電熱水器模糊溫度控制

1、電熱水器模糊溫度控制摘要 電熱水器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)采用PID控制技術(shù)調(diào)節(jié)加熱功率針對(duì)上述控制不理想的問題對(duì)使用的影響比擬大的情況，使用仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真得到響應(yīng)曲線，實(shí)現(xiàn)了熱水器模糊溫度控制。關(guān)鍵詞： 模糊控制器 熱電偶 偏差1.引言 模糊控制的根本思想是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)多是用語(yǔ)言表達(dá)的具有相當(dāng)模糊性的控制規(guī)那么。因?yàn)橐肓巳祟惖倪壿嬎季S方式，使得模糊控制器具有一定的自適應(yīng)控制能力，有很強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，因而特別適用于沒有精確數(shù)學(xué)模型的實(shí)際系統(tǒng)。本文將模糊控制的根本思想應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)中。通過(guò)熱電偶測(cè)量烤箱實(shí)際溫度，與給定值比擬。當(dāng)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度之間存

2、在較大的偏差時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生占空比擬大的脈沖序列，全力加熱。當(dāng)系統(tǒng)溫度與設(shè)定溫度之間偏差小，采用模糊控制算法。模糊控制器根據(jù)誤差和誤差變化率，經(jīng)過(guò)模糊推理輸出脈沖序列的占空比的大小,經(jīng)過(guò)固態(tài)繼電器控制電源的通斷, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。一 設(shè)計(jì)目的及要求利用模糊控制方法，對(duì)控制論域進(jìn)行了劃分，使控制論域更加精細(xì)：并且結(jié)合了模糊控制具有魯棒性、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，較好的解決原控制系統(tǒng)的缺乏之處，進(jìn)一步提高了原控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和控制精度。設(shè)計(jì)一個(gè)溫度模糊控制系統(tǒng)，被控對(duì)象為電熱水器，輸入控制信號(hào)電壓為05V，輸出相電壓為0220V，輸出最大功率為1500W。模糊控制器執(zhí)行器AAAAAAAA熱水器

3、向熱電偶給定值輸出量1. 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)（1） 溫度調(diào)節(jié)范圍：0ºC90ºC（2） 系統(tǒng)無(wú)靜差即系統(tǒng)誤差為零2. 控制方案確實(shí)定該系統(tǒng)的被控對(duì)象為電熱水器，通過(guò)改變加熱電阻上的電壓調(diào)節(jié)水的溫度。從控制信號(hào)u(t)到水的溫度c(t)可以看作是廣義被控對(duì)象。當(dāng)控制信號(hào)u(t)=4V時(shí)，水的溫度最高為100ºC。被控對(duì)象具有慣性特性，故可以采用PID控制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)被控對(duì)象的模糊控制系統(tǒng)，寫出模糊規(guī)那么與PID控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器進(jìn)行控制。二 模糊控制器的設(shè)計(jì)1. 變量及隸屬度函數(shù)選擇以溫度偏差e和溫度偏差變化率ec為模糊控制量的輸入量，以u(píng)為輸出控制量。設(shè)T為熱水器

4、當(dāng)前溫度，Ts為設(shè)定溫度。那么溫度偏差e=T-Ts,溫度偏差變化率為單位時(shí)間內(nèi)的溫度偏差改變量。設(shè)定變量e、ec、u的模糊論域均為-6 6，在論域上均有7個(gè)語(yǔ)言變量描述：NL負(fù)大、NM(負(fù)中)、NS負(fù)小、ZO零、PS正小、PM正中、PL正大，語(yǔ)言值的隸屬度函數(shù)都為三角形函數(shù)。變量論域的模糊子集名稱，隸屬度函數(shù)類型及拐點(diǎn)的參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。表 1 覆蓋輸入變量、輸出變量的模糊子集設(shè)定值變量名稱變量模糊論域覆蓋變量的模糊子集模糊子集類型模糊子集拐點(diǎn)參數(shù)溫度偏差e溫度偏差變化率ec輸出控制量u-6 6NL負(fù)大三角形-6 -6 -4NM(負(fù)中)-6 -4 -2NS負(fù)小-4 -2 0ZO零-2 0

5、 2PS正小0 2 4PM正中2 4 6PL正大4 6 62.模糊規(guī)那么(1)如果“偏差是“正大，不管“偏差變化如何變化，那么控制輸出量為“正大;(2)如果“偏差是“正小或“零，且“偏差變化是“正大或“正中那么控制輸出量為“負(fù)??；(3)如果“偏差是“零，且“偏差變化是“負(fù)中或“負(fù)大那么控制輸出量為“正中；(4)如果“偏差是“零，且“偏差變化是“負(fù)小那么控制輸出量為“正小；(5)如果“偏差是“正小，且“偏差變化是“正中或“正大那么控制輸出量為“負(fù)??；(6)如果“偏差是“零或“正小，且“偏差變化是“負(fù)中或“負(fù)大那么控制輸出量為“正中； (7)如果“偏差是“零，且“偏差變化是“零那么控制輸出量不變；

6、(8)如果“偏差是“負(fù)小，且“偏差變化是“負(fù)小那么控制輸出量不變；(9)如果“偏差是“正小，且“偏差變化是“正小那么控制輸出量不變；(10)如果“偏差是“負(fù)小，且“偏差變化是“零或“正小那么控制輸出量為“正?。?11)如果“偏差是“零，且“偏差變化是“負(fù)大或“負(fù)中那么控制輸出量為“正中；(12)如果“偏差是“負(fù)中，且“偏差變化是“正小那么控制輸出量為“負(fù)大；(13)如果“偏差是“負(fù)大，且“偏差變化是“正值那么控制輸出量為“負(fù)大；(14)如果“偏差是“負(fù)中，且“偏差變化是“負(fù)大或“負(fù)中，那么控制輸出量為“負(fù)中；(15)如果“偏差是“負(fù)小，且“偏差變化是“正大或“正中，財(cái)控制輸出量為“負(fù)中；(16

7、)如果“偏差是“零，且“偏差變化是“正值，那么控制輸出量為“負(fù)小；(17)如果“偏差是“正小，且“偏差變化是“零或“正小，那么控制輸出量為“正?。?18)如果“偏差是“負(fù)中或“負(fù)大，且“偏差變化是“負(fù)中或“負(fù)大，那么控制輸出量為“正小；(19)如果“偏差是“負(fù)中，且“偏差變化是“零或“負(fù)小，那么控制輸出量為“負(fù)?。?20)如果“偏差是“負(fù)大，且“偏差變化是“零或“負(fù)小，那么控制輸出量為“負(fù)中。3.模糊控制器的設(shè)計(jì)1編輯名稱為“weather的溫度模糊控制系統(tǒng)FIS1) 增加一個(gè)輸入變量；2將輸入、輸出變量的名稱分別改為e、ec、u。2編輯覆蓋輸入、輸出變量的模糊子集在FIS編輯器上按照表1的數(shù)

8、據(jù)對(duì)e、ec、u進(jìn)行編輯。得出圖1所示的界面。ec、u的MF編輯器和e的相似。3編輯“weather的模糊控制規(guī)那么在編輯界面上，把上面所列的模糊輸入進(jìn)去，得出圖2所示的界面。圖 1 輸入量e的MF編輯器圖 2 “weather模糊規(guī)那么編輯器三 系統(tǒng)仿真模型的建立1.論域及增益系數(shù)的選擇1偏差e的論域及增益系數(shù)的選擇對(duì)于模糊控制器來(lái)說(shuō)，輸入變量的論域，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)偏差e=T-Ts的值大于或等于20ºC，應(yīng)該是語(yǔ)言值的最大值“PL, e的值小于等于-20ºC，就是“NL，那么偏差e的論域?yàn)椤?20 20】，ke的的值為20Xke=6那么ke=0.3。2偏差變化率的論域及

9、增益系數(shù)的選擇類似于偏差e考慮到實(shí)際情況，初選kc=10。3模糊控制器輸出u的論域及增益系數(shù)K2的選擇選控制量u的論域?yàn)椤? 5】V，其最大值為5V，初選時(shí)最大增量u1一般是u1的最大值的百分之幾。如選u1為5X2%=0.1，那么K2的值為K2=0.1/6=0.017。4積分系數(shù)K1的選擇由控制理論可知，積分的作用就在于消除靜態(tài)誤差。系統(tǒng)偏差較大時(shí)，系統(tǒng)由PD模糊控制器其調(diào)節(jié)作用；當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時(shí)，積分作用能夠消除系統(tǒng)偏差。取K1=1。2.仿真模型的建立溫度控制的傳遞函數(shù)可以看作是一階慣性環(huán)節(jié)。一階傳遞函數(shù)G(s)為： 式中: T為時(shí)間常數(shù),T=60s;K為放大系數(shù),階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí),廣義輸入控

10、制信號(hào)為4V,被控對(duì)象輸出穩(wěn)定在90,因此放大系數(shù) K =80/4 =20/V;響應(yīng)輸出無(wú)滯后,那么=0。由此,仿真模型可粗略地寫為: G(s)=20/(60s+1)。3.仿真系統(tǒng)框圖有了對(duì)象的初步摸型，就可與以模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,用MATLAB中的 Simulink畫出系統(tǒng)仿真框圖 ,如圖3所示。圖3中的模糊控制器FLC可以是離線計(jì)算好的控制表 ,也可以采用 Fuzzy Tool在線推理。模糊控制器的兩個(gè)輸入上限幅均為6,下限幅為-6;控制信號(hào)u(t)的上限幅為5V,下限幅為0V。圖 3 系統(tǒng)仿真模型圖四 仿真結(jié)果分析將上述系統(tǒng)在 MAT LAB中進(jìn)行仿真 ,給定輸入溫度為80,得到系統(tǒng)響

11、應(yīng)的仿真曲線如圖4所示。圖 4 系統(tǒng)仿真曲線由圖4可以看出系統(tǒng)的響應(yīng)曲線能在正常時(shí)間內(nèi)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài) ,說(shuō)明該系統(tǒng)具有良好的控制效果。通過(guò)另外的仿真實(shí)驗(yàn)，可以得到如果系統(tǒng)受到外界干擾 ,特征傳遞函數(shù)會(huì)發(fā)生變化響應(yīng)曲線變化不大,溫度在正常時(shí)間內(nèi)也可以到達(dá)平衡狀態(tài)。五、結(jié)論總結(jié) 隨著科學(xué)技術(shù)的開展，智能控制技術(shù)必會(huì)日趨完善，并且能夠在更多的領(lǐng)域上應(yīng)用。此設(shè)計(jì)是基于MATLAB的模糊控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)試及仿真，可以初步得出溫度控制的關(guān)系原理，從而為在實(shí)際應(yīng)用上提供一個(gè)參考，但是在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)考慮實(shí)際的影響因素，例如環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)的影響、人為因素對(duì)控制系統(tǒng)的影響等。面對(duì)實(shí)際問題時(shí)應(yīng)具體問題具體分析。有缺乏的地方再加以改良。 &