基于模糊规则的快速恒温水浴控制系统研究

王德元

（吉林铁道职业技术学院，吉林 吉林 132013）

恒温水浴控制系统在化工产品测试、食品工程、环境监测等领域有着广泛的应用，尤其对于细菌检查、食品加工等方面起着不可替代的作用。恒温水浴系统主要应用于实验室中，将被测试产品放置于水域系统内，在设定的温度下进行恒温加热，以化验检测产品的各项物理化学性能。

传统的PID控制系统是建立在被控对象精确的数学模型基础上的，由于反馈的滞后和各种不可预知的扰动的存在，有时调量较大，难以实现快速精确的恒温控制。模糊控制作为一种智能控制方法，是在实验过程中总结的经验并将其形成语言规则，运用模糊集合模拟操作人员最优化的操作，在解决复杂系统控制问题的过程中表现出了巨大的潜力。

对于恒温水浴系统的控制的主要影响因素有两个：一个是水量的多少，另一个是测量水温与设定水温的差值大小。

1 恒温水浴硬件系统

设计水浴系统如图1所示，温度传感器选用Pt100，温度传感器和液位传感器信号进入微机系统，设计微机的接口电路，通过对可控硅导通电流的控制，实现对水浴槽的控制。利用导通电流的大小实现对加热器的控制，搅拌器的作用是使水槽内的温场均匀。液位传感器是实现槽内水量大小的测量。设计微机的接口电路，通过固态继电器的通断实现对可控硅导通电流进行控制。

图1 水浴恒温系统框图

2 恒温水浴系统的模糊控制

模糊控制器的系统设计框图如图2所示，图中的输入量有两个，一个是温度误差e，另一个是误差的变化率△e，输出量则为控制信号变化量△u。

图2 基于模糊规则的水浴温度系统控制框图

将测量结果与设定值相比较得到的误差x1分为小于，略小于，等于、略高于，高于五个隶属度，将输入误差的变化率x2分为快，略快，不变、略慢，慢五个隶属度。由于液位传感器为辅助参数，根据液位传感器输出计算出的水量x3，将其分为水量少，水量中，水量多三个隶属度，输出规则共有75条规则。

制定模糊规则的形式为：

式中，Ri表示第i条模糊规则；Aij是模糊子集，隶属函数选取为高斯型；由上述分析可知，输入变量为3个；yi是第i条模糊规则的输出；fi()为输出函数；n为模糊规则总数。本文中fi()为输入变量的线性函数，将：

3 模糊控制的快速恒温水浴控制系统仿真实验

将编制的规则输入MATLAB 2016模糊控制（FIS）工具箱，与传统的PID控制的恒温水浴同时进行仿真比较，得到的结果如表1所示。

表1 模糊控制与PID控制仿真比较结果

4 结语

文章提出了利用模糊规则对恒温水浴装置进行精确控制，设计了水浴温度控制系统，制定了模糊控制规则，并进行了仿真试验，利用模糊规则控制方法的恒温最大误差为0.17℃，而传统的PID控制恒温最大误差为0.43℃；在恒温时间相比于传统的PID控制缩短了26%以上。