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，介紹一種雙模糊控制方法。通過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、時變、非線性、無法精確獲得數學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控制是最早發展起來的控制策略之一，以其算法簡單，魯棒性好及可靠性高的優勢，被廣泛應用于溫度、壓力、流量等工業過程控制中。但傳統PID控制適用于建立精確的數學模型的確定性控制系統。當受控對象的數學模型動態變化時，系統的參數和模型變化，具有非線性時，傳統PID控制很難達到理想的控制效果。近年來，智能控制作為一門新興的理論和技術發展很快，許多學者進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，沒有考慮常規模糊控制器不同時具備在偏差大時快速跟蹤，在偏差小時精確定位的問題，而且這兩個要求是相互矛盾的，并發生在不同的時域。另外，也沒有考慮常規模糊控制穩態精度不高且穩定性難以保證的問題。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渡，并結合Ma-tlab環境下的模糊邏輯工具箱對其進行了仿真研究。

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并聯組成，并由控制開關進行模式選擇，其結構如圖1所示。

其工作原理是當系統誤差較大，落在某個閾值以外時，就采用模糊控制器FC1進行控制，以達到快速響應，消除誤差的目的；當系統誤差較小，落在閾值以內時，采用模糊控制器FC2進行控制，由于此控制器已將零域進一步細分，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誤差的目的，進而取得滿意的控制效果。
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
在控制工程實踐中，溫度控制具有典型的時間滯后特點，現選取溫度控制系統為帶有純延遲的一階過程模型，設被控對象的傳遞函數為：

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

PID控制器是一種線性控制器，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。所以在控制系統中難以達到令人滿意的調速性能，尤其是在對系統性能和控制精度要求較高的場合，這就需要對PID算法進行改進，以達到更好的控制性能。