电热水器模糊温度控制.doc

电热水器模糊温度控制摘要 电热水器温度自动控制系统，通过采用PID控制技术调节加热功率针对上述控制不理想的问题对使用的影响比较大的情况，使用仿真软件对系统进行仿真得到响应曲线，实现了热水器模糊温度控制。关键词： 模糊控制器 热电偶 偏差1.引言 模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。因为引入了人类的逻辑思维方式，使得模糊控制器具有一定的自适应控制能力，有很强的鲁棒性和稳定性，因而特别适用于没有精确数学模型的实际系统。本文将模糊控制的基本思想应用到温度控制系统中。通过热电偶测量烤箱实际温度，与给定值比较。当测量温度与设定温度之间存在较大的偏差时，定时器产生占空比较大的脉冲序列，全力加热。当系统温度与设定温度之间偏差小，采用模糊控制算法。模糊控制器根据误差和误差变化率，经过模糊推理输出脉冲序列的占空比的大小,经过固态继电器控制电源的通断, 从而实现对温度的控制。一 设计目的及要求利用模糊控制方法，对控制论域进行了划分，使控制论域更加精细：并且结合了模糊控制具有鲁棒性、稳定性好的优点，较好的解决原控制系统的不足之处，进一步提高了原控制系统的稳定性、鲁棒性和控制精度。设计一个温度模糊控制系统，被控对象为电热水器，输入控制信号电压为05V，输出相电压为0220V，输出最大功率为1500W。模糊控制器执行器AAAAAAAA热水器向热电偶给定值输出量1. 控制系统性能指标（1） 温度调节范围：（0C90C）（2） 系统无静差（即系统误差为零）2. 控制方案的确定该系统的被控对象为电热水器，通过改变加热电阻上的电压调节水的温度。从控制信号u(t)到水的温度c(t)可以看作是广义被控对象。当控制信号u(t)=4V时，水的温度最高为100C。被控对象具有惯性特性，故可以采用PID控制设计。设计被控对象的模糊控制系统，写出模糊规则与PID控制相结合实现对热水器进行控制。二 模糊控制器的设计1. 变量及隶属度函数选择以温度偏差e和温度偏差变化率ec为模糊控制量的输入量，以u为输出控制量。设T为热水器当前温度，Ts为设定温度。则温度偏差e=T-Ts,温度偏差变化率为单位时间内的温度偏差改变量。设定变量e、ec、u的模糊论域均为-6 6，在论域上均有7个语言变量描述：NL（负大）、NM(负中)、NS（负小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PL（正大），语言值的隶属度函数都为三角形函数。变量论域的模糊子集名称，隶属度函数类型及拐点的参数设计数据如表1所示。表 1 覆盖输入变量、输出变量的模糊子集设定值变量名称变量模糊论域覆盖变量的模糊子集模糊子集类型模糊子集拐点参数温度偏差e温度偏差变化率ec输出控制量u-6 6NL（负大）三角形-6 -6 -4NM(负中)-6 -4 -2NS（负小）-4 -2 0ZO（零）-2 0 2PS（正小）0 2 4PM（正中）2 4 6PL（正大）4 6 62.模糊规则(1)如果“偏差”是“正大”，不管“偏差变化”如何变化，则控制输出量为“正大”;(2)如果“偏差”是“正小”或“零”，且“偏差变化”是“正大”或“正中”则控制输出量为“负小”；(3)如果“偏差”是“零”，且“偏差变化”是“负中”或“负大”则控制输出量为“正中”；(4)如果“偏差”是“零”，且“偏差变化”是“负小”则控制输出量为“正小”；(5)如果“偏差”是“正小”，且“偏差变化”是“正中”或“正大”则控制输出量为“负小”；(6)如果“偏差”是“零”或“正小”，且“偏差变化”是“负中”或“负大”则控制输出量为“正中”； (7)如果“偏差”是“零”，且“偏差变化”是“零”则控制输出量不变；(8)如果“偏差”是“负小”，且“偏差变化”是“负小”则控制输出量不变；(9)如果“偏差”是“正小”，且“偏差变化”是“正小”则控制输出量不变；(10)如果“偏差”是“负小”，且“偏差变化”是“零”或“正小”则控制输出量为“正小”；(11)如果“偏差”是“零”，且“偏差变化”是“负大”或“负中”则控制输出量为“正中”；(12)如果“偏差”是“负中”，且“偏差变化”是“正小”则控制输出量为“负大”；(13)如果“偏差”是“负大”，且“偏差变化”是“正值”则控制输出量为“负大”；(14)如果“偏差”是“负中”，且“偏差变化”是“负大”或“负中”，则控制输出量为“负中”；(15)如果“偏差”是“负小”，且“偏差变化”是“正大”或“正中”，财控制输出量为“负中”；(16)如果“偏差”是“零”，且“偏差变化”是“正值”，则控制输出量为“负小”；(17)如果“偏差”是“正小”，且“偏差变化”是“零”或“正小”，则控制输出量为“正小”；(18)如果“偏差”是“负中”或“负大”，且“偏差变化”是“负中”或“负大”，则控制输出量为“正小”；(19)如果“偏差”是“负中”，且“偏差变化”是“零”或“负小”，则控制输出量为“负小”；(20)如果“偏差”是“负大”，且“偏差变化”是“零”或“负小”，则控制输出量为“负中”。3.模糊控制器的设计1）编辑名称为“weather”的温度模糊控制系统FIS（1) 增加一个输入变量；（2）将输入、输出变量的名称分别改为e、ec、u。2）编辑覆盖输入、输出变量的模糊子集在FIS编辑器上按照表1的数据对e、ec、u进行编辑。得出图1所示的界面。ec、u的MF编辑器和e的相似。3）编辑“weather”的模糊控制规则在编辑界面上，把上面所列的模糊输入进去，得出图2所示的界面。图 1 输入量e的MF编辑器图 2 “weather”模糊规则编辑器三 系统仿真模型的建立1.论域及增益系数的选择1）偏差e的论域及增益系数的选择对于模糊控制器来说，输入变量的论域，根据专家经验系统偏差e=T-Ts的值大于或等于20C，应该是语言值的最大值“PL”, e的值小于等于-20C，就是“NL”，那么偏差e的论域为【-20 20】，ke的的值为20Xke=6则ke=0.3。2）偏差变化率的论域及增益系数的选择类似于偏差e考虑到实际情况，初选kc=10。3）模糊控制器输出u的论域及增益系数K2的选择选控制量u的论域为【0 5】V，其最大值为5V，初选时最大增量u1一般是u1的最大值的百分之几。如选u1为5X2%=0.1，那么K2的值为K2=0.1/6=0.017。4）积分系数K1的选择由控制理论可知，积分的作用就在于消除静态误差。系统偏差较大时，系统由PD模糊控制器其调节作用；当系统偏差较小时，积分作用能够消除系统偏差。取K1=1。2.仿真模型的建立温度控制的传递函数可以看作是一阶惯性环节。一阶传递函数G(s)为： 式中: T为时间常数,T=60s;K为放大系数,阶跃响应实验时,广义输入控制信号为4V,被控对象输出稳定在90,因此放大系数 K =80/4 =20/V;响应输出无滞后,则=0。由此,仿真模型可粗略地写为: G(s)=20/(60s+1)。3.仿真系统框图有了对象的初步摸型，就可与以模糊控制系统进行仿真,用MATLAB中的 Simulink画出系统仿真框图 ,如图3所示。图3中的模糊控制器FLC可以是离线计算好的控制表 ,也可以采用 Fuzzy Tool在线推理。模糊控制器的两个输入上限幅均为6,下限幅为-6;控制信号u(t)的上限幅为5V,下限幅为0V。图 3 系统仿真模型图四 仿真结果分析将上述系统在 MAT LAB中进行仿真 ,给定输入温度为80,得到系统响应的仿真曲线如图4所示。图 4 系统仿真曲线由图4可以看出系统的响应曲线能在正常时间内达到稳定状态 ,说明该系统具有良好的控制效果。通过另外的仿真实验，可以得到如果系统受到外界干扰 ,特征传递函数会发生变化响应曲线变化不大,温度在正常时间内也可以到达平衡状态。五、结论总结随着科学技术的发展，智能控制技术必会日趋完善，并且能够在更多的领域上应用。此设计是基于MATLAB的模糊控制系统，通过调试及仿真，可以初步得出温度控制的关系原理，从而为在实际应用上提供一个参考，但是在实际应用中还应考虑实际的影响因素，例如环境对控制系统的影响、人为因素对控制系统的影响等。面对实际问题时应具体问题具体分析。有不足的地方再加以改进。参考文献：1、马明远人工智能与专家系统导论清华大学出版社，20062、韩力群智能控制理论及应用机械工业出版社，20083、韩俊峰，李玉惠等模糊控制技术重庆大学出版社，20034、李友善,李军.模糊控制理论及其在过程控制中的应用M.国防工业出版社,1993