温度的模糊控制

目录第一章摘要 01.1设计任务 01.2关键词 (1)第二章温度模糊控制系统 (1)2.1温度控制系统 (1)2.2模糊控制 (1)2.2.1模糊控制的用途 (1)2.2.2 模糊控制的概述 (2)2.2.3 模糊控制的基本原理 (3)2.2.4模糊控制的基本组成 (4)第三章单回路控制系统 (5)3.1系统总体设计方案 (5)3.1.1工艺流程图 (5)3.1.2方框图工作流程介绍 (5)3.2硬件设计和器件选择 (6)3.2.1电气接线图 (6)3.2.2器件选择 (6)第四章控制算法选择及参数整定 (7)4.1 控制算法选择 (7)4.2 参数整定 (7)4.2.1 凑试法 (8)4.2.2 临界比例法 (8)4.2.3经验法 (8)4.3 MATLAB仿真 (9)第五章系统软件设计 (11)5.1控制器介绍 (11)5.2控制器面板说明 (12)5.3调节器参数设置： (12)第六章心得体会 (13)第七章参考文献 (13)第一章摘要1.1设计任务本课程设计的任务是设计一个温度模糊控制系统；确定设计方案，选择检测变送器、控制器、执行器，确定控制器算法，并进行参数整定，以提高综合运用有关专业知识的能力和实际动手能力。

1.设计组成单回路控制系统的各部分，画出总体框图；2.能根据单回路温度定值控制系统的特点，确定控制方案；3.根据所确定的设计方案进行仪表选择、控制器选择、执行器选择；4.合理设计模糊控制器。

5.系统仿真运行1.2关键词关键词：温度控制，模糊控制，单回路控制系统第二章温度模糊控制系统2.1温度控制系统温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、电力电子等 ,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。

这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。

传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。

控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。

而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。

数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。

由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。

2.2模糊控制2.2.1模糊控制的用途自从电子计算机诞生以来,人们就希望计算机能具有智能并取代人进行智能活动。

因此在这方面进行了大量和不懈的努力与探索,其结果仍然是十分不尽人意。

人类的智能研究最为重要的是精确和模糊的特征。

在数值计算上,人们的思维是表征为精确性的;但在对事物的学习、推理等的思维就表征为模糊性。

事实上,人们在日常生活中以模糊性处理事物的时间居多,而以精确性的居少。

近年来,模糊控制在我国渐渐引起了广泛的重视,并且在工业控制、家用电器和其他领域已取得了令人触目的成效。

模糊控制系统具有易于接受，设计简单，维护方便，而且比常规控制系统稳定性好，鲁棒性高等特点。

家用电冰箱是目前应用比较广泛的家用电器，发展也日趋完善化。

随着人们生活水平的日益提高，电冰箱逐步向大容量、多功能、无氟、智能化的方向发展。

家用电冰箱一般都有冷藏室和冷冻室，冷藏室的温度为00 C～100 C左右，冷冻室的温度为-60 C～-180 C左右。

电冰箱的主要任务是通过保持箱内食品的最佳温度，以达到食品保鲜的目的，使食品经过冷冻或冷藏之后，保持色、味、水份、营养不变。

但冰箱内的温度受很多因素的影响，如存放的物品的散热特性及其热容量、物品的充满率及开门时间的长短和开门的频率、存放物品的温度高低等。

因此冰箱内温度场的数学模型很难建立，无法用传统的方法进行精确调节。

对于这类控制系统，可以采用模糊控制技术达到提高精度的目的，并且能对压缩机的工作状态进行恰当的控制从而达到节能的目的。

2.2.2 模糊控制的概述模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段。

它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。

自从这门科学诞生以来,它产生了许多探索性甚至是突破性的研究和应用成果。

同时,这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。

1965年,美国的控制论专家L.A.Zadeh教授创立了模糊集合论,从而为描述、研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。

一种利用模糊集合的理论来建立系统模型,设计控制器的新型方法—模糊控制也随之问世了。

模糊控制的核心就是利用模糊集合理论,把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法,这种方法不仅能实现控制,而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。

我们都知道在现实生活中的一些概念是有着明确意义的,比如“黄瓜”,“女人”,“一斤”等概念,对于这些明确的概念,在数学中常常用经典集合来表示。

但是现实生活中不是每个概念都是很明确的,比如我们说“多”这个概念,它是从一点一滴积累起来的,如果不用数量上的规定和限制,谁也说不清楚它的概念,它表示的是一个渐变的过程。

我们把这样的一类概念称之为模糊概念。

模糊集合理论就是处理这些模糊概念的。

将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论在近年来得到了迅速的发展,其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统,当无法获得精确的数学模糊的时候,利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。

例如,在炼钢、化工、经济系统、人文系统以及医学心理系统中,要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。

对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息,以及仅仅用语言规定的性能指标。

同时,要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等,所有这些都是一种不精确性,应用一般的控制理论是很难实现控制的。

但是,这类系统由人来控制却往往容易做到。

这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上,他们凭借实践累计的经验,采取适当的对策完成控制任务,于是,人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句,然后运用模糊集合理论将其定量化,使控制器得以接受人的经验,模仿人的操作策略,这样就产生了以模糊集合理论为基础的一次深刻的变革,它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。

随着计算机及其相关技术的发展,模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制,专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。

其实现方式也由最初在微型机(单片机)上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。

模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法,家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法或者难以解决的问题取得了令人瞩目的成效。

已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。

但是我们也应该看到模糊控制的理论和应用虽然已取得了很大的发展,但是就目前的状况来看,尚缺乏重大的突破。

因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的涉入研究和探讨。

2.2.3 模糊控制的基本原理模糊控制是以模糊集合论、模糊逻辑、模糊语言变量以及模糊推理为基础的一种非线性的计算机数字控制技术。

在此前，我们知道控制理论经历了两个重要的发展阶段，其一是经典控制理论，这一理论主要用于解决线性定常系统的控制问题，对于非线性时变系统它却很少有作为；随着计算机的广泛应用，另一个具有里程碑意义的控制理论就是现代控制理论，用这一理论来解决线性或非线性定常或时变的控制问题可以取得较理想的效果[1]。

模糊一词的英文名称是“fuzzy”，它具有界线不清的含义，模糊控制是以人的经验为依据的，而人的经验正反映了人的思维、推理和归纳过程。

在模糊控制过程中，要对模糊量进行处理，它处理的不是精确的数值，而是“大”、“中”、“小”等这样一些边界不明显的模糊量。

这是模糊控制与其它控制方法的一个基本不同点[2]。

模糊控制的基本原理图:图2.1 模糊控制的基本原理一般说来，模糊逻辑适合表示具有连续物理现象的过程，其过程涉及的现象不易离散化，而过程本身以难于构造数学模型，或者计算太复杂以至计算不能足够快以满足实时工作的要求。

此时，由于一条模糊规则往往可以代替许多普通规则，因此采用模糊逻辑可以设计出更紧凑和更便宜的结构。

同时，它还适合于在具有高噪音水平环境下工作并允许采用廉价的传感器和低精度的微处理机等。

2.2.4模糊控制的基本组成图2.2 模糊控制系统的基本组成1、模糊控制器它是整个系统的核心，主要完成输入量的模糊化、模糊关系运算、模糊决策以及决策结果的反模糊处理（精确化）等重要过程。

2、输入/输出接口电路该接口电路主要包括前向通道中的A\D转换电路以及后向通道中的D\A转换电路等两个信号转换电路。

3、广义对象广义对象包括执行机构和被控对象，常见的执行机构包括电磁阀、伺服电动机等。

被控对象可以是线性的、非线性的、时不变的、时变的。

4、传感器传感器是检测装置，负责把被控对象的输出信号（往往是非电量）转换为对应的电信号。

在模糊控制系统中，应选择精确度高稳定性好的传感器。

第三章单回路控制系统3.1系统总体设计方案3.1.1工艺流程图图3.1工艺流程图3.1.2方框图工作流程介绍图3.2温度单回路系统结构框图系统开始后，水温传感器将水温传送给控制器与给定值进行比较，e是否为0，如果为0直接输出，如果不为0，控制器进行PID计算，参数整定后，进行调节，然后传给执行器执行命令，从而达到温度稳定。

3.2硬件设计和器件选择3.2.1电气接线图 250欧姆250欧姆0~5V 0~10V 12250欧姆250欧姆0~10V 75温度控制对象温度变送脉宽调制图3.3调节器与温度模块接线图3.2.2器件选择1 控制器用于调节PID 算法的控制器选择AI8182 温度传感器测量水温的传感器采用热电阻Cu50。

热电阻Cu50在—50～150℃测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大，测量精度越高，热补偿性好，在过程控制领域使用广泛。

系统采用三线制Cu50，温度信号经过变送单元转换成4～20mADC 电流信号，便于采集。

3 加热器采用电阻丝作为加热器件，采用可控硅移相触发单元调节电阻丝的发热功率，输入控制信号为4—20mA 标准电流信号，其移相触发与输入控制电流成正比。