./目錄摘要模糊控制器理論和基本結(jié)構(gòu)2.1模糊化2.2知識(shí)庫2.3模糊推理機(jī)2.4解模糊中央空調(diào)系統(tǒng)控制方法3.1控制目標(biāo)和被控對(duì)象建模3.2系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)中央空調(diào)模糊控制器的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.1單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2直流電機(jī)控制電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1PC軟件設(shè)計(jì)6.2控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的設(shè)計(jì)6.3PC機(jī)與單片機(jī)串口通信設(shè)計(jì)6.4抗干擾設(shè)計(jì)6.5誤差分析仿真實(shí)驗(yàn)摘要在現(xiàn)代化的樓房大廈中,大多數(shù)采用了中央空調(diào)統(tǒng)一供熱、制冷的方法。在每一個(gè)房間都安裝了熱交換器和循環(huán)風(fēng)機(jī),通過設(shè)定風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變換熱量的大小,調(diào)節(jié)房間的溫度。一般的控制器可以設(shè)定"高/中/低/關(guān)"四種模式。但這種控制方法的缺點(diǎn)是房間溫度需要手動(dòng)調(diào)節(jié),各種環(huán)境因素的變化常常會(huì)使人們感到不適。由于被控對(duì)象具有較大的慣性和遲延,受各種因素變化影響,因而對(duì)象的傳遞函數(shù)具有非線性和時(shí)變特性;對(duì)于各個(gè)空調(diào)控制器,由于房間情況和安裝情況不同導(dǎo)致對(duì)象特性不同,采用常規(guī)PID控制難以取得較好的控制效果。而模糊控制是基于模糊規(guī)則的控制,可以引入設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),對(duì)非線性對(duì)象、大慣性大遲延對(duì)象以及數(shù)學(xué)模型不太清楚的對(duì)象都可以取得較好的控制效果,具有較好的魯棒性。法國ST公司生產(chǎn)的ST62系列單片機(jī),具有優(yōu)良的噪聲免疫能力,可以直接與電力線連接,能為一般民用電器的設(shè)計(jì)提供一種可靠性高、成本低的解決方法。基于ST62系列單片機(jī),本文提出了具有實(shí)用價(jià)值的房間溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)方案。模糊控制器理論及基本結(jié)構(gòu)本節(jié)將介紹模糊控制<fuzzycontrol>的基本原理、結(jié)構(gòu)分析、穩(wěn)定性理論和設(shè)計(jì)方法。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)圖1中,是SISO被控對(duì)象的輸入,是被控對(duì)象的輸出,是參考輸入,是誤差。圖中虛線框的就是模糊控制器<FC>,它根據(jù)誤差信號(hào)產(chǎn)生合適的控制作用,輸出給被控對(duì)象。模糊控制器主要由模糊化接口、知識(shí)庫、模糊推理機(jī)、解模糊接口四部分組成,各部分的作用概述如下。2.1模糊化模糊化接口接受的輸入只有誤差信號(hào),由再生成誤差變化率或誤差的差分,模糊化接口主要完成以下兩項(xiàng)功能。⑴論域變換：和都是非模糊的普通變量,它們的論域〔即變化圍是實(shí)數(shù)域上的一個(gè)連續(xù)閉區(qū)間,稱為真實(shí)論域,分別用X和Y來代表。在模糊控制器中,真實(shí)論域要變換到部論域和。如果部論域是離散的〔有限個(gè)元素,模糊控制器稱為"離散論域的模糊控制器"<D－FC>,如果部論域是連續(xù)的〔無窮多個(gè)元素,模糊控制器稱為"連續(xù)論域的模糊控制器"<C－FC>。對(duì)于D－FC,,＝{0±整數(shù)}；對(duì)于C—FC,,＝[－l,1]。無論是D－FC還是C－FC,論域變換后,變成,,相當(dāng)乘了一個(gè)比例因子〔還可能有偏移。⑵模糊化：論域變換后和仍是非模糊的普通變量,對(duì)它們分別定義若干個(gè)模糊集合,如："負(fù)大"<NL>、"負(fù)中"<NM>、"負(fù)小"<NS>、"零"<Z>、"正小"<PS>、"正中"<PM>、"正大"<PL>,…,并在其部論域上規(guī)定各個(gè)模糊集合的隸屬函數(shù)。在t時(shí)刻輸入信號(hào)的值,經(jīng)論域變換后得到,,再根據(jù)隸屬函數(shù)的定義可以分別求出,對(duì)各模糊集合的隸屬度,如、、…,這樣就把普通變量的值變成了模糊變量〔即語言變量的值,完成了模糊化的工作。注意在這里,既代表普通變量又代表模糊變量,作為普通變量時(shí)其值在論域,中,是普通數(shù)值；作為模糊變量時(shí)其值在論域[0,1]中,是隸屬度。2.2知識(shí)庫顧名思義,知識(shí)庫中存貯著有關(guān)模糊控制器的一切知識(shí),它們決定著模糊控制器的性能,是模糊控制器的核心。知識(shí)庫又分為兩部分,分別介紹如下。⑴數(shù)據(jù)庫〔database它雖然叫作數(shù)據(jù)庫,但并不是計(jì)算機(jī)軟件中數(shù)據(jù)庫的概念。它存貯著有關(guān)模糊化、模糊推理、解模糊的一切知識(shí),如前面已經(jīng)介紹的模糊化中的論域變換方法、輸入變量各模糊集合的隸屬函數(shù)定義等,以及將在下面介紹的模糊推理算法,解模糊算法,輸出變量各模糊集合的隸屬函數(shù)定義等。⑵規(guī)則庫〔rulebase其中包含一組模糊控制規(guī)則,即以"IF…,THEN…"形式表示的模糊條件語句,如其中,和就是前面所說的語言變量和,Al,A2,…,An是的模糊集合,B1,B2,…,Bn是的模糊集合,Cl,C2,…,Cn是的模糊集合。在12.4節(jié)中已經(jīng)講過,每條控制規(guī)則是一個(gè)在積空間中的模糊關(guān)系,,,,如果皆為離散論域,還可以寫出模糊關(guān)系矩陣Ri,i＝1,2,…,n。規(guī)則庫中的n條規(guī)則是并列的,它們之間是"或"的邏輯關(guān)系,因此整個(gè)規(guī)則集的模糊關(guān)系為2.3模糊推理機(jī)由介紹的模糊推理方法我們知道,模糊控制應(yīng)用的是廣義前向推理。在t時(shí)刻若輸入量為和,,,若論域都是離散的,在上對(duì)應(yīng)矢量,在上對(duì)應(yīng)矢量,則推理結(jié)果是上的矢量,2.4解模糊解模糊可以看作是模糊化的反過程,它要由模糊推理結(jié)果產(chǎn)生控制ul的數(shù)值,作為模糊控制器的輸出。解模糊接口主要完成以下兩項(xiàng)工作。⑴解模糊：對(duì)也要由真實(shí)論域Z變換到部論域,對(duì)定義若干個(gè)模糊集合,并規(guī)定各模糊集合的隸屬函數(shù)。模糊推理是在部論域上進(jìn)行的,因此得到的推理結(jié)果是上的模糊矢量,其元素為對(duì)的某個(gè)模糊集合的隸屬度。對(duì)于某組輸入,,一般會(huì)同時(shí)滿足多條規(guī)則<稱為激活>,因此會(huì)有多個(gè)推理結(jié)果,i為不同的模糊集合。求,并用某種解模糊算法<如最大隸屬度法>,即可求得此時(shí)的部控制量。⑵論域反變換：得到的,進(jìn)行論域反變換即得到真正的輸出,它仍然是非模糊的普通變量。以上已經(jīng)大致介紹了模糊控制器的工作原理,其具體工作過程比較復(fù)雜,而且部論域有離散和連續(xù)兩種情況,工作過程又有很大差別,因此下面將以實(shí)例對(duì)D—FC和C—FC分別介紹其詳細(xì)的工作原理和處理過程。中央空調(diào)系統(tǒng)控制方法3.1控制目標(biāo)和被控對(duì)象的建模空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是:調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,使房間溫度接近設(shè)定溫度;避免調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作,防止環(huán)境溫度在設(shè)定值附近頻繁振蕩;節(jié)約能源。安裝中央空調(diào)后,影響房間溫度的主要因素是循環(huán)水溫度、室外溫度、房間散熱系數(shù)和空調(diào)換熱系數(shù)。其中空調(diào)換熱系數(shù)主要由循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定,可以作為調(diào)節(jié)手段。房間空調(diào)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。圖2空調(diào)系統(tǒng)示意圖溫度對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)可以用一個(gè)二階慣性加純遲延的對(duì)象來表示。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的對(duì)象,當(dāng)冷卻水溫度為8℃、環(huán)境溫度為36由于對(duì)象的建模一般都在某個(gè)工作點(diǎn)上進(jìn)行線性化,被控對(duì)象本身的非線性在控制機(jī)構(gòu)大幅動(dòng)作時(shí)是不能忽略的;而且,由于各種干擾因素的存在及空調(diào)控制器安裝情況的不同等,很難用一確定的等效傳遞函數(shù)來表示實(shí)際被控對(duì)象。故上面得到的傳遞函數(shù)只能被看作是近似的表示。3.2系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)對(duì)于一般的控制系統(tǒng),對(duì)象增益的變化對(duì)控制品質(zhì)的影響最大。設(shè)計(jì)控制器的要點(diǎn),也就在于當(dāng)對(duì)象增益變化時(shí),保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。這里采用了模糊控制器加積分的控制方式來保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。并且在循環(huán)風(fēng)機(jī)出口加入溫度測(cè)點(diǎn),構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng),以克服對(duì)象的遲延;加入冷卻水溫度測(cè)點(diǎn),作為控制的修正量。控制系統(tǒng)的框圖如圖3所示。圖3控制系統(tǒng)框圖在本控制方案中,主調(diào)節(jié)器采用的是模糊偏差加偏差變化控制,相當(dāng)于非線性的比例微分控制器,積分作用主要用于消除靜態(tài)誤差。副調(diào)節(jié)器采用的是比例調(diào)節(jié)器,主要用于消除系統(tǒng)的慣性和遲延。中央空調(diào)模糊控制器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)需要考慮對(duì)象增益變化的補(bǔ)償。在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中,影響對(duì)象增益變化的主要原因是ΔT,即房間溫度和冷卻水溫度的差值。當(dāng)ΔT增加時(shí),對(duì)象的增益就增大;ΔT減小時(shí),對(duì)象增益隨之減小。在控制中取誤差信號(hào)為:相當(dāng)于對(duì)模糊控制器的比例作用進(jìn)行修正。其中,Tw——冷卻水溫度;Tg——溫度的給定值;Ts——房間溫度。模糊控制器采用了解析描述控制規(guī)則可調(diào)整的模糊控制器。對(duì)于簡(jiǎn)單的模糊控制器,如果將誤差E、誤差變化EC及控制量u的論域取成一致,為{-3,-2,-1,0,1,2,3},則一般的模糊控制規(guī)則可以概括為:u=-<<E+EC>/2><2>這樣的控制規(guī)則簡(jiǎn)單有效,計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)起來很方便。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用了一種帶有調(diào)整因子的控制規(guī)則:N為論域階數(shù)。在控制過程中的擾動(dòng)剛開始階段,主要是希望系統(tǒng)輸出迅速跟隨輸入,減小誤差,因此控制器的比例作用可以取得相對(duì)大一些;而誤差較小時(shí),則希望系統(tǒng)穩(wěn)定,過大的比例作用會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。控制器的積分作用采用的是積分分離式的控制,在系統(tǒng)誤差小到一定圍后才發(fā)揮作用,以減小系統(tǒng)振蕩,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.1單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)選擇ST62T01C單片機(jī),主要特點(diǎn)如下:電源電壓圍為3.0～6.0V;最大時(shí)鐘頻率為8MHz;工作溫度圍為-40～+125℃溫度傳感器為TMP37,輸出比例系數(shù)為20mV/℃。系統(tǒng)采用3.6V電源時(shí),TMP37與ST6201C的A/D轉(zhuǎn)換器直接連接,可以獲得0.8℃用8MHz振蕩器時(shí)單片機(jī)電路的電流消耗小于5mA,可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的RCD電路接到電力網(wǎng)。為了避免電磁干擾,PCB板的設(shè)計(jì)需要合理安放退耦電容和濾波電容的位置。在ST62系列單片機(jī)的開發(fā)工具中,包含fuzzyTECHST62Explorer編輯器,采用WINDOWS圖形化的開發(fā)界面,產(chǎn)生優(yōu)化的ST62匯編代碼。用戶可以只關(guān)心模糊控制邏輯的實(shí)現(xiàn),不用過多考慮編程的問題。5.2直流電機(jī)控制電路對(duì)于直流電機(jī),轉(zhuǎn)速差不多與供電電壓成比例。利用這一原理,可以使用MCU產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件控制直流電機(jī)。這樣就避免了使用速度傳感器,并且電機(jī)有著更高的效率圖4為控制電路原理圖。主要包括過零檢測(cè)電路和電機(jī)控制電路。過零檢測(cè)電路用以確定每一個(gè)交流電半波的起始點(diǎn)。經(jīng)過確定的延時(shí)后,電器控制電路輸出脈沖觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,給電機(jī)供電,這樣延時(shí)時(shí)間t就和輸出功率P建立了確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖5<b>所示<Td為導(dǎo)通時(shí)間>。由于延時(shí)時(shí)間和輸出功率是非線性的關(guān)系,所以通過在MCU中建立一個(gè)數(shù)據(jù)表將輸出功率和延時(shí)時(shí)間的關(guān)系線性化。對(duì)于空調(diào)風(fēng)機(jī)控制,數(shù)據(jù)表采用64個(gè)點(diǎn)即可。圖4電機(jī)控制電路原理圖圖5Td與P關(guān)系圖為了克服電力網(wǎng)供電帶有尖峰干擾會(huì)干擾晶閘管導(dǎo)通,應(yīng)采用合適的濾波措施。對(duì)于檢測(cè)過零點(diǎn),可以通過部時(shí)鐘設(shè)置一個(gè)時(shí)間窗,對(duì)于50Hz的交流電,時(shí)間窗可以設(shè)置在8～12ms之間,別的時(shí)間則不予檢測(cè)。和單獨(dú)的空調(diào)相比,中央空調(diào)具有制冷制熱效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、清潔環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代化建筑中將越來越廣泛地使用。研究新的控制機(jī)構(gòu)和控制方法,使系統(tǒng)更節(jié)能、人們感覺更舒適是工程技術(shù)人員面臨的新課題。本文提出了中央空調(diào)房間溫度控制器的設(shè)計(jì)方案,如果用該方案對(duì)整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行整體控制,則可以期待獲得更好的效果。6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1PC軟件設(shè)計(jì)PC機(jī)完成的功能主要包括:控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止,控制參數(shù)設(shè)置,儲(chǔ)存單片機(jī)傳送過來的實(shí)時(shí)采集的溫度數(shù)據(jù)并將其實(shí)時(shí)顯示和繪圖。軟件流程框圖如圖6所示。PC機(jī)軟件由Delphi6.0編寫,溫度曲線圖的繪制通過TCHART控件編程實(shí)現(xiàn)。溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)通過建立Access數(shù)據(jù)庫,將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。6.2控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的軟件設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的控制算法,流程框圖如圖7所示。程序包括如下兩個(gè)部分:

1>計(jì)算機(jī)離線計(jì)算查詢表程序。查詢表的建立方法是:將調(diào)整因子α看作是一個(gè)模糊集,其論域?yàn)?lt;0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1>;根據(jù)希望的控制性能構(gòu)造α的修改規(guī)則;將之制成查詢表,將此表存于計(jì)算機(jī)存中,供計(jì)算機(jī)在線控制時(shí)使用。

2>計(jì)算機(jī)在線實(shí)時(shí)控制程序。該程序在模糊控制過程中完成在線計(jì)算輸入變量<誤差和誤差變化率>,并將它們模糊化處理,查找查詢表后再作輸出處理。具體步驟如下:

①設(shè)置輸入、輸出變量及控制量的基本論域,預(yù)置量化因子、比例因子和采樣周期。

②判斷采樣時(shí)間到否,若時(shí)間已到,則轉(zhuǎn)向第三步,否則等待。

③啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

④計(jì)算誤差和誤差變化并判斷它們是否已超過上<下>限值,若已超過,則將其設(shè)定為上<下>限值。

⑤按給定的量化因子將誤差和誤差變化模糊化,并由此查詢存放在計(jì)算機(jī)存中的α修改規(guī)則查詢表,以選擇適當(dāng)?shù)摩林怠?/p>

⑥由下式計(jì)算控制量的值:U=-int[αe+<1-α>ec],將此值乘以給定的比例因子,若已超過上<下>限值,則設(shè)置為上<下>限值。

⑦啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換得到控制器實(shí)際輸出模擬量用來控制溫度箱的溫度。

6.3PC機(jī)與單片機(jī)串口通信軟件設(shè)計(jì)PC機(jī)與單片機(jī)串口通信通過MAX3225E串口通信芯片來實(shí)現(xiàn)。軟件的設(shè)計(jì)包括單片機(jī)串口通信和PC機(jī)<上位機(jī)>串口通信兩部分容,兩者必須遵從相同的通信協(xié)議才能正常通信。系統(tǒng)采用串口通信格式如下:波特率為4800bps,SMOD=1,單片機(jī)串口工作于方式1;用T1作為定時(shí)器,工作于方式2,fOSC=11.0592M。

將以上已知條件帶入下面的串口波特率計(jì)算公式:

計(jì)算得到:TH1=244<十進(jìn)制>=0F4H<十六進(jìn)制>。

數(shù)據(jù)位:8位;奇偶位:無;啟始位:1位;停止位:1位。

單片機(jī)串口通信程序包括串口初始化程序和中斷服務(wù)程序,用C51編寫。串口初始化程序是對(duì)串口工作方式進(jìn)行設(shè)置,控制寄存器PCON和SCON的設(shè)置以及定時(shí)器T1的設(shè)置。中斷服務(wù)程序主要是采用中斷方式來接收和發(fā)送數(shù)據(jù),同時(shí)要用軟件方式清除接收中斷標(biāo)志RI<響應(yīng)接收中斷后>和發(fā)送中斷標(biāo)志TI<響應(yīng)發(fā)送中斷后>。單片機(jī)串口通信程序流程框圖見圖8所示。PC機(jī)串口通信程序用于讀取單片機(jī)發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)和向單片機(jī)發(fā)送參數(shù)及命令,用Delphi6.0編制,利用串口控件SPCOMM可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)串口通信,其流程框圖見圖9所示。6.4抗干擾設(shè)計(jì)系統(tǒng)的抗干擾能力是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。本系統(tǒng)主要采用有硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)。

1>硬件抗干擾設(shè)計(jì)

①在后向通道設(shè)計(jì)中采用光電耦合器MOC3041。光電耦合器具有和高的絕緣電阻可達(dá)歐姆以上,并能承受2000V以上高壓,因而能有效隔離高電壓對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的各種噪聲干擾,抑制尖峰脈沖電壓,具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

②數(shù)字信號(hào)的傳輸采用雙絞線。雙絞線的阻抗高,抗共模噪聲能力強(qiáng),能使各個(gè)小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相互抵消,對(duì)電磁場(chǎng)具有一定的抑制效果。

③電源線應(yīng)盡量加粗。可使信號(hào)電平穩(wěn)定和增加抗干擾能力,使電源線能通過3倍于印刷電路板上的允許電流。

④接地線盡量構(gòu)成閉環(huán)路,可增加抗干擾能力。

⑤配置去耦電容。電源輸入端接10～100μF的電解電容,給每個(gè)IC集成芯片配置一個(gè)0.01μF的瓷電容器。

2>軟件抗干擾設(shè)計(jì)

采用限幅濾波法消除干擾,其方法是將兩次相鄰的采樣值求出其增量,然后與兩次采樣允許的最大差值Δy進(jìn)行比較;