王德元

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

恒溫水浴控制系統(tǒng)在化工產(chǎn)品測試、食品工程、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，尤其對于細菌檢查、食品加工等方面起著不可替代的作用。恒溫水浴系統(tǒng)主要應(yīng)用于實驗室中，將被測試產(chǎn)品放置于水域系統(tǒng)內(nèi)，在設(shè)定的溫度下進行恒溫加熱，以化驗檢測產(chǎn)品的各項物理化學(xué)性能。

傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)是建立在被控對象精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，由于反饋的滯后和各種不可預(yù)知的擾動的存在，有時調(diào)量較大，難以實現(xiàn)快速精確的恒溫控制。模糊控制作為一種智能控制方法，是在實驗過程中總結(jié)的經(jīng)驗并將其形成語言規(guī)則，運用模糊集合模擬操作人員最優(yōu)化的操作，在解決復(fù)雜系統(tǒng)控制問題的過程中表現(xiàn)出了巨大的潛力。

對于恒溫水浴系統(tǒng)的控制的主要影響因素有兩個：一個是水量的多少，另一個是測量水溫與設(shè)定水溫的差值大小。

1 恒溫水浴硬件系統(tǒng)

設(shè)計水浴系統(tǒng)如圖1所示，溫度傳感器選用Pt100，溫度傳感器和液位傳感器信號進入微機系統(tǒng)，設(shè)計微機的接口電路，通過對可控硅導(dǎo)通電流的控制，實現(xiàn)對水浴槽的控制。利用導(dǎo)通電流的大小實現(xiàn)對加熱器的控制，攪拌器的作用是使水槽內(nèi)的溫場均勻。液位傳感器是實現(xiàn)槽內(nèi)水量大小的測量。設(shè)計微機的接口電路，通過固態(tài)繼電器的通斷實現(xiàn)對可控硅導(dǎo)通電流進行控制。

圖1 水浴恒溫系統(tǒng)框圖

2 恒溫水浴系統(tǒng)的模糊控制

模糊控制器的系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示，圖中的輸入量有兩個，一個是溫度誤差e，另一個是誤差的變化率△e，輸出量則為控制信號變化量△u。

圖2 基于模糊規(guī)則的水浴溫度系統(tǒng)控制框圖

將測量結(jié)果與設(shè)定值相比較得到的誤差x1分為小于，略小于，等于、略高于，高于五個隸屬度，將輸入誤差的變化率x2分為快，略快，不變、略慢，慢五個隸屬度。由于液位傳感器為輔助參數(shù)，根據(jù)液位傳感器輸出計算出的水量x3，將其分為水量少，水量中，水量多三個隸屬度，輸出規(guī)則共有75條規(guī)則。

制定模糊規(guī)則的形式為：

式中，Ri表示第i條模糊規(guī)則；Aij是模糊子集，隸屬函數(shù)選取為高斯型；由上述分析可知，輸入變量為3個；yi是第i條模糊規(guī)則的輸出；fi()為輸出函數(shù)；n為模糊規(guī)則總數(shù)。本文中fi()為輸入變量的線性函數(shù)，將：

3 模糊控制的快速恒溫水浴控制系統(tǒng)仿真實驗

將編制的規(guī)則輸入MATLAB 2016模糊控制（FIS）工具箱，與傳統(tǒng)的PID控制的恒溫水浴同時進行仿真比較，得到的結(jié)果如表1所示。

表1 模糊控制與PID控制仿真比較結(jié)果

4 結(jié)語

文章提出了利用模糊規(guī)則對恒溫水浴裝置進行精確控制，設(shè)計了水浴溫度控制系統(tǒng)，制定了模糊控制規(guī)則，并進行了仿真試驗，利用模糊規(guī)則控制方法的恒溫最大誤差為0.17℃，而傳統(tǒng)的PID控制恒溫最大誤差為0.43℃；在恒溫時間相比于傳統(tǒng)的PID控制縮短了26%以上。