第２６卷第３期 ２０１３年５月 文章编号：１００２—６６７３（２０１３）０３—１３３—０３ 机电产品开发白刨新 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．３ Ｍａｖ．．２０１ ３ 基于模糊控制算法的温度控制系统设计 鲁可，张晓东，俞盛恺 （河南工业大学电气工程学院，河南郑州４５０００１） 摘 要：论文选择直热式热水锅炉内的温度为被控对象，将模糊控制和温度控制结合在一起进行研究，根据 实际控制需求设计了相应的硬件电路和软件流程以及相对应的程序，采用键盘输入温度和实现 ＬＥＤ显示系统在设定温度和测量温度之间的转换，以单片机ＡＴ８９Ｃ５１为核心设计温度控制系统， 最后用Ｍａｔｌａｂ软件进行仿真．通过仿真结果对比模糊控制和传统ＰＩＤ之间的优劣。 关键词：模糊控制；温度控制；Ｍａｔｌａｂ 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１３．０３．０５５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｚｚｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ＬＵ Ｋｅ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－Ｄｏｎｇ，ＹＵ Ｓｈｅｎｇ－Ｋａｉ （Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｈｅｎａｎ ４５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｏｔ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｈｅａｔｉｎｇ ｂｏｉｌｅｒ ｉｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｂｊｅｃｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｆｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ａｎｄ ｐｒｏｇｒａｍ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃ— ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｄｅｍａｎｄ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ ｋｅｙｂｏａｒｄ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｉｎｐｕｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ＬＥＤ ｄｉｓｐｌａｙ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｅｔ ｔｅｍ－ ｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｄｅｓｉｎ ｏｆ ｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ＡＴ８９Ｃ５１．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｍａｄａｂ ｉｓ ａｐｐｈｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｍａｔｌａｂ ０引言 在工业生产中，绝大部分都需要考虑温度的影响， 例如钢铁冶炼中的热处理或者塑料生产的定型，都是通 的现象，同时可以提高控制效果和控制精度。本文选择 直热式热水锅炉内的温度为被控对象，将模糊控制算法 和温度控制结合在一起进行研究．设计出一种基于模糊 控制算法的温度控制系统，并将其与传统ＰＩＤ控制进行 系统仿真比较，体现出较好的优越性。 过对温度的控制，从而达到产品的生产工艺［１ｌ。在科技的 迅速发展之下，自动控制系统应用的领域越来越广泛， 同时对系统的稳定性，精确性和响应的速度以及系统自 调节能力的要求也越来越高。由于工业生产中的生产过 程或者被控对象的非线性和时变性，以及外部因素带来 １系统硬件设计 本文系统硬件由外部电源电路，温度检测电路、温 度显示电路、单片机最小系统电路、键盘输入电路和温 度控制电路组成［３１。外部电源为整个控制系统提供电能： 温度检测电路将检测到的温度信号转换成标准的电压信 号输入单片机在ＬＥＤ上显示出来；键盘输入电路输入给 定的设定量，单片机系统根据输入量和检测量以模糊控 制算法为基础求出控制值， 固态继电器作为执行器调 整温度的高低。硬件原理 框图如图１所示。 的随机扰动和不确定因素使被控对象模型的建立很难做 到精确［２１。 目前。国内各个行业中温度控制系统的主要的成熟 产品还是以常规ＰＩＤ温度控制器为主。对于一般的温度 系统，ＰＩＤ温度控制器已经能够很好的适应，但是面对 一些复杂的、时变性和滞后性强的温度控制需求，传统 ＰＩＤ控制器还较难控制。将模糊控制算法应用到温度控 制系统中，能够克服温度控制系统中存在的滞后性较强 修稿日期：２０１３—０３—１９ ２系统软件设计 图１硬件原理框图 作者简介：鲁可（１９８１一），女，河南新郑人，工学硕士，讲师。 主要研究方向：虚拟现实、机器人图形学及软件技术。 整个系统的工作可以概括为先用键盘输入一个预期 １３３ ・测试与控制・ 温度．然后传感器测量得到另一个实际温度，再求出预 期温度与检测温度之间的差值，最后根据模糊算法调节 隶属度变量＼ 表１模糊集的隶属度量 －３ －２ —１ Ｏ ＋１ ＋２ ＋３ 输出控制器。使输出温度达到预期值［４１。 ２．１模糊运算模块 在模糊运算模块中，模糊控制系统的设计尤其重 要，其组成如图２所示［５１。模糊控制系统一般可以分为五 个部分： 输 ＰＢ ＰＭ ＰＳ ０ ０ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ Ｏ－２ ０．１ ０．２ Ｏ．５ Ｏ－３ ０．５ １ ０．５ １ Ｏ．５ １ Ｏ．５ Ｏ．３ Ｚ０ ＮＳ ＮＭ ＮＢ Ｏ Ｏ－３ ０．５ １ Ｏ．２ ０．５ １ Ｏ．５ ０．５ １ ０．５ ０＿３ １ Ｏ．５ ０．２ ０．１ ０．５ Ｏ－２ Ｏ Ｏ ０．２ ０ Ｏ ０ ０ Ｏ ０ ０ 法。例如本文炉温的加热系统，有如下模糊规则：若温 度很高，且温度上升很快，则停止加热；若炉温很低， 图２模糊控制系统 且炉温不再上升，则快速加热等等。根据前面将误差． （１）模糊控制器。它是模糊控制系统的核心，它的主 要工作是完成系统模糊推理过程与根据输入量和模糊运 误差变化和控制量都取了７个语言值，即｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ， ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢｌ。根据以下控制规则ｉｆ Ｅ ｉｓ ＰＢ ａｎｄ ＥＣ ｉｓ ＮＢ，ｔｈｅｎ Ｕ ｉｓ ＺＯ和ｉｆ Ｅ ｉｓ ＰＢ ａｎｄ ＥＣ ｉｓ ＮＳ，ｔｈｅｎ Ｕ ｉｓ 算做出模糊控制。模糊控制器的设计途径有根据专家的 知识和经验、建立熟练操作工的控制模型和建立被控对 象的模糊模型同。 （２）输入一输出接口。其作用是在模糊控制器和被控 ＮＭ等［９１，可以得到表２。 表２模糊控制规则表 ｕ Ｅ 对象直接转换传送，在输入一输出接口装置中，不仅要 有Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ的转换器．还需要有电平转换。 （３）执行机构。其主要功能就是根据模糊控制器输出 对被控对象经行控制，主要是由电动机组成。 ＥＣ ＮＢ ＮＭ ＮＳ Ｚ０ ＰＳ ＰＭ ＰＢ ＰＢ ＰＭ ＰＳ Ｚ０ Ｚ０ ＰＳ ＰＭ ＰＢ Ｚ０ ＺＯ ＰＳ ＰＭ ＮＳ ＺＯ ＺＯ ＰＳ ＮＭ ＮＳ ＮＳ Ｚ０ ＮＢ ＮＭ ＮＭ ＮＳ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＭ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＳ ＮＭ ＮＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＭ ＰＢ ＰＢ ＰＭ ＰＭ ＰＢ ＰＳ ＰＳ ＰＭ Ｚ０ Ｚ０ ＰＳ ＮＳ ＺＯ Ｚ０ ＮＭ ＮＳ ＺＯ （４）被控对象的范围很广，它可以是一种设备或装置， 也可以是一个生产的、生物的或其他的各种的对象过程。 （５）检测装置又可以称作传感器，它是将非电量的被 控量转化为电信号的装置。一般情况下，传感器的精度 会对整个模糊控制系统的精确度造成直接影响，在模糊 控制系统中传感器的地方十分重要。因此应该选择精度和 稳定性都相对不错的传感器作为整个系统的检测装置 。 ３系统仿真 本文中被控对象是电锅炉的温度，可以近似用一阶 惯性纯滞后环节来表示，设传递函数为： Ｇ（ｓ）＝—ＴＳ ＋一Ｉ。 ２．２设定系统 整个模糊控制系统的核心是模糊控制器，设计一个 式中，Ｋ一对象的静态增益；Ｔ一对象的时间常数； Ｔ一对象的纯滞后时间。 合理的模糊控制器对整个模糊控制系统的运行非常重 要。模糊控制器一般由模糊化接口、模糊推理机、解模 糊接口和知识库组成。一般来说，一个语言变量的语言 ３．１传统ＰＩＯ控制仿真 ＰＩＤ控制器是一种线性控制器，偏差ｅ（ｔ）：ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ） 一ｙ（ｔ）。将偏差ｅ（【）的比例、积分和微分通过线性组合构成 控制量．因此称为ＰＩＤ控制，其系统原理如图３所示。 值越多。对事物的描述就越准确嗍。 在本文中设定系统偏差Ｅ＝现行温度值一设定温度 其控制规律写成传递函数形式为： Ｇ（ｓ）＝ＫＰ（１＋ 一＋ Ｉ ） １１Ｓ 值，其论域为Ｅ，划分７个等级，即Ｅ＝卜３，一２，一１，０，＋ １，＋２，＋３｝，相应的模糊集合为｛负大（ＮＢ），负中（ＮＭ），负 小（ＮＳ）。零（ＺＯ），正小（ＰＳ），正中（ＰＭ），正大（ＰＢ）｝。设定 偏差变化为Ｅｃ＝Ｅ１一Ｅ２，其对应的论域为Ｅｃ，系统的输 式中：Ｋ厂比例系数；ＫＩ一积分时间常数；ＫＤ一微 分时间常数［姗。采用Ｍａｔｌａｂ中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行控制算法 出控制量设定为Ｕ，其对应的论域为Ｕ。将偏差变化和 输出控制量都同Ｅ一样划分７个等级，也划分为对应的 模糊集合。其次是确定各语言变量的隶属度函数，模糊 语言值实际上是一个模糊子集，而语言值最终是通过隶 属度函数来描述的。可以得到对应的隶属度量见表１。 的仿真设定温度Ｔ＝９０％。根据仿真得到下面的响应曲线， 见图４。 ３．２模糊算法控制仿真 这里采用常规的双输入单输出型的二维模糊控制 器．以误差Ｅ和误差变化ＥＣ作为输入量，经模糊化， 按模糊控制规则定出输出量Ｕ作为控制量 。 最后是模糊控制规则的建立，通常采用经验归纳 １３４ ・测试与控制・ ４结论 通过将ＰＩＤ控制仿真得到的响应曲线图和模糊控制 仿真响应曲线图对比，可以看出，模糊控制比传统ＰＩＤ 控制，响应时间短、超调量小，稳态精度高、系统遇到 图３ ＰＩＤ控制系统原理图 干扰时能很快恢复稳态，动静态性能好。而且这种方法 抗干扰能力也很强，同时对一阶惯性滞后环节的适应 能力很强．由于一般温控对象的数学模型可用一阶惯 性滞后环节来描述．因而这一控制方法对温控场合的 适用性很强。所以可以得出基于模糊控制的温度控制 系统，比传统的ＰＩＤ温度控制系统更具优越性。 参考文献： ［１］赵志正．橡胶工业制品的生产【Ｍ】．北京：化学工业出版社，１９８５． 首先确定模糊控制器，对输入输出量的隶属函数进 行编辑。在模糊控制器中打开Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｅｄｉ— ｔｏｒ窗口。单击［Ｅｄｉｔ］标签，选中其中子标签［Ａｄｄ ＭＦＳ】， 响应曲线 选择隶属函数曲 １２０ １００ 线为７．类型默 ‘一 …＼一 …＿厂弋 ＼一 ／ Ｔ／℃８０ ６０ ４ｏ ２０ ０ 认为ｔｒｉｍｆ：根据 之前确定的模糊 子集［ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ， ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ】， 【２】章卫国．模糊控制理论与应用呷．陕西：西北工业大学出版社，１９９９． 【３】常江．自适应模糊控制方法在温度控制上的研究【Ｄ］．四川：西华大 学。２００９． ／ ｌ００ ２００ ３００ ４ＯＯ ５００ ６００ ７００ ｔｉｍｅ／ｓｅｃ 选择要编辑变量 图４哪控制仿真响应曲线 的图标．确定当 响应曲线 ［４】司绍伟．一种温度控制系统的设计与应用［Ｊ】．河北工程技术高等专 科学校学报，２００６，１． 前变量的论域范围 卜３ ３】，将各变量的 隶属函数改为与其 对应模糊子集的模 １２０ １００ 帅 ／／ ［５】郑炳坤．简单的温控箱温控电路［Ｊ］．仪器与未来，２００５，７． 【６】窦振中．模糊逻辑控制技术及其应用［Ｍ】．北京：北京航空航天大学 出版社．２００１． 【７】丛丽莉．基于模糊算法的渗碳炉温度和碳势在线测控系统研究［Ｄ】． 辽宁：辽宁工程技术大学．２００９． 糊语言值［１２ｌ。然后 打开模糊规则编辑 窗口，以Ｉｆ．一ａｎｄ… Ｔｈｅｎ…的格式写模 ［８】李雪梅．基于模糊控制的电炉温度器的研究与实现时．山东大学，２００９． ｜ ｎ １００ ２【ｘ】 ３００ ４０ｏ ５００ ６００ ７００ ｔｉｍｅ／ｓｅｃ ［９］黎惠成．一种基于模糊控制的温度控制系统设计ｆＪ１．计算机技术与 发展，２００９，１９． 糊控制规则，根据 图５模糊控制仿真响应曲线 ［１０】王吉龙．基于模糊ＰＩＤ的温度控制系统［１．电子工程师，２００８，ｆ５． 【１１］吉珍珍．锅炉内胆温度的模糊控制算法的仿真研究【Ｄ】．西安：西 安交通大学．２０１１． 前面的模糊控制规则表可以得出共有４９条控制规则。 最后在Ｍａｔｌａｂ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具中进行系统仿真，得到 模糊控制的响应曲线，见图５。 【１２］徐红明．船舶柴油机缸套冷却水温度模糊ＰＩＤ自适应控制及仿真 ［Ｊ］．造船技术，２０１０，２． （上接第１２５页）关联数据库将数据保存在不同的表中， 而不是将所有数据放在一个大仓库内。这样就增加了速 ６应用效果 通过过刊杂志的科学管理．采用该过刊快速查询管 理系统软件，由于能快速查找到过刊杂志在图书馆摆放 的具体位置，缩短了读者在馆查找图书所需的时间，提 高了图书的利用率，提高了我馆过刊管理的服务质量． 受到广大读者的好评。 度并提高了灵活性。ＭｙＳＱＬ的ＳＱＬ语言是用于访问数 据库的最常用标准化语言。ＭｙＳＱＬ软件采用了双授权政 策，它分为社区版和商业版，由于其体积小、速度快、 总体拥有成本低，尤其是开放源码这一特点。一般中小 型网站的开发都选择ＭｙＳＱＬ作为网站数据库。 通过开发构建以书名、出版年月、摆放地址信息的 系统管理数据库软件，把按书名、出版年月、摆放地址 参考文献： 【１】赵文涛．数据库系统原理【Ｍ】．中国矿业大学出版社，２００６． 【２】刘中兵，李伯华，邹辰．ＪＳＰ数据库项目案例导航［Ｍ】．清华大学出版 社．２００６． 信息输入管理系统软件后，查询时只要在查询界面输入 要查询过刊的书名及过刊的出版年月进行查询。就会输 出所需过刊在架摆放的准确地址，利用输出的地址就很 容易在对应地址书架上查找到所需的过刊，缩短了读者 查询时间，提高了过刊的利用率。 ［３］潘演生．图书馆管理工作［Ｍ］．北京图书馆出版社，２００１． ｆ４】郑阿奇．ＡＳＰ程序设计教程［ＭＪ．机械工业出版社，２００５． １３５
