一种基于模糊控制的温度控制系统设计

仪表技术与传感器

Instrument󰀁Technique󰀁and󰀁Sensor2010󰀁No󰀁11󰀁

一种基于模糊控制的温度控制系统设计

张小娟

(宝鸡文理学院电子电气工程系,陕西宝鸡󰀁721016)

󰀁󰀁摘要:针对被控对象存在的滞后、时变、非线性等特点,将模糊控制算法引入除氧器控制系统,改善了系统的控制效果,并设计了以PIC18F252单片机为核心,实现了该控制方案。该控制方法在除氧器温度控制系统的应用中,取得了良好的效果。文中使用MATLAB软件对PID控制、带自调整因子模糊控制分别进行了仿真研究,仿真结果表明,带自调整因子模糊控制能满足调节时间短、超调量小且稳态误差在104󰀂3 内的控制要求。关键词:除氧器;温度控制;模糊控制;单片机;调整因子

中图分类号:TP183󰀁󰀁󰀁文献标识码:B󰀁󰀁󰀁文章编号:1002-1841(2010)11-0076-03

DesignofTemperatureControlSystemBasedonFuzzyControl

ZHANGXiao󰀂juan

DepartmentofElectronics&ElectricityEngineering,BaojiCollegeofArts&Science,Baoji721016,China)Abstract:Accordingtothecharacteristicofdelay,non󰀂linearizationandtime󰀂variableofcontrolledobjects,acontrolstrategyincombinationoffuzzycontrolwasemployedtotemperaturecontrollingalgorithmwiththechipPIC18F252asthekeypartandthecontrollingmethodwasrealized.Theapplicationofthisschemeinthedeaeratorsystemachievesgoodeffects.First,simulationsofPIDcontrolandwithself󰀂adjustingfactorFuzzycontrolconcerningtheirrespectivecontrolqualityweredonebyMATLAB6󰀁5.Mo󰀂reover,thesimulationresultsshowthatitsrobustnessisgood,becauseeffectivecontrolmakestheregulatingtimeshort,theover󰀂shootandthesteady󰀂errorverylittle.

Keywords:deaerator;temperaturecontro;lfuzzycontro;lmicro󰀂controller;adjustmentfactor0󰀁引言

锅炉给水中溶解有氧、氮、二氧化碳等气体,其中二氧化碳和氧气的存在,对于锅炉就易发生腐蚀。氧气是很活泼的气体,能跟很多非金属直接化合,而且能跟绝大多数金属直接化合。当其与非金属或金属化合以后,往往形成稳定的氧化物,或生成沉淀,对锅炉起腐蚀作用。故须对锅炉给水进行除氧。

目前,锅炉中常用的除氧方法是热力除氧。由于热力除氧器系统具有大滞后、大惯性、非线性等特点,采用传统的PID控制方法,PID控制稳态性能好,但动态特性不太理想;而模糊控制动态响应品质优良,但存在稳态性能差的问题。因此,文中采用了带自调整因子模糊控制算法进行控制,以达到除氧的目的,从而保证热力设备能安全经济运行。1󰀁控制器的设计1.1󰀁热力除氧条件要求

根据亨利定律和热力除氧的特点可见,采用温度控制系统来替代压力控制系统,能更好地满足热力除氧工艺对温度的要求,通过分析计算,除氧器内压力保持在0󰀁02~0󰀁025MPa,温度为104 时,水中的溶解氧几乎完全逸出,水中的含氧量为零,只要除氧器内的温度不超过107 ,除氧器的压力就不会超过最大允许压力。因此将温度的控制范围设定在104󰀂3 .

模糊温度控制系统的结构框图如图1所示,系统由被控对

图1󰀁除氧器温度控制系统方框图

象、温度传感器、比较器、模糊控制器和执行机构等部分组成。

除氧器的温度由温度传感器检测,并转换成4~20mA的标准电流信号,在经过电压转换装置,转换成0~5V的电压信号,送入单片机的模拟输入通道,进行A/D转换,然后送给模糊PID控制器,控制器将转换值与给定值作比较,计算出温度误差以及温度误差的变化率,根据模糊PID控制算法求出控制系统的控制输出量,经D/A转换器进行数模转换后驱动执行器工作,调节除氧器水箱的温度,使除氧器温度恒定在给定值。1.2󰀁带自调整因子的模糊控制器的结构设计

文中模糊控制器采用带自调整因子的模糊控制器,即以温度的误差和温度误差的变化为输入量,以控制量的变化(电磁阀的开度)为输出量。充分利用该控制器的灵活性,对除氧器温度控制系统进行精确、快速、稳定的控制。该控制方法,从工程实际应用角度提出了一种有效的改善方法,使模糊控制规则可以得到在线调整,极大地改善了模糊控制的效果在这种规则自校正模糊控制器中,采用了一种在线的模糊推理算法。能从本质上消除模糊量化误差和调节死区给模糊控制系统带来的稳态误差与颤振现象,显著地改善模糊控制系统的稳态性能。

根据除氧器的实际工作情况,考虑到传感器的误差,将温度误差e的基本论域取为:[-3 ,3 ],温度误差变化的基

收稿日期:2010-03-15󰀁收修改稿日期:2010-08-13

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󰀁第11期

本论域取为:[-1,+1]。

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张小娟:一种基于模糊控制的温度控制系统设计

存在较大的误差,且过渡过程时间长。

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把误差e和误差变化ec量化为13个等级,即为:{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6};输出变量u量化为15个等级,即为:{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7}。

由此可以得到,除氧器温度模糊控制器的误差量化因子Ke=6/3=2,误差变化率的量化因子Kec=6/1=6。量化因子使得输入量实现了从基本论域变换到模糊集论域的作用,即由基本论域中的任意一点通过量化因子映射到模糊集论域中最相近的整数点。

此外,经模糊控制算法给出的控制量还不能直接控制对象,必须将其转换到为控制对象所能接受的基本论域中去。通常选取一个比例因子Ku把控制量的模糊集论域变换到基本论域中。若控制量的基本论域为[Xumin,Xumax],量化后的论域为[Lmin,Lmax],则控制量的比例因子可由下式确定

Lmax-Lmin

Ku=

Xumax-Xumin

即得到控制量的比例因子Ku=14。

合理的选择模糊控制器的输入变量的量化因子和输出变量的比例因子是非常重要的。量化因子的大小对控制系统的动态性能影响很大,Ke选得较大时,系统的超调量也较大,Kec过渡时间较长;选得较大时,超调量减小,但是系统的响应速度变慢;此外,输出比例因子Ku选得较大时,会导致系统振荡,而选择过小,会使系统的动态响应过程变长。

根据现场调节经验,控制器采用如表1所示模糊控制规则。

表1󰀁除氧器温度模糊控制规则表

ENBNMNSZEPSPMPB

EC

NBPBPBPMPMPSZEZE

NMPBPBPMPMPSZEZE

NSPBPBPMPSZENMNM

ZEPBPBPMZENMNBNB

PSPMPMZENSNMNBNB

PMZEZENSNMNMNBNB

PBZEZENSNMNMNBNB

(2)当0󰀁1!󰀁l!󰀁h!0󰀁5时,对误差的控制作用的权重比较小,对误差变化的控制作用权重比较大,控制效果仍存在误差,过渡时间过程稍长。

(3)当0󰀁5!󰀁l!󰀁h!1时,对误差的控制作用的权重较大,对误差变化的控制作用的权重比较小,控制效果虽然误差很小,但对误差变化的控制不够,过渡过程的时间过长,甚至引起振荡现象。

经过反复验证确定当󰀁h=0󰀁8和󰀁l=0󰀁2时除氧器的控制效果最佳,因此在除氧器控制系统中调整因子为0󰀁8和0󰀁2。2󰀁PID控制器的设计

PID控制由比例、积分和微分控制组合而成;连续系统的PID控制算式表示为:

u(t)=kp[e(t)+

1tde(t)

e(t)dt+Td]Ti0dt

∀

(1)

式中:u(t)为调节器输出值;e(t)为输入偏差;K为调节比例系数;T,微分时间常数。iTd分别为调节器积分、

离散化后的调节器输出为u(kT)=kp{e(kT)+

TkT#e(jT)+[e(kT)-e(kT-T)]}Tij=0Tj

(2)

式中:kp为比例系数;ki=kpkp

Td

为微分系数。T

9󰀁4-4s

3e(4󰀁6s+1)

T

为积分系数;T为采样周期;kd=Ti

󰀁󰀁利用飞升曲线法测量被控对象的传递函数为

G(s)=

增量式PID算法为:

󰀂u(kT)=kp[e(kT)-e(kT-T)+kie(kT)+kd[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]}

式中T为采样周期。

参照响应曲线选择,最后结合实验确定为采样周期T,利用控制软件实现增量式控制算法,并输出控制量U(kT)。3󰀁系统硬件组成

除氧器温度控制系统的硬件结构图如图2所示,它主要由输入采集部分、控制决策部分以及控制输出部分组成。

(4)(3)

󰀁󰀁设计采用Mamdani方法推理方法进行推理。

由于模糊控制器输出是一个模糊集合,它无法对精确的模拟或数字系统进行控制。因此,必须进行精确化计算得出此模糊集中最有代表意义的确定值作为系统的输出控制,主要方法有:最大隶属度法、取中位数法、加权平均法等,该设计采用重心法,即加权平均法。

模糊控制器的实现方法就是将上述一系列模糊控制规则离线化为一个查询表,存储在计算机中供在线控制实时使用。1.3󰀁调整因子的选择

虽然误差以及误差变化率对控制量的权重可以自动调整,但是󰀁h和󰀁l的选择对整个控制系统的控制效果仍然存在着较大的影响。

(1)当0!󰀁l!󰀁h!0󰀁1时,则对误差的控制作用的权重非常小,而对误差变化的控制作用的权重非常大,使得控制效果

图2󰀁除氧器温度控制系统的硬件结构图

输入采集部分主要完成信号的测量、隔离、放大和转换等任务。控制输出部分是把控制器输出的控制量作用于执行机构上,实现对除氧器的控制。控制决策部分采用的通用的数字单片机及其外围电路来实现,该部分是根据除氧器系统的工况、测量内容、显示方式等要求设计的,也是硬件电路设计的核心内容。系统采用的单片机是PIC18F252。

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4󰀁系统软件设计

模糊控制算法程序是整个温度控制软件的核心部分。控制算法程序一般包括两部分,一个是计算机离线计算模糊规则查询表的程序,属于模糊矩阵运算;另一个是单片机PIC18F252在模糊控制过程中计算输入变量(温度误差、温度误差变化率),并将它们作模糊量化处理,查询模糊规则查询表后,得出控制决策,再把模糊控制量解模糊处理。模糊控制系统结构及算法流程图如图3所示。

图5󰀁带调整因子模糊仿真图

的超调量最小为0%,调节时间也是最短的约5s,而且不存在稳态误差。

在除氧系统中,只要除氧器水箱的温度控制在104󰀂3 范围之内,除氧器就能够有好的除氧效果。在设计模糊控制器时,只要选择合适的量化因子、比例因子和调整因子,就可以达到系统的要求。6󰀁结束语

针对除氧系统的特点,引入带自调整因子模糊控制的思想,设计出相应的控制器。通过仿真实验表明:采用带自调整因子模糊控制算法过渡过程时间,最大超调量均优于PID控制算法,能够很好的将除氧器的温度控制在(104󰀂3) 要求温度范围内,有工程实用价值。参考文献:

图3󰀁模糊控制算法流程图

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知。E󰀂mai:lwhljh2008@gmai.lcom

5󰀁仿真结果

为了说明带调整因子模糊控制的优劣性,利用Simulink模块分别对PID控制算法和带调整因子模糊控制算法进行仿真,比较其仿真结果,仿真结果如图4、图5所示。

从上面的仿真曲线可以看出,PID控制器的响应时间约为70s,超调量约为4󰀁3%,系统无稳态误差;带调整因子模糊控制(上接第75页)参考文献:

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