基于模糊控制算法的温度控制系统的设计DOC.docx

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基于模糊控制算法的温度控制系统的设计DOC

本科生毕业论文（设计）

调研报告

题目：

基于模糊控制算法的

温度控制系统的设计

学生姓名：

学号：

专业班级：

指导教师：

完成时间：

年月日

基于模糊控制算法的温度控制系统的设计

一、主要目标任务：

综合运用所学知识，如《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《自动控制原理》、《微机原理》、《单片机原理与应用》，设计一个基于模糊控制算法的温度控制系统。

1）对以前所学知识进行系统的复习，全面的综合并将其联贯。

2）学会了独立的分析和解决问题和进行相关社会调查的能力

3）学会了查阅文献的方法和培养查阅文献的良好习惯。

4）提高专业相关外文的阅读、翻译能力。

提高专业英语水平。

5）提高编写程序的水平，优化软件结构。

提高电脑绘图水平。

二、技术性能指标：

1）温度控制在0~100度（水温），误差为±0.5。

C。

2）恒温控制。

3）LED实时显示系统温度。

并通过键盘输入给定温度

三、简要工作原理

以AT89C51单片机为模糊控制器，结合温度传感变送器，A/D转换器、LED显示器、静态电子开关等，设计出一个基于模糊控制算法的温度控制系统。

在系统中，温度传感变送器获得温度的感应电压，转变成1~5V的标准电压信号，再由A/D转换器转换成数字信号进入单片机内部。

单片机将给定电压的A/D转换结果与测量电压的结果相比较，得出偏差量。

然后跟据模糊控制算法得出控制量。

在执行器中由开关频率较高的静态电子开关完成，采用模拟的PWM控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间。

从而调节加热开关的导通时间，以达到控制效果的目的。

四、课题文献综述

1、《动力锅炉燃烧系统的模糊控制策略》

1）作者：

刘向杰、柴天佑、刘红波

2）摘要：

基于模糊控制策略给出了锅炉系统新的控制方法。

工业锅炉的主要动态包括非线性、非最小相位特征、不稳定性、时滞和负荷干扰，采用传统控制方法难以实施有效的控制。

运用GPE（Gausianpartitionwithevenlyspacedmidpoints）模糊控制系统对锅炉对象的主汽压进行研究和实时控制，模糊控制器能够克服许多干扰因素，产生良好的控制效果，最后给出了模糊控制同传统方法的比较结果。

3）模糊控制器的应用

本文的线性推理规则表示：

IFerrorisEjandrateisRjTHENoutputisU（i+j）。

Ei代表着一个误差模糊，Rj代表一个误差变化率模糊集，U（i+j）代表着一个输出量模糊集。

4）实施结果

上述控制策略用于现场实际对象，尽管现场运行存在很大的干扰，主汽压仍然显示良好的跟踪效果。

可以看出其的主要特征是强干扰及动态变化模糊控制器能够克服许多干扰素，显示了强鲁棒性并产生了良好的控制效果。

2、《模糊控制在水厂混凝投药系统中的应用》

1）作者：

王强、周建萍

2）摘要：

针对给水平混凝剂投放控制系统中存在的非线性、时滞性和模糊性等问题，结合工程实例提出了模糊控制的思想，介绍了混淆是非凝模糊控制系统的组成，说明了混凝模糊控制器的设计方法。

3）混凝投药控制模糊系统的设计

输入E和输出U的论域分别分为7个和9个等级。

对于浊度E和输出输出控制U取模糊语言值均为：

{PB（正大）、PS（正小）、ZO（零）、NS（负小）、NB（负大）}

可以得出基于手动操作人员长期积累的经验和专家的有关知识确定混凝控制的规则库，它包含以下5条规则。

若E为NB则U为PB；

若E为NS则U为PS；

若E为ZO则U为ZO；

若E为PS则U为NS；

若E为PB则U为NB；

4）结束语：

混凝模糊控制是总结熟练操作人员专家的经验形成控制规则而实施控制的一种先进方法。

这种控制系统运行至今，工作稳定可靠，动态性能好。

它有效地克服了传统控制方法中过程复杂、结果不准确、对变化及干扰适应和抑制能力差等不足之处。

3、《单片机在退火炉炉温模糊控制中的应用》

1）作者：

周景振

2）摘要：

讨论了利用模糊控制技术设计的单片机模糊炉温控制系统，并将其应用于退火炉炉温控制上。

试验表明，这种控制系统比传统的PID调节控制系统精度高、速度快

3）制器的设计

　　考虑到退火炉炉温具有非线性、时变等特点，单片机模糊炉温控制器采用模糊控制理论，通过总结操作人员对过程的操作和控制的经验，用模糊条件语句构成控制规则，采用极大极小合成运算原理，从而得到一个模糊炉温控制模型。

模糊控制器的控制步骤大体分三步：

精确量模糊化、模糊推理、解模糊。

4）模糊控制规则推理

　　在单片机模糊炉温控制系统中，采用IfAiandBiThenCi为模糊控制规则。

其中，Ai为误差模糊子集，Bi为误差变化模糊子集，Ci为输出量模糊子集。

为了充分利用模糊控制量向量所取得的信息，本控制器系统采用加权平均法将模糊控制向量转化为精确控制向量。

4、《分户热计量供热系统中的分户温度模糊控制》

1）作者：

刘曼兰，王可崇

2）摘　要：

房间温度控制是典型的时变迟滞系统，用常规PID控制方式很难实现有效控制，而常规FUZZY控制因其稳态性能不佳，又不能满足某些分户热计量供热系统中的分户智能温控装置对室内热环境实现智能控制的稳态温差不超过±1℃的要求。

笔者设计出了一种行为自校正模糊控制器，应用到某分户热计量供热系统中的分户智能温控装置中，通过MATLAB仿真结果表明：

该行为自校正模糊控制器的性能优于常规FUZZY控制器和PID控制器。

3）行为自校正模糊控制器的基本原理

　　对于一个已经设计好的经典模糊控制器，由于其控制规则不够完善，则在某些情况下，当系统的内部参数发生较大变化时，其控制效果往往不佳。

若在该模糊控制器的基础上，再增加一个性能测量环节，一个控制量校正环节，所得到的校正量与原模糊控制器输出的控制量叠加在一起，形成新的控制量，这样就能实现对原控制量的校正，这就相当于对原控制规则进行了修改，从而构成一种改进的行为自校正模糊控制器。

4）结果分析　　

　　行为自校正模糊控制既克服了PID控制对系统参数适应能力差的弱点，又克服经典模糊控制稳态误差比较大的缺点。

行为自校正模糊控制比PID控制有更强的鲁棒性，比经典模糊控制有更小的稳态误差。

而且其控制效果完全满足某分户热计量供热系统中的分户智能温度控制系统所提出的控制性能指标。

　　但该行为自校正模糊控制器没有解决因模糊量化取整运算而引起的量化误差和调节死区的问题。

因此在稳态阶段，仍有一定的稳态误差，甚至可能会有稳态颤振现象。

笔者认为如果对E，EC，U，P都不采用模糊量化取整运算，而是采用模糊数模型在线插值的方法，则能从本质上消除这种稳态误差。

5、《挖掘机液压系统模糊控制方法的研究》

1）作者：

李克杰

2）液压系统控制的基本内容

液压系统是挖掘机实现各种运动和进行自动控制的基础。

从某种意义上来讲，液压系统的性能决定着挖掘机的质量与工作效率。

现代挖掘机能够根据工作环境和作业条件，自动实现分功率的变量与全功率变量，以保证任何情况下发动机均不超载，使发动机运行平稳且功率得到充分利用；还应设置减速系统（Auto　Slow）和负控制系统（NegativeControl），以便当其工作装置不动作时，使发动机油门自动减小，并使液压泵排量减至最小以节省能量。

根据挖掘机工况变化大而快这一特点，为有效利用以动机功率，且保证安全，正常作业，现代挖掘机控制系统应具有下列功能：

（1）速度传感 检查发动机转速是否在输出范围内，并控制液压泵驱动扭矩使二者匹配及防止发动机熄火。

（2）流量分配控制为实现工作装置的联合动作，需对每执行元件（如斗杆液压缸、铲斗液压缸等）提供不同的压力和流量。

当液压系统只有一台主泵时，通过流量分配控制使各执行元件同时动作，满足不同作业的要求。

（3）行走马达控制设置高速、中速、低速行走自动选择系统，实现机器行走随外载荷变化自动无级调速，使行走速度与操纵手柄原位置相对应。

（4）预热在液压油温低于某一界线时，发动机转速自动增高，液压磁流量即随之增加，液压系统很快被加热。

（5）突发增力对主溢流阀施以背压，使系统溢流额定压力上升，短时间提高作业功率。

以上功率的实现，多与对液压系统的控制有关。

 由于液压系统的信息具有模糊性、不确定性和偶然性，分析和实践表明，模糊控制非常适用这一类系统控制。

3）液压系统模糊控制

 模糊控制系统的核心是模糊控制器，由模糊化、模糊推理、模糊判决（反模糊化）三部分组成，模糊控制工作原理见图1，其中虑线部分表示模糊控制器；e、ec分别表示实测值与设定值的偏差及偏差变化率；E，EC为模糊化的偏差及偏差变化率；u表示模糊控制量，u*为标度变换前的精确量；K1、K2、K3皆为标度变换系数；r、y分别为输入量和输出量。

 对于变负载情况的进、回油旁路节流调速液压系统，采用均匀分布的隶属度函数曲线；控制总表生成时，首先将三个语言变量e、ec和u划分为7挡，即用7个模糊子集；正大（PL），正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NL）表示。

e、ec相应于各模糊子集的取值，即为隶属度。

它表示某一确定量对模糊子集的隶属程度。

  控制规则确定了输入e和ec与输出u之间的某种关系，是由“F..THEN.”的条件语句来描述的：

IFeisAAMD（or）ecisB,THENuisC。

4）外载荷变化使液压泵输出压力在系统溢流阀调节压力范围内变化时，由模糊控制可得到接近发动机额定功率的变化规律，且最大的差值不超过5%。

而一般的工程机械用发动机的扭矩储备系数为1.06--1.14左右。

因此，由模糊控制委动机自身特性的结合，完全可以使发动机稳定正常的工作。

6、《热电阻在烟叶初烤炕房温度控制中的应用》

1）作者：

高明远

2）摘要：

以炕房温度工艺要求为例，介绍了以单片机为核心、以Cu50为传感器的温度控制装置。

实践证明温度测量电路新颖、测量比较精确，装置控制性能良好。

3）硬件设计

本系统选用AT89C51作为CPU。

根据本系统的测量精度和控制精度要求，本装置选择了热电阻式传感器Cu50作为测温传感器[3]。

Cu50测温范围-50℃~+150℃，工作范围20℃-80℃，线性度好，灵敏度高，价格适中，满足了该系统的技术要求。

温度的测量和控制主要取决于温度测量精度，因此，为了保证精度，从硬件采用了三个方面的措施：

第一，测量中传感器的连接采用新的三线制方法[1]，补偿由导线引起的误差；第二，选用高精度低漂移运算放大器OP07作为运算放大的电路，第三，测量电路采用恒流源供电。

A/D转换器选用常用的ADC1005CMOS10位A/D转换器，即可满足技术要求。

该芯片总的非调整误差为±1LSB，输出电平与TTL电平兼容，单电源+5V供电，模拟量输入范围为0-5V[4]。

有三个输出通道：

一个报警电路，二个电机驱动电路分别控制风门电机的正反转。

为了提高系统的抗干扰能力，驱动电路采用交流固态继电器。

温度显示电路：

温度值采用数码管显示。

为了不再扩展并行接口，利用串行口的移位寄存器功能，扩展三位静态数码管显示接口电路。

报警电路：

利用蜂鸣器报警。

4）总结

使用这种补偿方法的热电阻测温电路，测量精度大大提高，实现了高精度的温度测量和控制。

同时，该装置在硬件上增加了手动/自动转换功能，软件上增添了抗干扰措施，使其工作更可靠、稳定，使用方便，已被平顶山烟草公司宝丰县分公司的使用所证明。

7、《在预测领域中应用模糊控制的研究》

1）作者：

张昊、郁滨、吴捷

2）摘　要　

预测问题在科学技术领域中有着广泛的应用背景.提出了将基于误差反馈和专家经验的闭环模糊控制引入预测系统，用于修正预测输出、提高预测精度和鲁棒性的设想.以电力负荷预测为背景，进行了一系列实验研究，结果证明在预测领域中应用模糊控制是有效的，从而为其它控制方法在预测领域的应用研究开辟了前景。

3）引言

预测可以帮助人们认识并揭示事物的发展规律、提供关于未来的信息，使得人们当前的行为有所依据，因此预测技术越来越受到重视。

60年代发展起来的预测学，现已广泛应用于国民经济各部门以及社会、科技、军事、政治等领域，成为管理决策不可缺少的重要组成部分.在各类预测方法的研究中，提高预测精度是一个主要目标.稍迟于预测学的发展，LAZadeh于60年代中期创立了模糊集理论.随后，经EHMamdani等许多学者的努力，模糊控制已逐渐发展成为解决传统方法无法解决的控制和系统问题的途径。

应用模糊理论进行电力负荷预测的研究在国外已经开始。

但迄今为止，尚没有将模糊控制或其它控制方法应用于预测领域的研究。

理论界研究较多的函数映射逼近问题，也与闭环控制无关。

本文研究的核心就是将两者有机地结合起来，达到提高预测系统精度的目的。

4）结束语

　　本文研究了将模糊控制引入预测领域的问题.引入误差反馈控制的预测系统具有闭环结构.加入了模糊控制修正机制的预测系统，在负荷预测的实验中表现得更为精确，且对于扰动具有鲁棒性.传统预测算法的STLF误差均高达10―20%甚至更高，因而无法实用，本文的实验结果已达到了国际同类系统的水平［11］，其应用价值明显.目前正在研究可适用于多频预测的、具有自学习能力的模糊控制算法.推广而言，该项研究更重要的意义在于为各类现代控制方法，特别是“无模型的”自适应模糊控制方法，在预测领域（或非线性映射逼近问题）中的应用开辟了广阔的前景。

8、《模糊控制的系统化设计和稳定性分析》

1）作者：

张金明、李人厚

2）摘要

给出了一种模糊控制系统的系统化设计方法，它采用一组局部T-S模糊模型来表示模糊系统，对每个局部模型，利用状态反馈进行控制器设计，最后给出了全局模糊系统的稳定性分析.通过对一个典型的非线性球-棒控制系统的仿真研究，表明该方法是有效的，它的性能指标优于现有文献的结果。

3）模糊系统稳定性分析

　　从上节的模糊控制器设计中，可以看到，首先，利用局部反馈和极点配置技术，保证每个局部T-S模糊模型是稳定的.然后，用这些局部模型构成一个模糊系统.当然，一般而言，局部稳定不能保证全局稳定.因此，我们必须对设计的模糊系统进行稳定性分析，否则，难于保证全局模糊系统的稳定性。

9、《模糊控制在真空烧结炉炉温控制中的应用》

1）作者：

张国德

2）摘要：

针对真空烧结炉的特点，提出了模糊控制算法，给出了以单片机为核心的炉温模糊控制系统。

4）温度模糊控制

   模糊控制器是模糊控制系统的核心，模糊控制器是一种利用专家知识和操作者经验设计的专家控制系统，设计时不用数学解析模型来描述受控系统的特性。

在本温度控制系统设计中，采用二维模糊控制器，把加热操作量作为输出变量。

在模糊控制过程中，同时把偏差和偏差的变化率作为模糊输入量，这种方法不仅能保证系统控制的稳定性，而且还可减少超调量和振荡现象。

根据受控系统的实际情况，确定输入变量的测量范围和输出变量的控制作用范围，以确定每个变量的论域，Ke、Kec和Ku分别为输入和输出变量的量化因子和比例因子。

先经限幅处理，再经量化处理就得到了E和EC。

根据当前已求得的E和EC，直接查询模糊控制表就获得控制量的变化值ΔU，将该变化值ΔU乘以比例因子Ku，即可得到当前的实际控制量增量Δu。

再将该增量和前

   一采样时刻的实际控制量相加，就得到目前应实施的控制动作，即uk=uk-1+Ku·ΔU，其模糊控制程序框图如图3所示。

   在单片机中对输入的模糊量进行模糊推理，须将所有描述控制过程的控制规则存储在单片机的EPROM中。

把专家知识和现场经验转换为用语言表达的模糊控制规则，即设计控制规则库。

本系统中，偏差E、偏差变化率EC和控制量的变化的模糊子集定义为

E=｛NB，NM，NS，NO，P0，PS，PM，PB｝

EC=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝

ΔU=｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝

P、N分别表示正、负，B、M、S分别表示大、中、小。

   建立模糊控制规则表的基本思想，以偏差为负的情况说明。

当偏差为负大时，若偏差变化为负，表明此时偏差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大偏差并抑制偏差进一步增大，所以控制量的变化取正大。

当偏差为负而偏差变化为正时，系统本身已有减少偏差的趋势，所以为尽快消除偏差且又不超调，应取较小的控制量。

故当偏差为负大且偏差变化为正小时，控制量的变化取为正中。

若偏差变化为正大或正中时，控制量不宜增加，否则将会造成较大的超调，出现正偏差，因此这时的控制量变化取为0级。

当偏差为负中时，控制量的变化应该使偏差尽快消除，基于这种原则，控制量的变化选择同偏差为负大时相同。

当偏差为负小时，系统接近稳态。

若偏差变化为负时，选取控制量变化为正中，以抑制偏差往负方向变化；若偏差变化为正，系统本身有消除负小偏差的趋势，选取控制量变化为正小即可。

可见选取控制量变化的原则是：

当偏差大或较大时，选择控制量的大小以尽快消除偏差为主；而当偏差较小时，选择控制量要注意防止超调，以使系统稳定为主要出发点。

   为节省内存，提高单片机应用系统的工作速度，实现有效的实时控制，根据隶属函数和模糊控制规则表离线计算对应的模糊控制表（即查询表），并将该表内置在应用软件的EPROM表中，供实时控制过程使用。

在实际控制时，模糊控制器首先把输入量量化到输入量的语言变量论域中，再根据量化的结果去查表求出控制量，这样可大大提高模糊控制的实时效果，节省内存空间。

5）结束语

   以89C51单片机为核心的真空烧结炉温度模糊控制系统，实时性好、节省内存、精度高、功能强、使用方便，极大地改善了系统的动态与静态特性，温度均匀度不超过±3℃,控温精度高过±1℃,经处理的材料（工件）表面光亮、无氧化、质量可靠、工艺稳定。

10、《Adynamicfuzzymodelforadrum-boiler-turbinesystem》

1）Author:

HaceneHabbi,MimounZelmatBelkaemOuldBouamama

2）Abstact:

Anonlineardynamicfuzzymodelfornaturalcirculationdrum-boiler-turbineispresented.ThemodelisderivedfromAstrom-Bellnonlineardynamicsystemanddescribesthecomplicateddynamicsofthephysicalplant.Itisshownthatthedynamicfuzzymodelgivesexaletelinearizationsofthenonlineardynamicsystem.Thisclosenessisillustratedbysimulationinvariousconditions.

3）Theproposeddynamicfuzzymodel

Onofthemostimportantapplicationsoffuzzyrule-basedsystemsissystemmodeling.TheTakagi-Sugeno-Kangfuzzymodel,whichisreferredastoTSKfuzzymodelhasrecentlyfoundwideapplicabilityinfuzzymodel-basedcontrol,inparticularforthecaseofcomplexsystems.Thereasonforthisisthatitsconsequencepartisanaffinedynamicmodelratherthanafuzzysetorconstantvalue.

Inregardtothecomplexityoftheboiler-turbinedynamicsdescribedbythenonlinearmodel,andinattempttofindasimplemodelstructurewhichcancaptureinsomeappropriatesensethekeydynamicalpropertiesofthephysicalplant,weinvestigateinthissectiontheexistenceanduseoftheTSK-typefuzzymodelinthemodelingprocessoftheboiler-turbinedynamics.Thedynamicfuzzymodelstructureanditsinterpretabilityissuearethengiven.

ThedynamicTSKfuzzymodelisformedbynineIF-THENlogicalrulesthathaveafuzzyantecedentpartandafunctionalconsequentpart.

Regardingthephysicsoftheboiler-turbinesystemanditsnonlinearmodelstructure,twofuzzyvariablesareconsideredintheantecedentpartoftheTSKfuzzymodel,thedrumsteampressureandthedynamicoffluidinthesystem.Theconsequentpartiscomposedoflocaldynamicmodels.Thederivationoftheplant-rulesdescribingthedynamicbehaviorofthephysicalmodelisbasedonanapproximatereasoningwithrespecttotheplantoperatingpointsshowinTable.

4）Conclusion

Inthispaper,afossil-fuellednonlinearboiler-turbinedynamicfuzzymodelispresented,TheglobalbehavioroftheTSKfuzzymodelaccuratelyapproximatestheglobalbehaviorofthenonlinearphysicalmodel,AtheoreticalunderstandingoftheproposedmodelisdevelopedbyrelatingthedynamicTSKfuzzymodelwithlocalaffinemodelstodynamiclinearizationaboutatime-varyigpoint,Themodelingerrorsduetothevariationoftheloadpointhavebeersignificantlyreducedbythe