《基于模糊控制變量方法的電子膨脹閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MATLAB仿真》12000字（論文）

模糊控制簡介4.1模糊控制的特點(diǎn)模糊控制系統(tǒng)語言技術(shù)是一種用來表示人類邏輯思維日常活動(dòng)以及控制復(fù)雜事物極其有效地語言手段,因此,對于那些長期利用某種傳統(tǒng)模糊控制語言方法難以實(shí)現(xiàn)或無法湊效的控制文題,采用模糊控制語言技術(shù)往往有可能迎刃而解。與其他傳統(tǒng)的模糊控制分析技術(shù)相結(jié)合比較,模糊控制技術(shù)具有下述如下主要特點(diǎn):（1）不一定需要建立被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。它指的是一種推理的邏輯控制,具有近似人類推理思維的若干基本特點(diǎn),能夠根據(jù)人類一系列的模糊推理知識(shí)和復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)而得出各種符合實(shí)際邏輯關(guān)系的推理結(jié)論,不同于需要系統(tǒng)精確的建立數(shù)學(xué)推理模型,因此被認(rèn)為特別適合于推理系統(tǒng)復(fù)雜、難于或根本無法自行建立新的數(shù)學(xué)推理模型、人工智能操作和無經(jīng)驗(yàn)有效的非線性、時(shí)變及純粹的滯后性等系統(tǒng)的推理控制。（2）適應(yīng)性強(qiáng)。經(jīng)研究結(jié)果表明，對于一個(gè)完全確定的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程系統(tǒng)控制對象,用模糊控制與經(jīng)常用到的采用PID運(yùn)動(dòng)控制的傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)滯后效果相當(dāng)，同時(shí)對于非線性、噪聲和純粹的滯后過程系統(tǒng)也具有較強(qiáng)的一致控制能力,在這三個(gè)特點(diǎn)方面一些傳統(tǒng)控制往往只會(huì)顯得無能為力。（3）魯棒性強(qiáng)。由于模糊控制系統(tǒng)采用的不是二次多值控制邏輯,而是一種連續(xù)多值邏輯,所以當(dāng)模糊系統(tǒng)控制參數(shù)發(fā)生變化時(shí),能比較容易地地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的模糊控制。（4）軟件系統(tǒng)的操作規(guī)則和基本參數(shù)功能整體設(shè)定方便。只要通過對現(xiàn)場的各種工業(yè)語言過程變量進(jìn)行不確定性的統(tǒng)計(jì)分析,就已經(jīng)能比較好地找出建立語言過程變量的基本控制操作規(guī)則和系統(tǒng)的主要控制參數(shù),而且這些參數(shù)的控制適用范圍較廣。（5）軟件結(jié)構(gòu)簡單。系統(tǒng)的軟硬件功能實(shí)現(xiàn)都比較方便。4.2隸屬度函數(shù)在進(jìn)行模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，我們必須要了解隸屬度。什么是隸屬度函數(shù)？舉例來說,也就是,對于論域U內(nèi)的任一定義元素并且A都可以有一個(gè)定義范圍內(nèi)的不可確定性函數(shù)值而B(A)與之互相對應(yīng),那么我們就把元素A可以稱為論域U上的一個(gè)模糊集,B(A)可以稱為元素A對論域B的模糊隸屬度。當(dāng)A在論域內(nèi)產(chǎn)生變化時(shí)，此時(shí)的B（A）就是一個(gè)函數(shù)，我們把此時(shí)的B（A）就稱作A的隸屬函數(shù)。當(dāng)隸屬度B（A）越接近論域范圍內(nèi)的最大值時(shí)，A屬于B的程度越高，反之則亦然。在模糊控制中為什么需要特別研究一個(gè)隸屬度上的函數(shù)呢?這可能是因?yàn)樵u價(jià)隸屬度函數(shù)屬于從模糊化的評價(jià)模型函數(shù)之中提煉衍生出來的一個(gè)概念，它可以以一個(gè)模糊集合的形式來表示在承受多種因素影響下判斷該決策是否正確的多因素決策方法。在進(jìn)行模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要用到數(shù)學(xué)方法隸屬度函數(shù)，只有隸屬度函數(shù)才可以將模糊集合內(nèi)具有聯(lián)系和相似性各個(gè)元素一一準(zhǔn)確表述出來。隸屬度函數(shù)是多樣的，想要判斷哪個(gè)函數(shù)為最優(yōu)化函數(shù)，就需要利用不同的隸屬函數(shù)進(jìn)行操作。下列是選取合適隸屬度函數(shù)方法：1、專家經(jīng)驗(yàn)法該方法先根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及實(shí)際操作數(shù)據(jù)給出一個(gè)估計(jì)的相應(yīng)權(quán)系數(shù)值或處理算式，然后由在這一方面具有很多經(jīng)驗(yàn)的專家根據(jù)自己積累的經(jīng)驗(yàn)把模糊信息融入到隸屬函數(shù)中。這是一個(gè)需要通過大量的實(shí)踐反復(fù)驗(yàn)證完善的方法，正是因?yàn)檫@確定過程的工作量繁雜，所以通過這種方法得到的隸屬度函數(shù)更嚴(yán)謹(jǐn)更符合實(shí)際所需。2、函數(shù)法此方法根據(jù)被控對象的實(shí)際特性，綜合考慮選擇一個(gè)較為合適的典型函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，主要有三角形、S型、Z型等典型函數(shù)。該方法操作簡單不需要復(fù)雜計(jì)算。4.3本章小結(jié)在本章中，具體介紹了模糊控制理論和其特點(diǎn)，判斷是否適用于電子膨脹閥控制系統(tǒng)中。電子膨脹閥模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真5.1smith預(yù)估控制Smith預(yù)估控制是在針對傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上對控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，因?yàn)楸豢貙ο蟮膹?fù)雜特性，導(dǎo)致常規(guī)PID控制并不能完美的完成這項(xiàng)任務(wù)。而且在smith中的預(yù)估滯后控制通過自動(dòng)引入和刪除被控控制對象之間并聯(lián)的功能補(bǔ)償器對純粹的滯后控制現(xiàn)象功能進(jìn)行自動(dòng)減弱和實(shí)時(shí)消弭，在一定程度上提高了啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。針對本系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制器的引入系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下圖5-1。圖5-1Smith預(yù)估控制系統(tǒng)仿真框圖5.2模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模糊控制系統(tǒng)就是以模糊控制理論為核心算法的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)的新型智能化系統(tǒng)。雖然其控制結(jié)構(gòu)于傳統(tǒng)閉環(huán)反饋類似，但是與其不同的是增設(shè)了模糊控制器并且將模糊控制理論融合其中。這樣，模糊控制系統(tǒng)不僅僅具有傳統(tǒng)控制的優(yōu)勢，模糊控制器的加入使得系統(tǒng)可以進(jìn)行更快速的反應(yīng)和更良好的控制效應(yīng)。如圖5-2所示可看出，模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為完善，它在控制器中增加了輸入變量的模糊化和輸出變量清晰化的過程，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更加完備控制效果更優(yōu)。圖5-圖5-2模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模糊控制器中最為核心的功能是模糊推理,它主要功能是把模糊推理控制器需要輸入的所有模糊知識(shí)量和輸入知識(shí)庫中所需要儲(chǔ)存的模糊知識(shí)形成規(guī)則,通過含糊模仿實(shí)現(xiàn)人類對模糊推理概念的邏輯思考和模糊判斷邏輯思維等，并進(jìn)行綜合邏輯分析推理和數(shù)學(xué)運(yùn)算等來獲得模糊控制器的信號(hào)。在解模糊化時(shí)由于系統(tǒng)經(jīng)過模糊推理后得到的量為模糊量而被控系統(tǒng)僅能接受清晰量，所以就需要通過解模糊化將模糊量轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦?。下列為解模糊法的主要方法：a.最大隸屬度法該算法實(shí)質(zhì)上即是直接在輸出模糊子集中找到隸屬度最大的那個(gè)元素當(dāng)做最終輸出值，當(dāng)輸出模糊子集有多個(gè)元素隸屬度等大時(shí)，那么則取這些元素的平均值作為最終輸出值。該方法計(jì)算量小，但由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常只關(guān)注研究最大隸屬度輸出值而忽視隸屬度曲線形狀，所以會(huì)漏掉小隸屬度的結(jié)論信息，導(dǎo)致其精確度不高不適用在復(fù)雜控制系統(tǒng)中。b.重心法該模糊算法首先我們需要通過得到模糊定義結(jié)論中各個(gè)加權(quán)元素的對應(yīng)隸屬度,然后再通過求得各加權(quán)元素與其對應(yīng)隸屬度的元素乘積,這樣算法所得的元素乘積的值就是其定義范圍內(nèi)的各個(gè)加權(quán)元素平均值。該方法是最實(shí)用有效的解模糊化方法，但其計(jì)算量較大，所以此項(xiàng)工作一般由計(jì)算機(jī)完成。5.3模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.3.1輸入輸出量模糊化過熱度偏差e和過熱度偏差變化率d的論域分別取[-7,7]和[-3,3],將它們劃分為5類模糊群集合，分別為負(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）、零（ZE）、正?。≒S）、正大（PB），即模糊子集為{NB,NS,ZE,PS,PB}。將e和d的論域量化為7級(jí)，即{-3，-2，-1，0,1,2,3}。采用了三角形隸屬函數(shù)，表5-1給出了過熱度偏差e和過熱度偏差變化率d對應(yīng)于5個(gè)模糊集合的隸屬度值。表5-3過熱度偏差e和過熱度偏差變化率d的隸屬度表量化量化化隸隸屬度值變量-3-2-10123OB000000.41OS0000100HL0001000CS0010000CB10.400000電子膨脹閥的開度量化為7級(jí)，即{-3，-2，-1，0,1,2,3}，分別對應(yīng)電子膨脹閥的開度大小。將這7種輸出狀態(tài)分為5個(gè)模糊狀態(tài)，即{關(guān)閉，小開，半開，大半開，全開}，表示符號(hào)為：{CB,CS,HL,OS,OB}。采用三角形隸屬函數(shù)，表5-3給出了執(zhí)行器的輸出u對應(yīng)于5個(gè)模糊集合的隸屬度值。表5-4執(zhí)行器的輸出（閥的開度）u的隸屬度表量化量化化屬隸屬度值值變量-3-2-10123OB000000.41OS0000100HL0001000CS0010000CB10.4000005.3.2模糊控制規(guī)則的確定模糊控制規(guī)則不僅是控制器內(nèi)部運(yùn)行推理操作的理論支持，還是模糊邏輯運(yùn)算不二依據(jù)。其工作原理是將自然語言變量用來表述專業(yè)人士在面臨相同狀況時(shí)的預(yù)備操作行為，再將專業(yè)人員熟練的操作經(jīng)驗(yàn)知識(shí)模糊抽象為關(guān)于輸入輸出變量的映射關(guān)系。該系統(tǒng)控制規(guī)則的確定就是依據(jù)現(xiàn)場工作人員的工作經(jīng)驗(yàn)通過專業(yè)知識(shí)總結(jié)，再用語言變量描述得出。根據(jù)結(jié)合上文對到的輸入輸出量進(jìn)行模糊化計(jì)算得到的模糊控制子集合的變量分析可以得出獲得模糊控制器的規(guī)則及其表如下圖表5-5所示：表5-5模糊控制規(guī)則表ececeNBNSZEPSPBNBOBOBOBOBOBNSOBOSOSHLCSZEOBOSHLCSCBPSOSHLCSCSCBPBCBCBCBCBCB由上模糊控制規(guī)則表5-5即可應(yīng)用編程語句完成對模糊控制器的相關(guān)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)對被控對象變化的實(shí)時(shí)把控。根據(jù)以上對模糊控制系統(tǒng)原理的了解，再加上前期對相關(guān)數(shù)據(jù)運(yùn)行后展開的模糊聚類以及相關(guān)專業(yè)人員操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)的所有工作基礎(chǔ)上，我們可以建立一套模糊控制規(guī)則如下圖所示：初始化初始化將輸入量輸出量化因子寫入寄存器將越線變量設(shè)為上限或下限值輸出控制電子閥輸出量乘以量化因子，得到控制量將輸入量寫入寄存器進(jìn)行模糊推理給出輸出量將輸入量模糊化是否到采樣時(shí)間判斷ec，e是否超限結(jié)束YNNY圖5-6模糊規(guī)則5.4MATLAB仿真現(xiàn)根據(jù)圖5-6模糊規(guī)則執(zhí)行開始編輯模糊控制系統(tǒng)如下：1）模糊推理系統(tǒng)編輯器（Fuzzy）于MATLAB的Fuzzy控制界面上,添加兩個(gè)壓力輸入,并將其修改成了相應(yīng)的兩個(gè)輸入所在輸出控制名稱:兩個(gè)輸入輸出控制量函數(shù)是輸出壓力值的偏差ec和壓力偏差變化率的ec,輸出量函數(shù)是壓力Kp，Ki和Kd。如圖5-所示。2）隸屬度函數(shù)編輯器（Mfedit）選中的input,在出現(xiàn)的新窗口左下角的Range和右下DisplayRange中,寫入取值范圍[-11]。隸屬函數(shù)默認(rèn)為三個(gè),需再依次添加四個(gè)帶有隸屬域的函數(shù)并在右邊name處依次輸入一個(gè)相應(yīng)的函數(shù)隸屬域和函數(shù)域的名稱,并依次選擇右邊Trimf(意為:一個(gè)三角形作為隸屬域的函數(shù)映射曲線)然后在左邊params(輸入?yún)?shù))中選擇添加三個(gè)參數(shù)值,并利用同樣的操作方法設(shè)定output參數(shù)值如圖5-7所示。圖5-7模糊推理編輯器圖5-8隸屬度函數(shù)編輯器利用隸屬度函數(shù)編輯器根據(jù)上章節(jié)表5-5模糊規(guī)則表依次添加進(jìn)49條規(guī)則，如圖5-9所示。待所有規(guī)則填入并優(yōu)化后便可以觀察該課題的結(jié)果圖與三維圖如圖5-10所示。圖5-9隸屬度函數(shù)編輯器圖5-10模糊邏輯工具箱仿真結(jié)果圖5-11仿真框圖運(yùn)行后得到的圖5-7圖5-7仿真對比框圖圖5-12仿真結(jié)果對比圖通過兩圖響應(yīng)結(jié)果曲線的對比，顯而易見，模糊控制器的超調(diào)量相較于單回路傳統(tǒng)控制器更小，可以快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。5.5本章小結(jié)本章節(jié)通過分析模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部控制器確定該控制系統(tǒng)與本設(shè)計(jì)十分契合后，著手進(jìn)行了相關(guān)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)上章節(jié)對模糊控制系統(tǒng)理解的基礎(chǔ)上逐步對輸入輸出量模糊化進(jìn)行了操作與此同時(shí)也確定了模糊規(guī)則。結(jié)合本課題相關(guān)參數(shù)整定模糊控制器并借助MATLAB，說明了將模糊算法應(yīng)用于MATLAB的電子膨脹閥控制系統(tǒng)中是非常成功的。結(jié)論這次大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容是如何建立模糊控制模擬系統(tǒng),在Matlab的模擬環(huán)境下,利用它的模糊控制系統(tǒng)工具箱可以創(chuàng)建雙模糊輸入單和一輸出的模糊驅(qū)動(dòng)控制器,然后在Simulink的模擬環(huán)境下對一個(gè)電子膨脹閥的模糊控制進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立一個(gè)仿真設(shè)計(jì)框圖,并進(jìn)行仿真,實(shí)現(xiàn)了模糊控制方法的有效性和正確性。設(shè)計(jì)中,遇到了許多復(fù)雜性的問題,模糊模擬仿真軟件控制器的如何正確設(shè)計(jì),Matlab等等模擬仿真軟件的模糊仿真控制器和模擬工具箱的如何正確使用,還有在Simulink的虛擬環(huán)境下如何正確進(jìn)行模糊模擬仿真,均出現(xiàn)了很多的問題,使我不得不埋頭于一堆有關(guān)模糊控制理論和MATLAB的專業(yè)書籍中,在看這些書的時(shí)候,我發(fā)現(xiàn)了自己的很多知識(shí)漏洞以及一些誤區(qū),通過不斷地學(xué)習(xí)和實(shí)踐,我對MATLAB軟件又多了一層認(rèn)識(shí)和理解,同時(shí)也了解了SIMULINK軟件的各個(gè)模塊,學(xué)會(huì)了用SIMULINK軟件繪制仿真框圖,使我受益匪淺。參考文獻(xiàn)王琳,李慧.多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中電子膨脹閥作用性能分析[J].節(jié)能,2017,36(05):58-60+3.翟正亮.一種中央空調(diào)用電子膨脹閥的控制方法[J].機(jī)電信息,2017(1):79-81.段培永,劉桂云,段晨旭,等.基于LabVIEW和CAN總線的吸收式制冷機(jī)組數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2015(04):105-109.張明,周智,周國鵬,金鵬.一種自適應(yīng)分段式電子膨脹閥控制策略研究[J].流體機(jī)械,2020,48(06):14-19.趙英軍.變頻空調(diào)電子膨脹閥的模糊PID控制[J].電子技術(shù)與軟件工程,2019(13):60-61.黃俊鋒,蘇林,方奕棟,周國梁.電子膨脹閥對蒸發(fā)器出口過熱度的控制改進(jìn)研究[J].能源工程,2018(03):64-69+74.陳鋒,趙俊.空調(diào)用電子膨脹閥噪音與導(dǎo)向套的關(guān)系分析探討[J].中國設(shè)備工程,2019(01):103-104.楊帥,孟文,徐文,曾利,潘紹飛.熱泵系統(tǒng)中電子膨脹閥的模糊控制應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表,2016,31(06):42-45.ChenT,BaeKJ,KwonOK.EmpiricalcorrelationdevelopmentofR245faflowinelectronicexpansionvalves[J].InternationalJournalofRefrigeration,2018,88（06）:284-290.AlaaR.Al-Badri,AhmedH.Al-Hassani.Acontrolmethodusingadaptivesettingofelectronicexpansionvalveforwaterchillersystemsequippedwithvariablespeedcompressors[J].