張立眾, 馬永翔

(陜西理工大學(xué)， 陜西 漢中723003)

溫度控制一直以來就是工業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié).以前都是采用傳統(tǒng)控制結(jié)合比較簡單的控制算法，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)溫度的要求.而溫度的單向升溫性以及滯后大慣性大等特點(diǎn)則使得傳統(tǒng)控制理論已經(jīng)無法滿足控制要求.為了克服以上缺點(diǎn)，在溫度控制系統(tǒng)中引用了模糊控制，用模糊控制器代替經(jīng)典控制器，控制效果得到了明顯的改善.

隨著現(xiàn)代工業(yè)(像機(jī)械、化工以及冶金等工業(yè))制造的迅速發(fā)展，電加熱爐在許多領(lǐng)域中也有了更加普遍的運(yùn)用.但是溫度控制存在滯后、慣性大、非線性大等不利因素，傳統(tǒng)控制無法解決這些問題，而自適應(yīng)積分分離PID控制不僅算法簡單，控制結(jié)果簡單，效果顯著，就連計(jì)算量也小，而且靜動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)好，完全可以解決上述問題.

當(dāng)系統(tǒng)是非線性時(shí)變系統(tǒng)時(shí)，單純的PID算法就能夠得到比較理想的效果.可是，當(dāng)系統(tǒng)模型為參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)時(shí)，運(yùn)用參數(shù)已經(jīng)調(diào)整好的PID控制器，不僅系統(tǒng)控制性能會變差，更可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.模糊控制器雖然能夠應(yīng)用于被控對象為非線性與時(shí)變性的系統(tǒng)，并擁有較好的魯棒性，但是穩(wěn)態(tài)控制精度比較差，很難實(shí)現(xiàn)精確控制，尤其在平衡點(diǎn)附近.模糊控制器沒有積分控制，系統(tǒng)靜差難以消除.因此，單純的采用模糊控制同樣不能得到想要的控制效果.于是,工業(yè)過程控制中大多都是把模糊控制器和其他控制器結(jié)合使用，本文所采用的所用的本文將模糊控制和PID控制結(jié)合起來，構(gòu)建自適應(yīng)模糊PID控制器，來控制電阻爐溫度就能夠很好地彌補(bǔ)上述兩個(gè)方法的缺陷[1-3].本文通過使用Matlab/SIMULINK這個(gè)軟件來搭建傳統(tǒng)PID溫度控制系統(tǒng)與自整定模糊PID溫度控制系統(tǒng)的模型，對其進(jìn)行仿真分析，從仿真結(jié)果可知模糊PID控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)，控制速度要快，穩(wěn)定性要高，更有應(yīng)用價(jià)值.

1 模糊控制系統(tǒng)的組成及被控對象

模型確立

如今的工業(yè)控制控制過程中普遍存在著時(shí)滯現(xiàn)象.但是許多的時(shí)間常數(shù)特別大的系統(tǒng)可以運(yùn)用純滯后環(huán)節(jié)與一些時(shí)間常數(shù)去近似.電加熱爐溫度控制系統(tǒng)就可以用階躍響應(yīng)來表示.被控對象的數(shù)學(xué)模型所用傳遞函數(shù)可以用式(1)表示：

(1)

由于電加熱爐具有時(shí)變，非線性以及分布參數(shù)等特性，因而作為被控對象是非常復(fù)雜的.

工作原理：被熱電偶檢測到溫度值變成毫伏的電壓信號值，被溫度變送器放大然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再送入計(jì)算機(jī)，通過與與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后，輸出驅(qū)動(dòng)信號，從而控制光控可控硅的導(dǎo)通與否.如果檢測所得實(shí)際值比給定值要高就報(bào)警，如果比給定值要低那么就繼續(xù)加熱，以此來實(shí)現(xiàn)溫度的控制[4-5].

采用對過程對象施加階躍輸入信號，測取過程對象的階躍響應(yīng)，然后根據(jù)階躍響應(yīng)曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)[6],得到電阻爐模型為

由于模糊控制算法也屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制算法當(dāng)中的一種，所以它的系統(tǒng)組成與數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式基本相同，模糊控制系統(tǒng)通常有5部分：模糊控制器、I/O接口裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象和檢測裝置.

1.1 建立溫度模糊控制器

模糊控制器的輸入變量是溫度偏差，是指實(shí)際測量溫度與給定溫度之差e及偏差變化率ed.輸出脈沖寬度調(diào)制信號控制發(fā)熱電阻的功率大小，從而調(diào)節(jié)溫度箱內(nèi)溫度的高低升降，形成雙輸入單輸出二維的模糊控制器 .

模糊控制器建立過程：

隨著當(dāng)前醫(yī)療技術(shù)水平的不斷發(fā)展，剖宮產(chǎn)已經(jīng)成為了一種比較常見的分娩方式，能夠降低患者的疼痛，排除一些其他的危險(xiǎn)因素，保證產(chǎn)婦以及新生兒的生命安全，目前的應(yīng)用十分廣泛[1]。在這種情況下，疤痕子宮產(chǎn)婦的數(shù)量出現(xiàn)了顯著的增加，再次分娩當(dāng)中方式選擇更為重要，這是因?yàn)榕c非疤痕子宮產(chǎn)婦來說，疤痕子宮產(chǎn)婦進(jìn)行再次剖宮產(chǎn)的過程中，會存在比較大的危險(xiǎn)性，對產(chǎn)婦的生命安全產(chǎn)生了一定的威脅[2]。因此，本研究于收治的剖宮產(chǎn)產(chǎn)婦中進(jìn)行抽樣，選取108例疤痕子宮再次妊娠二次剖宮產(chǎn)作為對照組，同期選取108例非疤痕子宮剖宮產(chǎn)作為觀察組，對疤痕子宮再次妊娠二次剖宮產(chǎn)與非疤痕子宮剖宮產(chǎn)的情況進(jìn)行對比探究。

1)首先運(yùn)用Matlab中的FIS編輯器 ，來建立溫度箱的Mamdani型模糊控制器.溫度偏差e和溫度偏差變化率ec及輸出變量u的語言變量E，EC，U都一律選擇為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，其中P表示正和N分別表示負(fù)，B，M，s分別表示大、中、小，z表示0 .

通過e、ec和u實(shí)際的基本論域，E、EC和U論域都設(shè)定為[-3,3],從而確定出量化因子Ke、Kc和比例因子Ku.

2)控制決策隸屬函數(shù)的建立

采用系統(tǒng)默認(rèn)值來處理模糊控制決策及解模糊方法的問題，就是極大極小合成運(yùn)算與重心法解模糊的方法.輸出變量的模糊集合是由模糊控制決策公式求出：U=(E×EC)R.

隸屬函數(shù)一律采用三角形，E和Ed和EC的量化論域都是[-3，3]；不同的系統(tǒng)有著不同的模糊集的隸屬函數(shù)是, 要根據(jù)具體情況而定.

本次模糊控制器采用Mamdani推理型. 它屬于雙輸入、單輸出結(jié)構(gòu): 輸入量E是設(shè)定的電阻爐溫度值與采樣值之間的偏差 和溫度偏差值的變化率EC;輸出量U為溫度控制量.

4)系統(tǒng)模糊控制規(guī)則建立的基本原則

當(dāng)溫度偏差e較大時(shí)，以盡快消除誤差為主選擇控制量；當(dāng)溫度偏差e較小時(shí)，要注意遵守防止超調(diào)的原則選擇控制量，主要出發(fā)點(diǎn)以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主.具體包括：①精確量的模糊化過程. ②模糊控制算法. ③模糊判決.

1.2 進(jìn)行Matlab的仿真

在檢驗(yàn)溫度模糊控制器設(shè)計(jì)的性能中, 及時(shí)調(diào)整模糊控制器的控制規(guī)則和各項(xiàng)參數(shù), 這是在Matlab 軟件仿真中進(jìn)行的.本次設(shè)計(jì)利用Matlab 軟件中的Fuzzy Logic Too box 和Simulink 圖形化工具平臺, 實(shí)現(xiàn)電阻爐模糊控制設(shè)計(jì)與仿真.

首先建立好被控對象的數(shù)學(xué)模型.然后進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)的仿真, 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型通常采用階躍響應(yīng)法來獲得的，近似等效為帶純滯后的一階對象.

(2)

模糊控制仿真的過程中, 溫度箱模糊控制器的建立是通過Matlab的模糊邏輯工具箱來完成的,通過Simulink環(huán)境下把模糊控制器加載進(jìn)相應(yīng)模塊, 完成仿真.量化因子Ke=0.005，Kec=0.05，Ku=-200，模糊控制器的封裝以及階躍響應(yīng)曲線分別如圖1、2.

圖1 系統(tǒng)仿真模型圖

圖2 階躍響應(yīng)曲線

由圖2可知, 在超調(diào)量和抗干擾能力方面的性能指標(biāo)都好于PID 控制器, 動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度更好.

1.3 與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的比較

PID控制是偏差比例(P)、偏差積分(I)、偏差微分(D)控制的簡稱.PID控制器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式為：

Gc(s)=Kp+Ki/s+Kds

(3)

Kp為比例放大系數(shù)；Ki為積分放大系數(shù)；Kd為微分放大系數(shù).控制器的關(guān)鍵是確定三個(gè)放大系數(shù)值，在Simulink 中搭建PID系統(tǒng)控制模型如圖3.PID仿真結(jié)果見圖4.

圖3 PID系統(tǒng)控制模型

圖4 PID控制仿真

經(jīng)過對PID控制和模糊控制兩種方案的仿真研究和分析，從下表中明顯看出：模糊控制和 PID控制相比，調(diào)節(jié)時(shí)間基本相等，但PID控制超調(diào)為2%，而模糊控制無超調(diào).

2 結(jié) 語

通過使用Matlab/SIMULINK這個(gè)軟件來搭建傳統(tǒng)PID溫度控制系統(tǒng)與自整定模糊PID溫度控制系統(tǒng)的模型，并對它們進(jìn)行仿真分析，從仿真結(jié)果可知模糊PID控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)，控制速度要快，穩(wěn)定性要高，更有應(yīng)用價(jià)值.

[1] 湯紅成,李著信,王正濤.一種模糊PID控制系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2005,9(2):136-138.

[2] 吳為明，王仁麗.溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況[J].工業(yè)爐，2002，24(20)18-20.

[3] 耿 瑞.基于Matlab的自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真[J].信息技術(shù)，2007(1):43-46.

[4] 鄧 瑋,張寶平.模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)與Matlab仿真[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24(2)：50-52

[5] 宋立芳,張永利.楊 莊，等.基于預(yù)測的模糊自整定PID溫度控制系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2006,6(14)：2142-2147.

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