，U都一律選擇為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，其中P表示正和N分別表示負，B，M，s分別表示大、中、小，z表示0 .

通過e、ec和u實際的基本論域，E、EC和U論域都設定為[-3,3],從而確定出量化因子Ke、Kc和比例因子Ku.

2)控制決策隸屬函數(shù)的建立

采用系統(tǒng)默認值來處理模糊控制決策及解模糊方法的問題，就是極大極小合成運算與重心法解模糊的方法.輸出變量的模糊集合是由模糊控制決策公式求出：U=(E×EC)R.

隸屬函數(shù)一律采用三角形，E和Ed和EC的量化論域都是[-3，3]；不同的系統(tǒng)有著不同的模糊集的隸屬函數(shù)是, 要根據(jù)具體情況而定.

本次模糊控制器采用Mamdani推理型. 它屬于雙輸入、單輸出結構: 輸入量E是設定的電阻爐溫度值與采樣值之間的偏差 和溫度偏差值的變化率EC;輸出量U為溫度控制量.

4)系統(tǒng)模糊控制規(guī)則建立的基本原則

當溫度偏差e較大時，以盡快消除誤差為主選擇控制量；當溫度偏差e較小時，要注意遵守防止超調的原則選擇控制量，主要出發(fā)點以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主.具體包括：①精確量的模糊化過程. ②模糊控制算法. ③模糊判決.

1.2 進行Matlab的仿真

在檢驗溫度模糊控制器設計的性能中, 及時調整模糊控制器的控制規(guī)則和各項參數(shù), 這是在Matlab 軟件仿真中進行的.本次設計利用Matlab 軟件中的Fuzzy Logic Too box 和Simulink 圖形化工具平臺, 實現(xiàn)電阻爐模糊控制設計與仿真.

首先建立好被控對象的數(shù)學模型.然后進行溫度控制系統(tǒng)的仿真, 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)數(shù)學模型通常采用階躍響應法來獲得的，近似等效為帶純滯后的一階對象.

(2)

模糊控制仿真的過程中, 溫度箱模糊控制器的建立是通過Matlab的模糊邏輯工具箱來完成的,通過Simulink環(huán)境下把模糊控制器加載進相應模塊, 完成仿真.量化因子Ke=0.005，Kec=0.05，Ku=-200，模糊控制器的封裝以及階躍響應曲線分別如圖1、2.

圖1 系統(tǒng)仿真模型圖

圖2 階躍響應曲線

由圖2可知, 在超調量和抗干擾能力方面的性能指標都好于PID 控制器, 動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度更好.

1.3 與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的比較

PID控制是偏差比例(P)、偏差積分(I)、偏差微分(D)控制的簡稱.PID控制器傳遞函數(shù)的一般表達式為：

Gc(s)=Kp+Ki/s+Kds

(3)

Kp為比例放大系數(shù)；Ki為積分放大系數(shù)；Kd為微分放大系數(shù).控制器的關鍵是確定三個放大系數(shù)值，在Simulink 中搭建PID系統(tǒng)控制模型如圖3.PID仿真結果見圖4.

圖3 PID系統(tǒng)控制模型

圖4 PID控制仿真

經(jīng)過對PID控制和模糊控制兩種方案的仿真研究和分析，從下表中明顯看出：模糊控制和 PID控制相比，調節(jié)時間基本相等，但PID控制超調為2%，而模糊控制無超調.

2 結 語

通過使用Matlab/SIMULINK這個軟件來搭建傳統(tǒng)PID溫度控制系統(tǒng)與自整定模糊PID溫度控制系統(tǒng)的模型，并對它們進行仿真分析，從仿真結果可知模糊PID控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)，控制速度要快，穩(wěn)定性要高，更有應用價值.

[1] 湯紅成,李著信,王正濤.一種模糊PID控制系統(tǒng)[J].電機與控制學報，2005,9(2):136-138.

[2] 吳為明，王仁麗.溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況[J].工業(yè)爐，2002，24(20)18-20.

[3] 耿 瑞.基于Matlab的自適應模糊PID控制系統(tǒng)計算機仿真[J].信息技術，2007(1):43-46.

[4] 鄧 瑋,張寶平.模糊溫度控制器的設計與Matlab仿真[J].鄭州輕工業(yè)學院學報，2009，24(2)：50-52

[5] 宋立芳,張永利.楊 莊，等.基于預測的模糊自整定PID溫度控制系統(tǒng)[J].科學技術與工程，2006,6(14)：2142-2147.

[6] 陳孝趨.中藥材干燥設備設計及其控制系統(tǒng)仿真[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2005,15-16.