基于模糊控制的智能温控系统的研究

张 华，张子吟，冯丙寅

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054035）

基于模糊控制的智能温控系统的研究

张 华，张子吟，冯丙寅

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054035）

介绍了一种以PLC为核心，采用模糊控制算法的热水温度控制系统，并对模糊控制的基本结构和参数设计以及系统的软、硬件设计进行了详细阐述。该系统中，以太阳能为基础，通过采用模糊控制实现了对加热时间的合理优化，实现了加热棒的电能节约。在实际的应用中，体现了节能、高效等优点，达到了实际中的控制需要。

模糊控制；PLC；温度控制系统；太阳能

作为一种新型的温度控制系统，采用太阳能作为一级加热系统，电加热棒作为二级加热系统，系统结构图如图1所示。根据数据统计，太阳能加热系统在夏季时能实现平均节能85%，春秋两季实现平均节能65%，冬季实现平均节能40%，年平均节能 63.3%［1］。

图1 热水系统结构图

现实中的温度控制存在严重的滞后现象，有非线性、大惯性和时变性等特点。其中有的参数未知或缓慢变化，有的存在滞后和随机干扰。本系统利用模糊控制的响应快、超调小、过度过程时间短等优点对热水温度进行有效控制，保证控制精度，进而实现能源的节省。

一、PLC温度控制系统

热水温度控制系统由触摸屏、PLC、温度模块、温度传感器、I/O口扩展模块、三相加热棒、液位传感器、固态继电器SSR、电磁阀等部件组成，系统结构图如图2所示。温度模块把温度传感器的测量值进行A/D转换后直接送入PLC的输入端，PLC结合触摸屏的设定和输入的数据进行处理，然后通过I/O扩展口控制SSR的导通与关断，从而控制电加热棒的工作。通过液位信号，PLC还可控制进水管道电磁阀门，实现对集热水箱补水。

图2 系统结构图

系统的控制规则是：水源通过太阳能加热系统进入8T的集热水箱，集热水箱只要没有到达高液位，就会随时自动进行补水。当加热水箱的最低液位报警时系统会自动补水，直到到达高液位。加热水箱在到达高液位时，如温度没达到要求，启动二级加热系统——电加热棒，在水温达到要求时停止加热。在恒温水箱中装有2个低液位传感器，因为出水口较低同时为了给水渍留有一定空间，低液位报警传感器1（加水控制）装在1T处，用于而低液位传感器2（报警控制）放在0.5T处。每天的早晨和中午用水时间段，都要把恒温水箱加满水；在晚上用水时间段，当水面到达低液位传感器1时需要加水，没有到达低液位2时则不必加水，防止在夜间恒温水箱中的水过多，造成不必要的能源浪费［2］。

本系统的被控对像是二级加热的加热棒，如图3所示。通过调节加热棒的工作时间，实现温度的控制。

图3 热力对象示意图

加热一定量水需要的热量应从输入的热量和散失的热量两方面来考虑，即为加热棒的输入热量与容器散失的热量差，根据热平衡方程，有：

其中，Q0为加热一定量的水所需要的热量，Q1为加热器的输入热量，Q2为容器散失的热量。

根据热量计算公式，加热一定量的水所需的热量Q0的方程为：

式（2）中c为热容（J/kg·℃），m为质量（kg），T0为水的初始温度。

式（1）中

式（3）中η是该加热棒的热转换系数为90%［1］，P为加热棒的功率，t为加热的时间。

式（1）中

式（4）中k为热传系数，s为物体的表面积，t为时间，T1为环境温度，T2为水箱内温度，h为物体厚度。T0、T1的选取可从表1中查得。

表1 定州基本气候情况

二、模糊控制的实现

模糊控制系统通常由模糊控制器、I/O、执行机构、被控对象和传感器等5个部分组成。模糊控制器是各类模糊控制系统的核心部分。因为被控对象的不同，以及对系统动态、静态特性的要求和所应用控制规则各异，所以可构成各种类型的控制器［3］。

（一）控制方案的设计

模糊控制系统结构如图4所示，x为设定的水温，控制系统以水箱中的加热时间为控制对象，输出时间t的控制目标主要为3个方面：（1）加热时间合理；（2）节省电能；（3）稳态误差尽可能小。

图4 模糊控制系统结构图

模糊控制系统的核心为模糊控制器，以模糊化后的温度误差（e）和温度误差变化率（ec）为控制器输入，利用模糊算法和专家经验对输出进行优化，经过反复调整获得最大满意输出T，再经过反模糊化得到确定的控制加热时间t，实现相应的控制效果［4］。

（二）模糊控制器的算法设计

模糊控制器的设计可以分为4个工作步骤：输入量的模糊化，建立模糊规则，进行模糊推理，输出量反模糊。

1.输入量、输出量的模糊化

模糊控制器的输入为温度误差e（设定值与测量值差）、温度误差变化率ec（本次测量值与前次测量值差）。经过模糊化处理后温度误差变为E，温度误差变化率变为EC。输出为电加热棒的加热时间T。将模糊化后模糊变量E、EC、T进行量化处理，得到E和EC的论域为｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，语言表达｛NB，NM，NS ，ZO，PS，PM，PB｝；T的论域为｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，语言表达｛NB，NM，NS ，ZO，PS，PM，PB｝。

对3个量进行模糊表达，选择E、EC、T的隶属函数为三角形，如图5和图6所示。

图5 E、EC的隶属函数曲线

图6 T的隶属函数曲线

2.建立模糊控制规则

模糊控制规则是基于专家知识或操作者的长期经验，是一种模仿人的直觉推理的语言形式。if...then...是模糊规则通常采用最直接的结构。据此可以获得如下控制规则：

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

上述的控制规则状态表，如表2所示。

表2 控制规则状态表

在允许的误差范围内，控制量为ZO，系统不用进行加热控制，时间为0。当系统控制量为PS时，加热棒进行短时间加热，为PM时用中等时间加热，为PB时用长时间加热。

3.进行模糊推理

使用模糊控制算法对控制表进行模糊推理，模糊推理实际是通过E和设计的R求出的控制量，即T=（E×EC）。R 获得。

if…then...结构的模糊控制规则：

If E=Aiand EC =Bithen T=Ci

此处Ai、Bi、Ci为定义在误差、误差变化率和控制量对应论域上的模糊集。

则控制量C的隶属函数为：

4.输出量反模糊

由于实际被控对象所需的控制信号是有一定物理意义的精确值，所以需要将模糊控制器输出的模糊量进行反模糊化。考虑到模糊量的执行运算和全面信息的复杂程度，选择面积重心法进行反模糊化，即：

反模糊化后的t值包含的所有元素信息，本质是加权平均法，加权系数为对应的隶属度［5］。

另外，考虑到系统还要受加热器功率、水的吸热效率等诸多因素的影响，再在控制器输出中增加调整变量t′，可根据系统实际控制的反馈情况进行设置，进一步增强系统的适应性。这样，最后的控制器输出为：T=t+t′。

三、温度模糊控制系统的实现

整个PLC软件部分设计分为手动部分和自动控制部分，模糊控制主要针对自动控制部分进行设计。PLC控制器的实现流程图如图7、图8所示。设计实现的目标是在热水加热过程中嵌入模糊控制，实现热水加热的智能控制。根据时时情况，控制器通过模糊控制调节加热棒的工作时间，进而实现在合理的时间内达到设定温度。这样可以节省能源，加上本系统的最初热源来自于太阳能，充分体现了节能的目标。

图7 主程序流程图

图8 模糊算法流程图

四、结论

将模糊控制与PLC控制系统相结合，既显示了PLC的可靠、灵活、适应性强的特点，也大大提高了控制系统的智能化程度［6］。由于该系统在节能、高效等方面的优点，特别适用于高校、医院、工矿企业等大型机构。

经过在河北省定州市的运行，该系统运行良好，实现了最初的构想。在符合热水温度的条件下，实现了能源的合理运用，达到了节能的目标，收到了使用方的好评。

［1］岳增田. 住宅太阳能集中热水供给系统［J］.太阳能，2005（2）.

［2］姜长生，王从庆，魏海坤等.智能控制与应用［M］.北京：科学出版社，2007.

［3］杨其华.一种实用的自组织模糊控制器设计方法［J］.中国计量学院学报，1999（2）.

［4］宋胜利.智能控制技术概论［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［5］张曾科.模糊数学在自动化技术中的应用［M］.北京：清华大学出版社，1997.

［6］王立新.模糊系统与模糊控制教程［M］.北京：清华大学出版社，2003.

Temperature Intelligent Control System Based on Fuzzy Control Strategies

ZHANG Hua，ZHANG Zi-yin，FENG 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

（责任编辑 王傲冰）

2015—04—19

张华（1986—），河北邢台人，邢台职业技术学院汽车工程系，助教。