基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)

黃媛媛+黃飛昊

【摘 要】在工業(yè)自動化控制中，用溫度進(jìn)行控制是主要的操作方式，在整個(gè)控制行業(yè)中，溫度控制都占有十分重要的地位，而通過模糊控制算法對溫度進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，就可以直接緩解溫度控制系統(tǒng)的滯后現(xiàn)象，以此來起到提高控制效果和控制精度的作用，從而輔助工業(yè)企業(yè)進(jìn)行控溫工作。

【關(guān)鍵詞】模糊控制算法；溫度；控制系統(tǒng)

一、模糊控制系統(tǒng)的基本原理

模糊控制系統(tǒng)用到的模擬機(jī)制主要是模擬人的思維，在安排控制工作時(shí)，除了模糊集合論這個(gè)基本的元素之外，還添加了語言變量和邏輯推理這兩個(gè)因素，可以完成以這幾個(gè)因素為基礎(chǔ)的控制工作，同時(shí)控制工作是非線性的，因此可以不限制難易程度和復(fù)雜程度，就算環(huán)境不確定也可以進(jìn)行控制，模糊控制系統(tǒng)屬于智能控制系統(tǒng)。

模糊控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)并沒有特殊，與普遍的微機(jī)控制系統(tǒng)沒什么兩樣，在結(jié)構(gòu)的構(gòu)成上，主要由以下四部分構(gòu)成：

（一）測量元件傳感器

測量元件的測量數(shù)據(jù)會作為控制的主要標(biāo)準(zhǔn)，被控制對象會發(fā)出信號，這個(gè)信號最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，因此測量元件時(shí)測量出來的標(biāo)準(zhǔn)值會直接影響整個(gè)系統(tǒng)發(fā)出的信號，精度十分重要，在進(jìn)行測量元件的選擇時(shí)，一定要注意挑選穩(wěn)定且符合精度要求的測量元件。

（二） 輸入輸出接口裝置

輸入輸出接口裝置主要在工作中起到接收、轉(zhuǎn)換的作用，在控制系統(tǒng)中，它負(fù)責(zé)進(jìn)行信號的采集，電平的轉(zhuǎn)換等工作。

（三）廣義對象

廣義對象主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要控制的對象是一些比較復(fù)雜的工業(yè)過程，這樣的工業(yè)過程往往比較難上手，沒有嚴(yán)格地分為線性或是非線性，在控制過程中，存在控制障礙，沒有明確的控制機(jī)制，也未能明確數(shù)學(xué)模糊的過程。

它包括被控對象與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，被控對象為復(fù)雜的工業(yè)過程，可是線性的或非線性的，也可能存在各種干擾，是模糊的、不確定的、沒有精確數(shù)學(xué)模糊的過程。

（四）模糊控制器

模糊控制器是一個(gè)總的控制平臺，這個(gè)控制平臺會將模糊推理工作完整地進(jìn)行，在進(jìn)行推理的過程中，主要利用的數(shù)據(jù)是輸入量，通過模糊運(yùn)算的方式進(jìn)行總的控制工作。

在溫度控制系統(tǒng)中，這幾個(gè)部件都各自有各自的作用，負(fù)責(zé)不同的工作，負(fù)責(zé)感受控制對象的溫度的部件是傳感器，感受溫度之后分析溫度產(chǎn)生的線性變化，根據(jù)線性變化分析出變化關(guān)系，送給變送器進(jìn)行處理。變送器收到這些數(shù)據(jù)以后將這個(gè)數(shù)據(jù)的變化轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電信號或者是可供識別的電壓，這些轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)主要運(yùn)送給輸入輸出接口，接口便進(jìn)行運(yùn)送至系統(tǒng)前的最后轉(zhuǎn)換工作，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

輸入輸出接口裝置中有無數(shù)的接口，這些接口都滿足了控制系統(tǒng)的所需工作，比如接入了可以控制溫度的鍵盤，從而實(shí)現(xiàn)控溫工作；接入了可以顯示實(shí)時(shí)溫度的數(shù)碼管，從而掌握實(shí)時(shí)溫度情況；接入了可以用來報(bào)警的LED，從而實(shí)現(xiàn)簡便報(bào)警的作用。人機(jī)接口越多，可以完成工作的類型也就越多，這樣整個(gè)產(chǎn)品的功能就能得到提升，產(chǎn)品的親合力也能隨之增長。

控制對象沒有明確的劃分，執(zhí)行器會跟著控制對象的改變而改變，但是可以選擇的范圍都比較廣，如果控制對象是電爐，執(zhí)行器便是晶閘管，執(zhí)行器也能自動匹配到靜態(tài)和固態(tài)的繼電器；而如果控制對象變?yōu)榱擞蜖t，執(zhí)行器也可以選擇調(diào)節(jié)閥，主要用來控制油爐進(jìn)油量的大小。

溫度控制系統(tǒng)是以模糊算法為基礎(chǔ)算法的系統(tǒng)，在完成控制溫度的工作過程中，也可以用來進(jìn)行處理器的控溫工作，滿足各類處理器的基本處理工作需求，用內(nèi)部運(yùn)行的模糊算法程序，進(jìn)行簡單的控制工作。

二、控溫系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)過程

（一）預(yù)處理

在進(jìn)行處理之前，必須通過測量設(shè)備測量得到的一個(gè)具體數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)被稱作預(yù)數(shù)據(jù)，預(yù)處理是指在所有數(shù)據(jù)進(jìn)入控制器之前，就提前進(jìn)行處理，處理就是根據(jù)這些數(shù)據(jù)的種類和定義進(jìn)行分類，預(yù)處理的這個(gè)過程也算是量化過程，在離散空間中的數(shù)據(jù)分為了好幾個(gè)部分，稱量化器量化的比例為量化因子。量化的過程相當(dāng)于是個(gè)削減數(shù)據(jù)量的過程，但是量化工作也必須很認(rèn)真地進(jìn)行，如果完成的效果太過于粗糙，那么控制器就不適合進(jìn)行下一步操作，控制器會產(chǎn)生振蕩反應(yīng)，甚至失去平衡。

（二）模糊化

在進(jìn)行模糊化之前，一定要確定一個(gè)隸屬度函數(shù)，這個(gè)函數(shù)中主要包括了模糊集論域中語言變量各值以及所對應(yīng)的模糊子集。一般是操作者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)在進(jìn)行模糊化之前確定的，在這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行使用之后，還可以不斷進(jìn)行修正和優(yōu)化，從而達(dá)到更好的控制效果。隸屬度函數(shù)的形狀根據(jù)數(shù)據(jù)的不同選擇，會呈現(xiàn)不同的形狀，但是影響模糊控制器性能的關(guān)鍵不完全是運(yùn)用的數(shù)據(jù)，影響的關(guān)鍵因素是各模糊集覆蓋論域的情況，在達(dá)到控制要求方面，隸屬函數(shù)的形狀并沒有什么差別，為了計(jì)算上的方便，一般選擇函數(shù)形狀時(shí)，都會選擇三角形、梯形的函數(shù)。并且在實(shí)際工作中，三個(gè)三個(gè)隸屬函數(shù)不應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行使用并且呈現(xiàn)相交的狀態(tài)，模糊控制算法最大的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)該是不必完全地了解一整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，就可以直接完成控制工作。

數(shù)學(xué)模型中，一些難以確定的系統(tǒng)可以直接進(jìn)行模糊算法的計(jì)算，在計(jì)算上面來說有明顯的優(yōu)勢，但是模糊控制算法中并不存在積分項(xiàng)，所以在控制結(jié)果的產(chǎn)生上，容易產(chǎn)生靜差。因此，為了避免產(chǎn)生靜差，可以將模糊控制算法與PID算法結(jié)合在一起，進(jìn)行創(chuàng)新得到模糊PID算法?？梢韵仍O(shè)定PID控制器的初始數(shù)值，然后在模擬模糊規(guī)則，將計(jì)算得出的調(diào)節(jié)值輸在系統(tǒng)中，然后相加，就能得到最終的PID參數(shù)。

Kp = Kp + Qp * △Kp （Kp ： 初值 Qp： 比例系數(shù) △Kp ： 模糊規(guī)則得到的Kp調(diào)節(jié)值）

Ki = Ki + Qi * △Ki

Kd = Kd + Qd * △Kd

三、結(jié)束語

雖然溫度控制系統(tǒng)在很多領(lǐng)域已經(jīng)開始投入使用，并且在很多領(lǐng)域都獲得了好的發(fā)展，不少企業(yè)對控制系統(tǒng)的能力已經(jīng)認(rèn)可了，但是在整個(gè)控制系統(tǒng)中還存在一些缺點(diǎn)，比如沒能正確地選擇控制器的規(guī)格，大多數(shù)控制系統(tǒng)選擇的控制器是速度較慢的單片機(jī)，但是更好的選擇應(yīng)該是速度更快的工控機(jī)，這就在一定程度上限制了采樣工作的完成效率。但是如果能采用更先進(jìn)的模糊算法，就能增加模糊系統(tǒng)的控制精度，如果能夠在發(fā)展過程中，將壓力等因素也加進(jìn)整個(gè)控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)除了可以控制溫度，也可以控制壓力，控制范圍與之前相比加大了不少，也將有不小的應(yīng)用前景。

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