模糊控制在智能溫度控制系統(tǒng)中的應用

1、模糊控制在智能溫度控制系統(tǒng)中的應用摘要：溫度系統(tǒng)慣性大、滯后現(xiàn)象嚴重，難以建立精確的數(shù)學模型，給控制過程帶來很大難題。本設計以電鍋爐為研究對象，研究一種最佳的控制方案，設計了單片機為核心部件的溫度智能控制器，實現(xiàn)了溫度的采集與控制、超限報警等各種功能。在進行硬件電路設計的同時，將模糊PID算法引入到軟件設計中，也進行了相應軟件設計和仿真。論文關鍵詞：電鍋爐,溫度控制,模糊PID控制,仿真在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當大的比例，準確的測量和有效的控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。電鍋爐是將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。本文研究對象為直熱式水鍋爐，采用電阻式加

2、熱采用電阻式加熱。本文的研究目的是結(jié)合電鍋爐水溫上升的特點，對它的溫度進行控制，達到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小且穩(wěn)定誤差小的技術要求。2.硬件設計概述具體的硬件設計框圖如圖1所示：主要分6個功能模塊：89C51單片機、溫度檢測模塊、觸發(fā)模塊、過零檢測模塊和顯示模塊及報警模塊。圖1 硬件電路設計總體框圖本文選用AT89C51作為核心芯片，這樣不僅提高了系統(tǒng)的總體性能，而且降低了成本。本設計選用的傳感器型號為DS18B20溫度傳感器。補償器型號為AD590JH溫度轉(zhuǎn)換器。圖2為數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換模塊。控制輸出模塊主要包括D/A轉(zhuǎn)換和光電耦合模塊，主要由芯片DAC0832、運算放大器和光耦實現(xiàn)，具體設計

3、如圖10所示。另外還進行了鍵盤輸入模塊和報警顯示模塊的設計，由于篇幅不再贅述。圖2 數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換模塊圖3 控制輸出模塊3.算法的實現(xiàn)由于純PID控制對有較大的超量和過渡時間，為了解決這一難點，本系統(tǒng)將模糊控制算法和PID的實用性相結(jié)合，研究出一種參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)，以此減少超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間和系統(tǒng)的振蕩性，提高溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整體控制性能10。參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)能在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進行檢測分析，這種控制方法不僅保持了常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理簡單、使用方便、魯棒性強等特點，而且具有更大的靈活性、適用性、精確性等特性。典型的模糊自整定PID控

4、制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 參數(shù)自整定模糊PID控制器設計圖該模糊控制器輸入輸出的隸屬函數(shù)均選靈敏度高及在論域范圍內(nèi)均勻分布的等距離三角函數(shù)。隸屬函數(shù)曲線如圖5、圖6所示。 圖5 偏差E及偏差變化率EC的隸屬函數(shù)圖 圖6 kp、ki、kd隸屬函數(shù)圖模糊決策一般采用Mamdanis(min-max)決策法。反模糊化，也就是模糊量的精確化，本設計采用重心法計算公式如（1）式所示： （1）重心法比較全面的反應了各個控制信息，它的缺點是運算量較大，不過在實際的控制過程中，輸出論域的元素一般不會太多。再次，清晰化方法選擇重心法。此設計的模糊控制輸入輸出曲面如圖7所示： ( a)(b)(c)圖7 模糊P

5、ID控制器輸入輸出曲面圖4.仿真在MATLAB命令窗口中鍵入“Simulink”,在Simulink環(huán)境下，建立模糊PID的仿真模型如圖8所示，模糊PID的仿真結(jié)果曲線如圖9所示。圖8 模糊PID控制器的仿真模塊圖9 模糊PID控制系統(tǒng)仿真圖根據(jù)仿真結(jié)果可知，采用模糊控制策略整定PID參數(shù)相對于普通PID控制策略，其系統(tǒng)的魯棒性增強,響應時間大大減少，超調(diào)量也得到了一定的改善，提高了系統(tǒng)的總體性能6。5.總結(jié)本文以電鍋爐的溫度作為研究對象，采用了較新的控制方法模糊PID控制。該控制系統(tǒng)選用單片機AT89C51作為控制芯片。完成數(shù)據(jù)采集、參數(shù)整定、LED顯示、鍵盤輸入、報警等功能，由理論向?qū)嶋H邁出了一步，具有一定的理論和實用價值。參考文獻1 李朝青.單片機原理及接口技術M.北京：北京航空航天大學出版社,20052 陳杰,黃鴻.傳感器與檢測技術M.北京：高等教育出版社,2002.83 謝仕鴻.MATLAB R2008控制系統(tǒng)動態(tài)仿真實例教程M. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.14 王正林,王勝開等.MATALB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真M.北京：機械工業(yè)出版社，2008.75 南新元,陳志軍,程志江