基于雙模糊控制的溫度控制系統研究

摘要：針對溫度控制系統的大滯后特點(diǎn)，介紹一種雙模糊控制方法。通過(guò)Matlab／Simulink仿真，其結果表明，與傳統PID控制和普通模糊控制相比較，雙模糊控制對大滯后、時(shí)變、非線(xiàn)性、無(wú)法精確獲得數學(xué)模型的控溫系統具有良好的控制效果。該控制方式在快速性、穩態(tài)性及準確性方面都有較大提高，較好地解決了快速性與小超調量之間的矛盾。
關(guān)鍵詞：雙模糊控制；溫度控制系統；PID控制；模糊控制

0 引言
PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，以其算法簡(jiǎn)單，魯棒性好及可靠性高的優(yōu)勢，被廣泛應用于溫度、壓力、流量等工業(yè)過(guò)程控制中。但傳統PID控制適用于建立精確的數學(xué)模型的確定性控制系統。當受控對象的數學(xué)模型動(dòng)態(tài)變化時(shí)，系統的參數和模型變化，具有非線(xiàn)性時(shí)，傳統PID控制很難達到理想的控制效果。近年來(lái)，智能控制作為一門(mén)新興的理論和技術(shù)發(fā)展很快，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。其中，模糊控制不要求被控對象的模型精確，具有較強的魯棒性且適應性強而被廣泛應用。但在一般的模糊控制中，沒(méi)有考慮常規模糊控制器不同時(shí)具備在偏差大時(shí)快速跟蹤，在偏差小時(shí)精確定位的問(wèn)題，而且這兩個(gè)要求是相互矛盾的，并發(fā)生在不同的時(shí)域。另外，也沒(méi)有考慮常規模糊控制穩態(tài)精度不高且穩定性難以保證的問(wèn)題。基于以上分析，本文在分析常規PID控制和模糊控制算法的基礎上，設計了帶有自調整因子的雙模糊控制器。根據設定值與輸出值間的偏差及偏差的變化，切換模糊控制器1和模糊控制器2，完成兩組控制器的平穩過(guò)渡，并結合Ma-tlab環(huán)境下的模糊邏輯工具箱對其進(jìn)行了仿真研究。

1 雙模糊控制系統結構
雙模糊控制系統由模糊控制器FC1和模糊控制器FC2并聯(lián)組成，并由控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行模式選擇，其結構如圖1所示。

其工作原理是當系統誤差較大，落在某個(gè)閾值以外時(shí)，就采用模糊控制器FC1進(jìn)行控制，以達到快速響應，消除誤差的目的；當系統誤差較小，落在閾值以?xún)葧r(shí)，采用模糊控制器FC2進(jìn)行控制，由于此控制器已將零域進(jìn)一步細分，因此可以大大改善模糊控制器對于系統小誤差的控制效果，從而達到極大地消除靜態(tài)誤差的目的，進(jìn)而取得滿(mǎn)意的控制效果。
判斷電路的控制規則可以描述為：


2 雙模糊控制系統的設計
2．1 被控對象的選取
在控制工程實(shí)踐中，溫度控制具有典型的時(shí)間滯后特點(diǎn)，現選取溫度控制系統為帶有純延遲的一階過(guò)程模型，設被控對象的傳遞函數為：

2．2 PID控制器設計
為獲得較好的穩態(tài)控制效果，普遍采用PID控制，也就是在系統中加入一個(gè)比例放大器、一個(gè)積分器和一個(gè)微分器。通過(guò)參數整定得到PID控制器的參數為KP=1．5，KI=1，KD=0．8，單位階躍響應曲線(xiàn)如圖2所示。

PID控制器是一種線(xiàn)性控制器，魯棒性不夠強，具有對負載變化適應能力差，抗干擾能力弱和控制性容易受模型參數變化影響等弱點(diǎn)。所以在控制系統中難以達到令人滿(mǎn)意的調速性能，尤其是在對系統性能和控制精度要求較高的場(chǎng)合，這就需要對PID算法進(jìn)行改進(jìn)，以達到更好的控制性能。