基于模糊控制的智能溫控系統(tǒng)的研究

張 華，張子吟，馮丙寅

（邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054035）

基于模糊控制的智能溫控系統(tǒng)的研究

張 華，張子吟，馮丙寅

（邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054035）

介紹了一種以PLC為核心，采用模糊控制算法的熱水溫度控制系統(tǒng)，并對模糊控制的基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計以及系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該系統(tǒng)中，以太陽能為基礎(chǔ)，通過采用模糊控制實現(xiàn)了對加熱時間的合理優(yōu)化，實現(xiàn)了加熱棒的電能節(jié)約。在實際的應(yīng)用中，體現(xiàn)了節(jié)能、高效等優(yōu)點，達(dá)到了實際中的控制需要。

模糊控制；PLC；溫度控制系統(tǒng)；太陽能

作為一種新型的溫度控制系統(tǒng)，采用太陽能作為一級加熱系統(tǒng)，電加熱棒作為二級加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，太陽能加熱系統(tǒng)在夏季時能實現(xiàn)平均節(jié)能85%，春秋兩季實現(xiàn)平均節(jié)能65%，冬季實現(xiàn)平均節(jié)能40%，年平均節(jié)能 63.3%［1］。

圖1 熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)實中的溫度控制存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，有非線性、大慣性和時變性等特點。其中有的參數(shù)未知或緩慢變化，有的存在滯后和隨機干擾。本系統(tǒng)利用模糊控制的響應(yīng)快、超調(diào)小、過度過程時間短等優(yōu)點對熱水溫度進(jìn)行有效控制，保證控制精度，進(jìn)而實現(xiàn)能源的節(jié)省。

一、PLC溫度控制系統(tǒng)

熱水溫度控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、溫度模塊、溫度傳感器、I/O口擴展模塊、三相加熱棒、液位傳感器、固態(tài)繼電器SSR、電磁閥等部件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。溫度模塊把溫度傳感器的測量值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后直接送入PLC的輸入端，PLC結(jié)合觸摸屏的設(shè)定和輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過I/O擴展口控制SSR的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制電加熱棒的工作。通過液位信號，PLC還可控制進(jìn)水管道電磁閥門，實現(xiàn)對集熱水箱補水。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的控制規(guī)則是：水源通過太陽能加熱系統(tǒng)進(jìn)入8T的集熱水箱，集熱水箱只要沒有到達(dá)高液位，就會隨時自動進(jìn)行補水。當(dāng)加熱水箱的最低液位報警時系統(tǒng)會自動補水，直到到達(dá)高液位。加熱水箱在到達(dá)高液位時，如溫度沒達(dá)到要求，啟動二級加熱系統(tǒng)——電加熱棒，在水溫達(dá)到要求時停止加熱。在恒溫水箱中裝有2個低液位傳感器，因為出水口較低同時為了給水漬留有一定空間，低液位報警傳感器1（加水控制）裝在1T處，用于而低液位傳感器2（報警控制）放在0.5T處。每天的早晨和中午用水時間段，都要把恒溫水箱加滿水；在晚上用水時間段，當(dāng)水面到達(dá)低液位傳感器1時需要加水，沒有到達(dá)低液位2時則不必加水，防止在夜間恒溫水箱中的水過多，造成不必要的能源浪費［2］。

本系統(tǒng)的被控對像是二級加熱的加熱棒，如圖3所示。通過調(diào)節(jié)加熱棒的工作時間，實現(xiàn)溫度的控制。

圖3 熱力對象示意圖

加熱一定量水需要的熱量應(yīng)從輸入的熱量和散失的熱量兩方面來考慮，即為加熱棒的輸入熱量與容器散失的熱量差，根據(jù)熱平衡方程，有：

其中，Q0為加熱一定量的水所需要的熱量，Q1為加熱器的輸入熱量，Q2為容器散失的熱量。

根據(jù)熱量計算公式，加熱一定量的水所需的熱量Q0的方程為：

式（2）中c為熱容（J/kg·℃），m為質(zhì)量（kg），T0為水的初始溫度。

式（1）中

式（3）中η是該加熱棒的熱轉(zhuǎn)換系數(shù)為90%［1］，P為加熱棒的功率，t為加熱的時間。

式（1）中

式（4）中k為熱傳系數(shù)，s為物體的表面積，t為時間，T1為環(huán)境溫度，T2為水箱內(nèi)溫度，h為物體厚度。T0、T1的選取可從表1中查得。

表1 定州基本氣候情況

二、模糊控制的實現(xiàn)

模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、I/O、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象和傳感器等5個部分組成。模糊控制器是各類模糊控制系統(tǒng)的核心部分。因為被控對象的不同，以及對系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)特性的要求和所應(yīng)用控制規(guī)則各異，所以可構(gòu)成各種類型的控制器［3］。

（一）控制方案的設(shè)計

模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，x為設(shè)定的水溫，控制系統(tǒng)以水箱中的加熱時間為控制對象，輸出時間t的控制目標(biāo)主要為3個方面：（1）加熱時間合理；（2）節(jié)省電能；（3）穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小。

圖4 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模糊控制系統(tǒng)的核心為模糊控制器，以模糊化后的溫度誤差（e）和溫度誤差變化率（ec）為控制器輸入，利用模糊算法和專家經(jīng)驗對輸出進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整獲得最大滿意輸出T，再經(jīng)過反模糊化得到確定的控制加熱時間t，實現(xiàn)相應(yīng)的控制效果［4］。

（二）模糊控制器的算法設(shè)計

模糊控制器的設(shè)計可以分為4個工作步驟：輸入量的模糊化，建立模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊推理，輸出量反模糊。

1.輸入量、輸出量的模糊化

模糊控制器的輸入為溫度誤差e（設(shè)定值與測量值差）、溫度誤差變化率ec（本次測量值與前次測量值差）。經(jīng)過模糊化處理后溫度誤差變?yōu)镋，溫度誤差變化率變?yōu)镋C。輸出為電加熱棒的加熱時間T。將模糊化后模糊變量E、EC、T進(jìn)行量化處理，得到E和EC的論域為｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，語言表達(dá)｛NB，NM，NS ，ZO，PS，PM，PB｝；T的論域為｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，語言表達(dá)｛NB，NM，NS ，ZO，PS，PM，PB｝。

對3個量進(jìn)行模糊表達(dá)，選擇E、EC、T的隸屬函數(shù)為三角形，如圖5和圖6所示。

圖5 E、EC的隸屬函數(shù)曲線

圖6 T的隸屬函數(shù)曲線

2.建立模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則是基于專家知識或操作者的長期經(jīng)驗，是一種模仿人的直覺推理的語言形式。if...then...是模糊規(guī)則通常采用最直接的結(jié)構(gòu)。據(jù)此可以獲得如下控制規(guī)則：

if E=NB and EC=NB then T=ZO

if E=NB and EC=NM then T=ZO

┇

if E=PB and EC=PB then T=PB

上述的控制規(guī)則狀態(tài)表，如表2所示。

表2 控制規(guī)則狀態(tài)表

在允許的誤差范圍內(nèi)，控制量為ZO，系統(tǒng)不用進(jìn)行加熱控制，時間為0。當(dāng)系統(tǒng)控制量為PS時，加熱棒進(jìn)行短時間加熱，為PM時用中等時間加熱，為PB時用長時間加熱。

3.進(jìn)行模糊推理

使用模糊控制算法對控制表進(jìn)行模糊推理，模糊推理實際是通過E和設(shè)計的R求出的控制量，即T=（E×EC）。R 獲得。

if…then...結(jié)構(gòu)的模糊控制規(guī)則：

If E=Aiand EC =Bithen T=Ci

此處Ai、Bi、Ci為定義在誤差、誤差變化率和控制量對應(yīng)論域上的模糊集。

則控制量C的隸屬函數(shù)為：

4.輸出量反模糊

由于實際被控對象所需的控制信號是有一定物理意義的精確值，所以需要將模糊控制器輸出的模糊量進(jìn)行反模糊化?？紤]到模糊量的執(zhí)行運算和全面信息的復(fù)雜程度，選擇面積重心法進(jìn)行反模糊化，即：

反模糊化后的t值包含的所有元素信息，本質(zhì)是加權(quán)平均法，加權(quán)系數(shù)為對應(yīng)的隸屬度［5］。

另外，考慮到系統(tǒng)還要受加熱器功率、水的吸熱效率等諸多因素的影響，再在控制器輸出中增加調(diào)整變量t′，可根據(jù)系統(tǒng)實際控制的反饋情況進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)一步增強系統(tǒng)的適應(yīng)性。這樣，最后的控制器輸出為：T=t+t′。

三、溫度模糊控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

整個PLC軟件部分設(shè)計分為手動部分和自動控制部分，模糊控制主要針對自動控制部分進(jìn)行設(shè)計。PLC控制器的實現(xiàn)流程圖如圖7、圖8所示。設(shè)計實現(xiàn)的目標(biāo)是在熱水加熱過程中嵌入模糊控制，實現(xiàn)熱水加熱的智能控制。根據(jù)時時情況，控制器通過模糊控制調(diào)節(jié)加熱棒的工作時間，進(jìn)而實現(xiàn)在合理的時間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度。這樣可以節(jié)省能源，加上本系統(tǒng)的最初熱源來自于太陽能，充分體現(xiàn)了節(jié)能的目標(biāo)。

圖7 主程序流程圖

圖8 模糊算法流程圖

四、結(jié)論

將模糊控制與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，既顯示了PLC的可靠、靈活、適應(yīng)性強的特點，也大大提高了控制系統(tǒng)的智能化程度［6］。由于該系統(tǒng)在節(jié)能、高效等方面的優(yōu)點，特別適用于高校、醫(yī)院、工礦企業(yè)等大型機構(gòu)。

經(jīng)過在河北省定州市的運行，該系統(tǒng)運行良好，實現(xiàn)了最初的構(gòu)想。在符合熱水溫度的條件下，實現(xiàn)了能源的合理運用，達(dá)到了節(jié)能的目標(biāo)，收到了使用方的好評。

［1］岳增田. 住宅太陽能集中熱水供給系統(tǒng)［J］.太陽能，2005（2）.

［2］姜長生，王從慶，魏海坤等.智能控制與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［3］楊其華.一種實用的自組織模糊控制器設(shè)計方法［J］.中國計量學(xué)院學(xué)報，1999（2）.

［4］宋勝利.智能控制技術(shù)概論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

［5］張曾科.模糊數(shù)學(xué)在自動化技術(shù)中的應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［6］王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Temperature Intelligent Control System Based on Fuzzy Control Strategies

ZHANG Hua，ZHANG Zi-yin，F(xiàn)ENG Bing-yin

（Xingtai Polytechnic College， Xingtai， Hebei 054035， China）

This paper describes a kind of temperature control system which is composed of PLC. Fuzzy control algorithm was used for the system. The basic structure of fuzzy control， parameter design， and system software and hardware design was expounded. In this system， based on solar energy， the fuzzy control achieved reasonable optimization of heating time and saving electric energy of the heating element. In practical applications， the system reached practical need which embodies energy saving and high efficient， etc.

fuzzy control； PLC； temperature control system； solar energy

TP273.4

A

1008—6129（2015）03—0069—05

（責(zé)任編輯 王傲冰）

2015—04—19

張華（1986—），河北邢臺人，邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，助教。