電熱水器模糊溫度控制

1、電熱水器模糊溫度控制摘要 電熱水器溫度自動控制系統(tǒng)，通過采用PID控制技術(shù)調(diào)節(jié)加熱功率針對上述控制不理想的問題對使用的影響比擬大的情況，使用仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真得到響應曲線，實現(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算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗，而這些經(jīng)驗多是用語言表達的具有相當模糊性的控制規(guī)那么。因為引入了人類的邏輯思維方式，使得模糊控制器具有一定的自適應控制能力，有很強的魯棒性和穩(wěn)定性，因而特別適用于沒有精確數(shù)學模型的實際系統(tǒng)。本文將模糊控制的根本思想應用到溫度控制系統(tǒng)中。通過熱電偶測量烤箱實際溫度，與給定值比擬。當測量溫度與設定溫度之間存

2、在較大的偏差時，定時器產(chǎn)生占空比擬大的脈沖序列，全力加熱。當系統(tǒng)溫度與設定溫度之間偏差小，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)過模糊推理輸出脈沖序列的占空比的大小,經(jīng)過固態(tài)繼電器控制電源的通斷, 從而實現(xiàn)對溫度的控制。一 設計目的及要求利用模糊控制方法，對控制論域進行了劃分，使控制論域更加精細：并且結(jié)合了模糊控制具有魯棒性、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，較好的解決原控制系統(tǒng)的缺乏之處，進一步提高了原控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和控制精度。設計一個溫度模糊控制系統(tǒng)，被控對象為電熱水器，輸入控制信號電壓為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（1） 溫度調(diào)節(jié)范圍：0ºC90ºC（2） 系統(tǒng)無靜差即系統(tǒng)誤差為零2. 控制方案確實定該系統(tǒng)的被控對象為電熱水器，通過改變加熱電阻上的電壓調(diào)節(jié)水的溫度。從控制信號u(t)到水的溫度c(t)可以看作是廣義被控對象。當控制信號u(t)=4V時，水的溫度最高為100ºC。被控對象具有慣性特性，故可以采用PID控制設計。設計被控對象的模糊控制系統(tǒng)，寫出模糊規(guī)那么與PID控制相結(jié)合實現(xiàn)對熱水器進行控制。二 模糊控制器的設計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為輸出控制量。設T為熱水器

4、當前溫度，Ts為設定溫度。那么溫度偏差e=T-Ts,溫度偏差變化率為單位時間內(nèi)的溫度偏差改變量。設定變量e、ec、u的模糊論域均為-6 6，在論域上均有7個語言變量描述：NL負大、NM(負中)、NS負小、ZO零、PS正小、PM正中、PL正大，語言值的隸屬度函數(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)類型及拐點的參數(shù)設計數(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負大三角形-6 -6 -4NM(負中)-6 -4 -2NS負小-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“負小；(3)如果“偏差是“零，且“偏差變化是“負中或“負大那么控制輸出量為“正中；(4)如果“偏差是“零，且“偏差變化是“負小那么控制輸出量為“正?。?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“負小；(6)如果“偏差是“零或“正小，且“偏差變化是“負中或“負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“負小，且“偏差變化是“負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“負大或“負中那么控制輸出量為“正中；(12)如果“偏差是“負中，且“偏差變化是“正小那么控制輸出量為“負大；(13)如果“偏差是“負大，且“偏差變化是“正值那么控制輸出量為“負大；(14)如果“偏差是“負中，且“偏差變化是“負大或“負中，那么控制輸出量為“負中；(15)如果“偏差是“負小，且“偏差變化是“正大或“正中，財控制輸出量為“負中；(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?。?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“負中或“負大，且“偏差變化是“負中或“負大，那么控制輸出量為“正?。?19)如果“偏差是“負中，且“偏差變化是“零或“負小，那么控制輸出量為“負?。?20)如果“偏差是“負大，且“偏差變化是“零或“負小，那么控制輸出量為“負中。3.模糊控制器的設計1編輯名稱為“weather的溫度模糊控制系統(tǒng)FIS1) 增加一個輸入變量；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e、ec、u進行編輯。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)的選擇對于模糊控制器來說，輸入變量的論域，根據(jù)專家經(jīng)驗系統(tǒng)偏差e=T-Ts的值大于或等于20ºC，應該是語言值的最大值“PL, e的值小于等于-20ºC，就是“NL，那么偏差e的論域為【-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的論域為【0 5】V，其最大值為5V，初選時最大增量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，系統(tǒng)由PD模糊控制器其調(diào)節(jié)作用；當系統(tǒng)偏差較小時，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為時間常數(shù),T=60s;K為放大系數(shù),階躍響應實驗時,廣義輸入控

10、制信號為4V,被控對象輸出穩(wěn)定在90,因此放大系數(shù) K =80/4 =20/V;響應輸出無滯后,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)框圖有了對象的初步摸型，就可與以模糊控制系統(tǒng)進行仿真,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。模糊控制器的兩個輸入上限幅均為6,下限幅為-6;控制信號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中進行仿真 ,給定輸入溫度為80,得到系統(tǒng)響

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