關(guān)于模糊控制在智能溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
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摘要：溫度系統(tǒng)慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，給控制過程帶來很大難題。本設(shè)計以電鍋爐為研究對象，研究一種最佳的控制方案，設(shè)計了單片機(jī)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(jìn)行硬件電路設(shè)計的同時，將模糊PID算法引入到軟件設(shè)計中，也進(jìn)行了相應(yīng)軟件設(shè)計和仿真。
論文關(guān)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(dāng)大的比例，準(zhǔn)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(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小且穩(wěn)定誤差小的技術(shù)要求。
2.硬件設(shè)計概述
具體的硬件設(shè)計框圖如圖1所示：主要分6個功能模塊：89C51單片機(jī)、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(shè)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(shè)計選用的傳感器型號為DS18B20溫度傳感器。補(bǔ)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�？刂戚敵瞿K主要包括D/A轉(zhuǎn)換和光電耦合模塊，主要由芯片DAC0832、運(yùn)算放大器和光耦實現(xiàn)，具體設(shè)計如圖10所示。另外還進(jìn)行了鍵盤輸入模塊和報警顯示模塊的設(shè)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(jìn)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(qiáng)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(shè)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 Δkp、Δki、Δkd隸屬函數(shù)圖
模糊決策一般采用Mamdani's(min-max)決策法。反模糊化，也就是模糊量的精確化，本設(shè)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(yīng)了各個控制信息，它的缺點是運(yùn)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(shè)計的模糊控制輸入輸出曲面如圖7所示：
( a)(b)
(c)
圖7 模糊PID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(qiáng),響應(yīng)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(jī)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(xiàn)
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