基于Matlab 的啤酒发酵模糊控制系统的设计与仿真

收稿日期 :2007206209. 基金项目 :黑龙江省科学 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目《啤酒发酵控制系统》( GC06A125) . 作者简介 :张晓兰 (19532) ,女 ,北京人 ,哈尔滨商业大学教授 ,主要从事自动化控制方面的研究 . 　　文章编号 : 16722691X(2007) 0620060204 基于 Matlab 的啤酒发酵模糊控制系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与仿真 张晓兰 ,杨丽伟 (哈尔滨商业大学 计算机与信息工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150028) 摘 　要 :啤酒发酵过程中对发酵罐温度的控制是影响啤酒质量的重要环节. 在分析影响罐温的三个规律后 ,提 出了一种应用在啤酒发酵温度控制中的基于专家经验的模糊控制方案 ,借助 Matlab 的模糊逻辑工具箱和 Simulink 仿真工具箱设计模糊控制器并对其进行仿真 ,仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明了该 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的有效性和正确性. 关键词 :温度 ;模糊控制 ;Matlab 中图分类号 : TP273. 4 　　　文献标识码 :A 0 　引言 啤酒发酵过程是一个复杂的生化反应过程 , 具有大惯性、纯滞后、非线性等特点 ,在这个过程 中罐温作为一个非线性对象 ,干扰因素很多 ,很难 有能描述实际发酵生产过程的数学模型 ,通常只 能基于人们的经验和一些模糊的关系来确定 ,即 模糊控制方案. 采用该方案不仅可以使发酵控制 过程易于熟悉、输出量连续、可靠性高 ,而且还能 发挥熟练专家操作的良好的自动化效果. 本文借 助用于数值计算的通用软件 Matlab 中模糊逻辑 工具箱 ( Fuzzy logic cont rol) 和基于框图的仿真 工具箱 (Simulink) ,建立啤酒发酵模糊控制器 ,并 对发酵罐温度曲线的稳态误差进行了仿真. 1 　模糊控制器 模糊控制器的设计主要是根据现场操作熟练 人员的经验和领域专家总结的若干条模糊控制规 则 ,并以此为依据由计算机实施控制 ,其系统结构 如图 1 所示. td 为工艺要求的设定温度值 , t 为发 酵罐中实测的温度值. 当发酵罐中温度不断变化 时 ,温度传感器信号也不断改变. 由此测量值和工 艺温度设定值相比较 ,得出其温度偏差 E( e = t - td) ,偏差变化率 EC (Δe/Δt) ,经采样和 A/ D转换 , 送入模糊控制器 ,模糊控制器的输出控制量 U 经 D/ A 转换与信号功率放大去控制冷媒的调节阀 的开度[1 ] ,从而改变温度值 ,使实际温度值控制在 工艺温度允许的范围内. 图 1 　啤酒发酵温度系统结构图 1. 1 　发酵罐温度的模糊控制 在啤酒发酵过程中 ,酵母的发酵性能受到发 酵温度的影响. 由于发酵过程有热量的释放 ,使发 酵中的麦汁温度上升 ,同时促使酶反应加速[2 ] . 酵 母的发酵性能必须限定在一定范围内 ,这就是实 际发酵操作中的控制工作. 根据对啤酒生产工艺 曲线和现场数据的分析以及操作人员的经验 ,可 以发现 : 规律 1 :若所测温度低于设定值 ,且温度变化 不是很快 ,此时无需冷媒的输入 ,阀门处于关闭状 态 ;反之 ,为避免温度升高速度过快而引起种种不 稳定因素 ,需调小阀门 ,允许少量冷媒的输入. 规律 2 :若所测温度高于设定值 ,阀门的开度 取决于温度变化的快慢和温度变化的正负 ,不同 情况阀门的开度也是不同的. 规律 3 :由于影响发酵罐温度的因素很多 ,不 同阶段所产生的影响也不同 ,所以在啤酒发酵过 程中应实行分段控制 ,即主酵阶段 ,后酵阶段 ,贮 存阶段 ,不同的阶段应设置不同的限定参数范围. 另外 ,模糊控制系统中量化因子 Ke 、Kec , 比 第 21 卷第 6 期 甘肃联合大学学报 (自然科学版) Vol. 21 No. 6 　 2007 年 11 月 Journal of Gansu Lianhe University (Natural Sciences) Nov. 2007 　 例因子 Ku 和模糊控制 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 对模糊系统的稳态特 性和动态特性均有较大的影响 ,单靠人工调节存 在很大盲目性 ,费时费力. 1. 2 　模糊控制器的设计 模糊控制的基本形式可归纳为以下控制规 则 :if Ei and EC j t hen U k ,每一条语句都对应一个 模糊关系 : R i = E3i EC 3j U k [3 ] . 其中上述的控制规则中 , E、EC、U 都是模糊 量 ,分别代表偏差、偏差变化和输出控制量. E , EC 的模糊子集为 { NB , N M , N S , ZO , PS , PM , PB } ,表示{负大 , 负中 , 负小 , 零 , 正小 , 正大 , 正 中 ,正大} ;U 的模糊子集为{ G0 , G1 , G2 , G3 , G4 , G5 , G6} ,表示阀门开度为{关 ,偏小 ,小 ,中 ,偏大 , 大 ,全开} . 输入量 E、EC 和输出量 U 三个语言变 量的量化等级均为 13 级 :{ - 6 , - 5 , - 4 , - 3 , - 2 , - 1 ,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6} . 具体实现方法如下 :在 Matlab 命令窗口运行 Fuzzy 函数来建立一个 FIS 文件[4 ] ,选择 FIS 编 辑器类型为 Mamdani 型 ,根据图 1 系统的要求确 定其输入量 E 和 EC 的 隶属度函数为高斯型 (gaussmf ) ; 输出 U 的隶属度函数为三角型 (t rimf) . 这些隶属度函数曲线可以是等距离的 , 也可以是非等距离的. 当偏差大于等于某值时 ,曲 线的密度设置的小一些 ,可提高控制系统的响应 速度 ;当偏差小于该值时 ,曲线密度大一些 ,可提 高控制系统的响应精度和减少超调. E、EC、U 的 隶属度函数曲线如图 2、3 所示. 图 2 　输入 E、EC 的隶属度函数曲线 图 3 　输出 U 的隶属度函数曲线 模糊规则库的建立是模糊控制器的核心 ,根 据输入输出数据建立对象的模糊模型 ,实质上就 是求取系统的模糊关系 R ,提取模糊控制规则 , 再根据生产工艺曲线和现场数据的分析以及操作 人员的经验对控制规则做适当的修整. 该系统构 造的模糊规则可以用表 1 来表示. 表 1 　模糊推理规则 U EC N B N M N S ZO PS PM PB E N B N M N S ZO PS PM PB G0 G0 G0 G0 G1 G3 G3 G0 G0 G0 G0 G1 G3 G3 G1 G1 G1 G1 G3 G4 G4 G1 G1 G2 G3 G4 G5 G5 G2 G2 G3 G5 G5 G5 G5 G3 G3 G5 G6 G6 G6 G6 G3 G3 G5 G6 G6 G6 G6 　　例如 :if E is NB and EC is NB t hen U is G6 , 表 1 模糊推理规则依此类推 ,共有 49 条模糊 推理规则. 对于任意确定的输入 E和 EC ,都有对应的输 出 U . 此时 U 是一个模糊量而不是精确值. 由模糊 量求解 U 的精确值有许多方法实现 ,这里模糊决 策采用 : 与 ( And) 方法为 min ,或 ( Or ) 方法为 max ,推理 ( Implication) 方法为 min ,合成 ( Ag2 gregation) 方法为 max , 解模糊化 ( Def uzzifica2 tion)方法为重心法 (cent roid) . 这样就建立了一个 FIS 文件 ,用户可以随时 调用该文件以修改模型. 用户也可以选择 FIL E 主菜单下的“save to workspace”子菜单将计算机 结果以矩阵变量的形式存入内存缓冲区 ,从而可 以在 Simulink 仿真平台上将该矩阵变量作为参 数赋给一个封装的 Fuzzy 模块[4 ] ,使设计的模糊 控制器作为模糊控制系统中的一个组成部门参与 仿真过程. 2 　模糊控制器的仿真及分析 2. 1 　利用 Simulink 建立仿真模型 Matlab 的模糊逻辑工具箱提供了与 Simu2 link 的无缝连接的功能. 在模糊逻辑工具箱中建 立了模糊推理系统后 ,可以立即在 Simulink 仿真 环境中对其进行仿真分析. 在 Simulink 中有相应 的模糊逻辑控制器方块图 ( Fuzzy Logic Block) , 将该方块图复制到用户建立的 Simulink 仿真模 型中 ,并使模糊逻辑控制器方块图的模糊推理矩 阵名称与用户在 Matlab 工作空间 ( Workspace) 建立的模糊推理系统名称相同 ,即可完成将模糊 推理系统与 Simulink 的连接. 进入 Simulink 环 境 ,创建一个新的工作区域 ,在 Simulink 模块库 16第 6 期 　　　　　　　　　　张晓兰等 :基于 Matlab 的啤酒发酵模糊控制系统的设计与仿真 　　　　　　　　　　 中选择所需的模块[4 ] ,选取传递函数为 : G(s) = 6/ (8000s2 + 240s + 1) . 根据图 1 所示系统建立如 图 4 所示的啤酒发酵模糊控制系统仿真模型. 图 4 　啤酒发酵模糊控制系统仿真模型 2. 2 　仿真过程 双击图 4 中的任何模块都可以根据系统的要 求修改或设定其参数 ,对系统仿真参数可以通过 打开 Simulation parameters 菜单进行设定 ,按 Simulink 仿真的正常步骤选择计算步长等参数 进行仿真运算[5 ] . 点击 Simulation/ Start 开始仿 真 ,比例因子调节前、后系统的阶跃响应的仿真曲 线分别如图 5、图 6 所示. 图 5 　比例因子调整前阶跃响应的仿真曲线 图 6 　比例因子调节后阶跃响应的仿真曲线 2. 3 　仿真结果分析 通过观察仿真曲线可以看到 ,基于专家经验 的啤酒发酵模糊控制器具有超调小的特点 ,并可 以在较短的时间内进入稳态精度范围 ,除了对控 制结果有直接影响的模糊规则的设计以及解模糊 方法的确定 ,比例因子的调节对控制结果也有较 大影响. 调节比例因子时 ,应考虑到实际变量的变 化范围 ,特别是输出控制量不能超出执行机构的 实际输出能力. 在采用中位数法的前提下 ,不断调 整比例因子 KE 、KEC 和 KU . 对 KE 、KEC 和 KU 的 调整 ,实际上是在不断改变模糊控制器输入输出 变量论域的大小 ,调整后 E , EC 和 U 的论域范围 分别相当于基本论域大小乘以 l / KE , l/ KEC 和 KU [6 ] . 经过反复仿真试验 ,当 KE = KEC = 20 , KU = 60 时 ,可以达到良好的控制效果 ,由此可以得 出温度误差 E、误差变化率 EC 的基本论域均为 [ - 0 . 3 ,0 . 3 ] ; 控制量 U 的基本论域均为 [0°, 360°]. 另外 ,在仿真过程中可以发现当偏差 E 较大 时 ,对 KE 的加权应大一些 ,有利于消除误差 ,同 时 KU 取较大值 ,这样可以保证系统的快速性 ;当 E较小时 ,系统将接近稳态 ,此时应对 KEC 加权大 一点 , KU 同时减少 ,这样可以避免产生超调 ,使系 统尽快进入稳态精度范围. 3 　结语 Matlab 提供了良好的人机交互界面和功能 完备的设计工具 ,并具有强大的数值计算能力 ,利 用 Matlab 中的模糊逻辑工具箱设计模糊控制器 灵活、方便、可视化强. 真正实现了在啤酒发酵温 度控制上的仿真 ,使较为复杂的模糊控制系统仿 真过程大大简化 ,仿真结果表明基于专家经验的 26　　　　　　　　　　　　　　　　甘肃联合大学学报 (自然科学版) 　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷 啤酒发酵模糊控制器具有超调小的特点 ,并可以 在较短的时间内进入稳态精度范围 ,也说明了比 例因子是影响控制效果的重要因素之一 ,适当调 节比例因子 ,有利于减少误差、避免超调、尽快进 入稳态精度范围. 参考文献 : [1 ] 诸静. 模糊控制原理与应用[ M ] . 北京 :机械工业出版 社 ,2005. [2 ] 杜锋 ,雷鸣. 啤酒发酵过程温度控制策略 [J ] . 酿酒 , 2002 ,29 (6) :50252. [3 ] 张国良 ,曾静. 模糊控制及其 MA TLAB 应用 [ M ] . 西安 :西安交通大学出版社 ,2002.[4 ] 刘革辉 ,单杰峰 ,郑楚光. Matlab 软件中的 Fuzzy Log2ic 工具箱在模糊控制系统仿真中的应用 [J ] . 计算机仿真 ,2000 ,17 (5) :69272.[5 ] 楼顺天 ,胡昌华 ,张传. 基于 MA TLAB 的系统分析与设计 ———模糊系统 [ M ] . 西安 :西安电子科技大学出版社 ,2002.[6 ] 马莉 .智能控制与 Lon 网络开发技术[ M ] . 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2003 :26. Design and Simulition of Beer2fermenting Fuzzy Control System Based on Matlab Z H A N G X i ao2l an , YA N G L i2w ei (School of Computer and Information Engineering , Harbin University of Commerce , Harbin 150028 ,China) Abstract :It is a critical factor of temperat ure in the process of beer2fermenting cont rol t hat affect s t he quality of the beer . On the basis of analyzing t he key reasons of affecting beer2fermenting , beer2fer2 menting cont rol wit h f uzzy cont rol technology is advanced. It is designed by t he f uzzy logic toolbox of Matlab and emulated by t he Simulink toolbox of Matlab , which makes t he design and simulation of beer2fermenting f uzzy cont rol system be vividly and conveniently , t he result s of simulation show t hat t he met hod is effective and correct . Key words :temperat ure ; f uzzy cont rol ; Matlab 36第 6 期 　　　　　　　　　　张晓兰等 :基于 Matlab 的啤酒发酵模糊控制系统的设计与仿真