空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、1 設(shè)計任務描述設(shè)計主要內(nèi)容及要求：設(shè)計一個空調(diào)控制器。 能利用單片機等原理部件模擬溫度的調(diào)控和顯示等功 能，空調(diào)器是能控制風機和壓縮機同時工作產(chǎn)生調(diào)節(jié)溫度的原理。 硬件要求能有 電路原理圖及各部件完整的實物分析等， 要對空調(diào)機有完整的了解。 才能達到此 次設(shè)計任務的效果。要求：1硬件電路設(shè)計，包括原理圖和 PCB板圖。2 ）控制器軟件設(shè)計。3 ）要求能夠設(shè)定溫度、測量溫度、顯示溫度、制冷控制以及風機控制。2 設(shè)計思路 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以說空調(diào)控制器是圍繞著一個核心部件來架設(shè)外圍部件的設(shè)備， 在這里核 心部件是大多數(shù)廠家都會選用的單片機，因為現(xiàn)在的單片機擁有很高的集成設(shè) 備，包含了大量的存

2、儲器和虛擬存儲等， 而且鍵盤輸入及顯示都是在內(nèi)部集成的 省卻了擴展外圍設(shè)備的麻煩， 這樣更能有利于我們著手于功能設(shè)置。系統(tǒng)的設(shè)計出空調(diào)器的原理和注意事項， 能方便的使用空調(diào)器來完成我們所 想達到的目的， 對于一般的空調(diào)器來說能自動的調(diào)節(jié)溫度的變化范圍， 可以說這 是一種恒溫的效果， 但是畢竟我們模擬的設(shè)備部能像真實的一樣細致。 所以我采 用燈和電機等代替采集和設(shè)定的比較結(jié)果，能很好的顯示和明顯的完成任務。環(huán)節(jié)設(shè)計、部件選擇及參數(shù)計算無疑對于空調(diào)器的設(shè)計來說， 要能人工智能的操作其能控制溫度的調(diào)節(jié)和設(shè) 定溫度的比較是一個較大的難題， 因為往往我們所用的都是十進制數(shù)即所說的阿 拉伯數(shù)字， 但是像單

3、片機這種高級的工具設(shè)備是不能識別的， 它只能識別機器碼 也就是術(shù)語說的機器語言，這就為我們采集溫度帶來了一個很大的難題。對于我所采集的溫度值來講，把每個溫度值分為 16 等份，在每一等份之間 我人為的規(guī)定每跳變一個數(shù)字度即比較一次， 當然采集的都是模擬信號這樣的話 單片機是不能用于比較的， 所以接入單片機之前用 A/D 轉(zhuǎn)換器把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 量，這樣通過單片機本身的比較器就能計算出設(shè)定值和采集值的判定工作模式和 是否應該工作電機和風機及壓縮機等外部設(shè)備。主要的步驟包括轉(zhuǎn)換十進制數(shù)和十六進制數(shù)， 這其中有一種方法叫按位加權(quán) 累加和法， 即當你把十進制數(shù)分別存儲在兩個存儲單元中， 即按十位和個位

4、的排 法，把個位的數(shù)值乘以 16 的零次方，并且存儲在原位，這時可以用另一個單元 的數(shù)乘以 16 的一次方這樣循環(huán)使用把兩者的數(shù)值相加，即能完成一個數(shù)的十進 制和十六進制的轉(zhuǎn)化。這樣當你的鍵盤有輸入值的時候， 每一個鍵值會自動轉(zhuǎn)化為每個存儲單元供 顯示作用。各部分部件選擇溫度采集電路中所選用的傳感器是熱電偶， 因為它測量精度高， 而且輸出的 是電壓信號，與攝氏溫度成正比，同時又能夠直接與單片機的 A/D直接相連，使 用方便，便于處理。溫度的采集是通過熱電偶的溫度采集電路，將溫度轉(zhuǎn)化成模擬電壓進行輸 出，作為輸入信號送給單片機，單片機的 A/D 最高輸入電壓為 2.4V ，對應于十 二位A/D轉(zhuǎn)

5、換器的最大值FFFH根據(jù)其對應關(guān)系得到A/D轉(zhuǎn)換后的值，存入固定的存儲單元中準備與溫度設(shè)定值進行比較。 在比較之前需要按照一定的比例值進 行轉(zhuǎn)換，這個比例值近似的取為16倍，得到一個新的十六進制數(shù)，由于選用的 傳感器每攝氏度對應，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到每攝氏度對應08H,再通過判斷查表即可得到溫度的十六進制數(shù)，再存到相應的單元中與設(shè)定值進行比較。當溫度高于設(shè)定值時進行制冷，溫度低于設(shè)定值時加熱，只有溫度處于人體適宜溫度提示 燈才不會亮。溫度設(shè)定是通過鍵盤輸入來完成的， 再通過查表得到可以進行比較 的數(shù)，存入相應的存儲單元，進行顯示?？傮w功能解析它主要完成的功能就是可以設(shè)定溫度，實時采集溫度并在LE

6、D上顯示設(shè)定溫 度和當前溫度。我設(shè)計的空調(diào)控制器硬件部分主要有溫度采集傳感器應用電路、 制冷電路、加熱電路、指示燈電路、C8051F020單片機，以及單片機的復位和晶振電路。設(shè)計方框圖幗 k 掛星j ； r咿片和L<:I F J純炷啊圖空調(diào)控制器框圖圖空調(diào)控制器程序流程圖3各部分硬件電路設(shè)計及參數(shù)計算電源電路設(shè)計圖電源電路單片機所采用的電源是，還有復位電路和其他電路也需要直流電源，而家用電是交流220V,所以需要進行整流、濾波。需要將輸入為5V9V的電壓值穩(wěn)壓到需要使用兩塊 LM7805和1117穩(wěn)壓芯 片。其中LM7805的作用是將輸入為5V9V的電壓穩(wěn)壓為5V,滿足1117穩(wěn)壓芯 片

7、的工作電壓(5V),經(jīng)過1117穩(wěn)壓芯片后其輸出的電壓為所需的電壓。LM7805系列為3端正穩(wěn)壓電路，TO-220封裝，能提供多種固定的輸出電 壓，應用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達1A。雖然是固定穩(wěn)壓電 路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。 主要特點：(1) 輸出電流可達1A(2) 輸出電壓有：5V(3) 過熱保護(4) 短路保護(5) 輸出晶體管SOA保護單片機電路單片機正常工作時，除了要加恒壓電源外，還需要設(shè)計復位電路和晶振電路， 我所設(shè)計的復位電路既可以上電復位，又可以在單片機非正常工作時進行手動復 位，晶振米用的是12MHZ外部晶振。通電時，電

8、容C2進行充電，電路導通，充 電結(jié)束后，復位結(jié)束，充電時間決定復位時間。工作過程中，當按下復位鍵后， 電路導通，按鍵時間決定了復位時間。電路中電容G的作用是抑制干擾從復位端進入。器件內(nèi)還集成了外部振蕩器驅(qū)動電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電 容、RC或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。復位電路和晶振電路圖如下所示:C3IIII1L1 1 R2 r-14圖單片機復位及晶振電路鍵盤和顯示電路PB和PC口是8255兩個八位帶鎖存的輸入口，可實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)鎖存。PB口的端口地址為8001H, PC 口的端口地址為8002Ho PA 口未用。用PB 口作六個數(shù) 碼管的位選。用8708作顯示器的位選驅(qū)動。PC口作字型

9、碼鎖存。8255控制字的 端口地址是8003H 8078作數(shù)碼管字型顯示驅(qū)動。六位數(shù)碼管采用共陰極方式。 鍵盤及顯示電路如下圖所示：圖鍵盤輸入電路8255擴展接口是由高八位地址（A8A15）通過74LS138譯碼產(chǎn)生的。PA,PB,PC口和8255控制口的地址分別是 8000H,8001H,8002H和8003H,它們由低 位地址A0和A1區(qū)別。低位地址A0和A1從低位地址鎖存器74LS138的輸出端引 出。溫度傳感器的選擇本系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅熱電偶作為溫度傳感器，由熱電偶的特性可知，進入 放大器的電壓信號實為熱電偶冷熱端溫差引起的熱電勢信號，冷端處于設(shè)定溫 度，熱端處于外界室溫，單片機的A/

10、D通道可以直接采集熱電偶信號，經(jīng)冷端溫 度補償后，在查K分度表則可以得到熱端溫度值，室溫的測量可以經(jīng)過熱電阻式 傳感器變化為電壓信號，經(jīng)放大后直接送給單片機的 A/D通道，單片機程序自動 完成熱電偶信號的采集和冷端信號采集，計算出實際的溫度，從而控制控制空調(diào)的外部設(shè)備工作。外圍部件的選擇在單片機的程序中需要設(shè)定適宜溫度的范圍，當從傳感器接受的溫度電壓信 號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，室內(nèi)溫度高于或者低于設(shè)定的范圍，那么指示燈亮，通過編寫單片機的I/O輸出來控制指示信號的發(fā)出。當采集溫度高于設(shè)定溫度時，需進 行制冷，通過程序的設(shè)計啟動風機；當采集溫度低于設(shè)定溫度需利用電機進行加 熱。由于二極管所能承受的最大

11、電流為 20mA,而電源電壓為5V,所以應串接 個電阻，其阻值最小為：20 10 34 主要元器件介紹熱電偶傳感器鎳鉻溫度傳感器是一種電壓輸出型精密溫度傳感器。 它工作類似于齊納二極 管，其反向擊穿電壓隨絕緣溫度以 10mV / K 的比例變化。該器件在工作電流為 400uA : 500uA 范圍內(nèi)的動態(tài)電阻小于 1 ，當對它在 25 C 校準后，它在范圍內(nèi) 具有小于的典型誤差。熱電偶可應用于范圍在 40: 150 C 內(nèi)的任何形式的溫度 檢測，它的低阻抗和線性輸出使得其讀出和控制接口電路非常簡單。 熱電偶測溫 范圍分別為 40: 100 C 。其短時間使用測溫上限可擴寬至 120 C。 主要

12、特點：(1) ? 在絕對溫度下直接校準。(2) ? 1 C的初始精度。(3) 工作于400uA5mA電流范圍。(4) 低于1 Q的動態(tài)阻抗。(5) ? 容易校準 。(6) -40 C +100C寬工作溫度范圍。8255 擴展芯片8255是 Intel 公司生產(chǎn)的可編程并行 I/O 接口芯片，有 3 個 8 位并行 I/O 口。具有 3 個通道 3 種工作方式的可編程并行接口芯片( 40 引腳)。 其各口功 能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。 8255 可作為單片機與多種外設(shè)連接時 的中間接口電路。 8255 作為主機與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機相連的 3 個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控

13、制線接口。同時必須具有與外設(shè)連接的接口A、B、C 口。由于8255可編程,所以必須具有邏輯控制部分，因而 8255內(nèi)部結(jié) 構(gòu)分為3個部分：與CPU®接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。主要特點：8255 管腳特性如下：(1) 一個并行輸入/輸出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作為CPUS、線與外 圍的接口。(2) 具有24個可編程設(shè)置的I/O 口，即3組8位的I/O 口為PAD ,PB 口和PC 口 它們又可分為兩組12位的I/O 口 ,A組包括A 口及C 口(高4位,PC4PC7),B 組包括B 口及C 口(低4位,PC0PC3).A組可設(shè)置為基本的I/O 口，閃控(STROBE

14、) 的 I/O 閃控式 , 雙向 I/O3 種模式 ;B 組只能設(shè)置為基本 I/O 或閃控式 I/O 兩種模 式, 而這些操作模式完全由控制寄存器的控制字決定。引腳功能：(1) RESET復位輸入線，當該輸入端處于高電平時，所有內(nèi)部寄存器(包括 控制寄存器)均被清除，所有 I/O 口均被置成輸入方式。(2) CS:芯片選擇信號線，當這個輸入引腳為低電平時 ,即/CS=0時，表示芯 片被選中，允許8255與CPUS行通訊;/CS=1時,8255無法與CPU故數(shù)據(jù)傳輸.(3) RD:讀信號線，當這個輸入引腳為低電平時,即/RD=O且/CS=0時，允許 8255通過數(shù)據(jù)總線向CPL發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息

15、，即CPL從 8255讀取信息或數(shù)據(jù)。WR:寫入信號，當這個輸入引腳為低電平時，即/WR=O且/CS=O時，允許 CPU各數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。(5) DOD7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPL數(shù)據(jù)傳送的通道，當CPU執(zhí)行 輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn) 8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過 數(shù)據(jù)總線傳送。(6) PA(PA7:端口 A輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一 個 8 位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。(7) PB(PB7:端口 B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器，一個8位的輸 入輸出緩沖器。(8) PC(PC7:端口 C輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一

16、個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口 C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個4位的端口， 每個4位的端口包含一個4位的鎖存器，分別與端口 A和端口 B配合使用，可作 為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。(9) A0,A1:地址選擇線，用來選擇8255的PAD ,PB 口 ,PC 口和控制寄存器。 當 A0=0,A1=0時,PA 口被選擇；當 A0=0,A1=1 時,PB 口被選擇；當 A0=1,A1=0時,PC 口被選擇；當A0=1時，控制寄存器被選擇。C8051F020 系列單片機本系統(tǒng)的核心控制部件采用 Silicon Laboratories 公司生產(chǎn)的 C8051F020 單片機作為控制器。C8051

17、F系列單片機是集成的混合信號片上系統(tǒng)(SOC)，具有 與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051的數(shù)字外設(shè)部 件之外，片內(nèi)還集成的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及 功能部件。C8051F系列單片機的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC DAC電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus/|2C、UART SPI、可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA)、定時器、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時 器WD1和時鐘振蕩器等。C8051F020單片機是C8051F系列中一個比較有代表性的型號，該器件是完 全集成的混合信號系統(tǒng)級 SCM芯片，具有

18、64個數(shù)字I/O引腳。主要性能：(1) 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的MCS-51內(nèi)核(可達25MIPS)。(2) 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口 (片內(nèi) )。(3) 真正12位、100ksps的8通道ADC帶PGA和模擬多路開關(guān)。(4) 真正8位、500ksps的ADC帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)。(5) 兩個12位DAC具有可編程數(shù)據(jù)更新方式。(6) 64KB 可在系統(tǒng)編程的 Flash 存儲器。(7) 4352(4096+256)B 的片內(nèi) RAM。(8) 可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口。(9) 硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/l2C和兩個UART串行接口。(10) 5 個通

19、用的 16 位定時器。(11) 具有 5 個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù) /定時器陣列。C8051F系列單片機都可工作在工業(yè)溫度范圍 (-45+85 C)內(nèi)用的電壓工 作。端口 I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F020為100 引腳TQFP封裝。5控制算法的研究PID算法的研究PID 是一種負反饋控制，用設(shè)定的控制目標值與受控對象的輸出反饋值相比 較，對其差作比例、微分、積分后用來控制受控對象。PID控制規(guī)則：u =1 e (3l1edt TDdeTi 0dt式中占為比例帶，介為積分時間，與為微分時間。傳遞函數(shù)為1 1G s =1T d s -(3-2)Ti3、

20、TI、TD的改變對控制作用影響很大：S越大，比例調(diào)節(jié)的殘差越大，從這 一點說，S越小能使殘差越小。但S小則使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益加大， 從而可能 導致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定，系統(tǒng)首先要穩(wěn)定，所以比例帶的設(shè)定必須保證一 定的穩(wěn)定裕度TI越大即積分速度越小，積分作用越弱，使過度時間變長，達到 穩(wěn)定的速度越慢。TI越小積分速度越快，而增大積分速度會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn) 定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程；TD則主要改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，TD增大會 加快系統(tǒng)的響應，降低超調(diào)，增大系統(tǒng)穩(wěn)定性，但 TD過大，會使系統(tǒng)的抗干擾 能力減弱，而且微分環(huán)節(jié)對純滯后過程無效。PID控制器中，3、TI、TD的選擇如果合適，則能發(fā)

21、揮它們的長處，從而較好地控制系統(tǒng)，否則，不僅不能發(fā)揮各 種調(diào)節(jié)作用，反而適得其反。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一種計算 機數(shù)字控制。模糊控制模仿人的思維通過把精確量模糊化，通過模糊推理，然后經(jīng)過清晰化處理得到控制量。模糊控制算法模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種 計算機數(shù)字控制。尤其是模糊控制和遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡及混沌理論等新學科相 結(jié)合，正在顯示出其巨大的應用潛力。模糊控制原理 模糊控制的引入隨著計算機的發(fā)展和應用，自動控制理論和技術(shù)獲得了飛躍的發(fā)展， 在解決 線性或非線性，定?；驎r變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題上，獲得

22、了廣泛的應用。但是，采用傳統(tǒng)控制理論來設(shè)計一個控制系統(tǒng)， 需要事先知道被控對象精確的數(shù)學 模型，然后再根據(jù)給定的性能指標選擇適當?shù)目刂埔?guī)律，進行控制系統(tǒng)設(shè)計。然而，在許多情況下，被控對象的精確數(shù)學模型很難建立，有時甚至是不可能的。 這樣一來，對于這類對象或過程就難以進行自動控制。與此相反，對于一些難以自動控制的生產(chǎn)過程，有經(jīng)驗的操作人員進行手動控制，卻可以達到滿意的效果。 這是由于作為操作者的人在長期的操作實踐中獲得了對系統(tǒng)的認識，在頭腦中形成了他自己對該系統(tǒng)的認識模型， 并積累了操作經(jīng)驗。總結(jié)人的控制行為，用語 言描述人的手動控制決策，形成一系列的條件語句和決策規(guī)則， 進而設(shè)計一個控 制器，

23、利用計算機實現(xiàn)這些控制規(guī)則， 再驅(qū)動設(shè)備對工業(yè)過程進行控制， 這就是 模糊控制。實踐表明，模糊控制器具有以下幾個特點 ：1. 它不需要知道被控對象或過程的精確數(shù)學模型。2. 易于實現(xiàn)對不確定性系統(tǒng)和強非線性系統(tǒng)的控制。3對被控對象或過程參數(shù)的變化有較強的魯棒性。4對干擾有較強的抑制能力。 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識 表示和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)，采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù) 字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。圖模糊控制系統(tǒng)框圖模糊控制系統(tǒng)一般由四個部分組成：1. 模糊控制器：它是以模糊邏輯

24、推理為主要組成部分，同時又具有模糊化和 去模糊功能的控制器。2. 輸入/輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信 號，送給執(zhí)行機構(gòu)去控制被控對象。3. 廣義對象：包括被控對象和執(zhí)行機構(gòu)。被控對象可以是線性或非線性的、定?；驎r變的、也可以是單變量或多變量的、有時滯或無時滯的以及有強干擾的 多種情況。4. 傳感器：傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號的一類裝置。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統(tǒng)的精度。模糊控制的基本概念(1)模糊集合模糊集合用于在無法明確

25、地定義元素是否屬于集合的情況下， 利用一種度量 來表示某一元素屬于這一集合的程度，這就是隸屬度，也就是級別。 當一個元素 肯定屬于這一集合時，級別為1,肯定不屬于這一集合時，級別為 0,其余的級別為0到1的中間值。以論域為離散有限集xl, x2, xn為例，設(shè)A(xi)=ui(i=1,2.n)，模糊集合用扎德法表示如下：A=量化因子U1U2UnX1X2Xn(3-3)連續(xù)論域進行離散化的過程稱為量化。設(shè)有連續(xù)論域 a, b，量化后的離散 論域為-n，-n+1,，0,，n-1, n，將連續(xù)論域分為2n段，則有系數(shù)K=2n/ (b-a) ， K稱為量化因子。比例因子偏差的基本論域與偏差的實際變化范圍

26、的比值稱為比例因子。 當偏差的實際 變化范圍超出基本論域的范圍時， 采用最大輸出或零輸出。對于偏差的任何采樣 值，乘以比例因子后取整，可以得到相應的值。模糊控制過程模糊控制過程可以分為以下三個步驟：模糊化過程、模糊推理過程和反模糊 化過程。(1)模糊化過程模糊化(Fuzzification) 就是將基礎(chǔ)變量論域上的確定量變換成基礎(chǔ)變量論 域上的模糊集的過程。其主要功能就是根據(jù)輸入變量的隸屬度函數(shù)求出精確輸入 量相對于輸入變量各語言值的隸屬度。常規(guī)控制都是用系統(tǒng)的實際輸出值與設(shè)定 值相比較，得到一個偏差值E,控制器根據(jù)這個偏差值及偏差值的變化率來決定 如何對系統(tǒng)進行控制。 無論是偏差還是偏差的變

27、化率都是精確的輸入值， 要采用 模糊控制技術(shù)就必須首先把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。 因此，要實現(xiàn)模糊 控制就要先通過傳感器和變送器把被控量變換成電量，再通過模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器得到 精確的數(shù)字量。 精確輸入量輸入至模糊控制器后， 首先要把精確量轉(zhuǎn)換成模糊集 合的隸屬函數(shù)，這就是精確量的模糊化或者模糊量化。(2) 模糊推理過程模糊推理過程就是對于給定的模糊輸入量， 模糊控制器根據(jù)判定的模糊規(guī)則 和事先確定好的推理方法進行模糊推理， 求出模糊輸出量的過程。 模糊推理是模 糊控制器的核心， 它具有模擬人類基于模糊概念的推理能力， 是基于模糊邏輯中 的蘊含關(guān)系及推理規(guī)則來進行的。 模糊控制是模仿人的思

28、維方式和人的控制經(jīng)驗 來實現(xiàn)的一種控制。 根據(jù)有經(jīng)驗的操作者或者專家的經(jīng)驗制訂出相應的控制規(guī)則 即是模糊控制規(guī)則，它是模糊控制器的核心。 為了能存入計算機， 就必須對控制 規(guī)則進行形式化處理， 再模仿人的模糊邏輯推理過程確定推理方法， 控制器根據(jù) 制訂的模糊控制規(guī)則和事先確定好的推理方法進行模糊推理，得到模糊輸出量， 即模糊輸出隸屬函數(shù)， 這就是模糊控制規(guī)則的形成和推理。 其目的是用模糊輸入 值去適配控制規(guī)則， 為每個控制規(guī)則確定其適配的程度， 并通過加權(quán)計算合并那 些規(guī)則的輸出。(3) 模糊量的去模糊模糊量的去模糊 (Defuzzification) 就是將基礎(chǔ)變量論域上的模糊集變換成 基礎(chǔ)

29、變量論域上的確定值的過程。根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)， 用不同的方法找一個具有代表性的精確值作為控制量， 就是模糊量的去模糊； 它 要求在推理得到的模糊集合中取一個最能代表這個模糊推理結(jié)果可能性的精確 量，去控制或驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。(4) 模糊控制器及系統(tǒng)設(shè)計 模糊控制器 (Fuzzy Controller) 在模糊自動控制系統(tǒng)中占有舉足輕重的地 位，因此在模糊控制系統(tǒng)中， 設(shè)計和調(diào)整模糊控制器的工作是很重要的。 模糊控 制器的設(shè)計包括以下幾項內(nèi)容 :1) 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。2) 設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則。3) 建立模糊化和反模糊化的方法。4) 選擇模糊控制器的輸入變

30、量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)( 如量化因子、比例因子 ) 。5) 編制模糊控制算法的應用程序。6) 合理選擇模糊控制算法的采樣時間。(5) 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計模糊控制器有兩種組成方式，一種是由模糊邏輯芯片組成的硬件專用模糊控 制器，它是用硬件芯片來直接實現(xiàn)模糊控制算法； 另一種是用微處理器組成硬件 系統(tǒng)，用軟件來實現(xiàn)模糊控制算法， 這種模糊控制器的特點是資源開銷小、 靈活 性高、通用性強、應用范圍廣。在一般控制系統(tǒng)中，目前多采用第二種方式。模 糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。模糊控制器的輸入一般有三個：偏差、偏差的變化及偏差變化的變化，輸出變量一般選擇控

31、制 量的變化。目前廣泛采用的是二維模糊控制器， 這種控制器的輸入變量選偏差及 偏差的變化，以控制量的變化為輸出變量。 根據(jù)本系統(tǒng)的特點及控制要求，模糊 控制器選用二維結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖所示根據(jù)本系統(tǒng)的特點及控制要求，模糊控制器采用雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)，分別用偏差e和偏差的變化率厶e作為輸入變量，以控制量u作為輸出變量。(6) 精確量的模糊化在溫室溫度模糊控制器里，將鍵盤輸入的溫度值作為給定值T,由傳感器測量得到的溫度值記為t(k)，則誤差e及誤差的變化 e為：e(k) = T-t(k)(3-2) e(k) = e(k)-e(k-1)(3-3)將e (k)和厶e (k)作為溫度模糊控制器的輸入變量，輸

32、出變量為加熱器及風扇 的通斷狀態(tài)。根據(jù)溫室的實際工作情況，從溫帶植物三基點溫度如表2-1所示，可以看出其適宜溫度變化值在10°C左右，考慮到實際檢測條件和適當?shù)目刂凭?，將溫度誤差的基本論域定為-5 C+5C,溫度誤差變化的基本論域定為 -1 C+1C 0為提高控制精度和響應速度，將溫度的控制范圍分為模糊控制區(qū) 和確定控制區(qū)，以溫度設(shè)定值的土 5C為界。溫度在設(shè)定值的土 5'C以內(nèi)為模糊 控制區(qū)，以外為確定控制區(qū)。在確定控制區(qū)，系統(tǒng)將進行強制冷卻或加熱，并發(fā) 出溫度超標報警信號。而在模糊控制區(qū)，將溫度偏差、偏差變化率的模糊集合分為7個模糊子集，分別為 PB(正大)，PM正中)

33、，PS(正小)，Z(零)，NS(負小)， NM負中)，NB(負大)°選取語言變量e, e的論域均為:x=-4，-3，-2，-1, 0, 1,2, 3, 4溫度偏差、偏差變化率的隸屬函數(shù)賦值表如表所示表e的隸屬度函數(shù)賦值表論域-4-3-2-101234NB10000000NM10000NS0010000Z0001000PS0000100PM00001PB00000001控量的隸屬函數(shù)形狀可以是三角形、梯形、單點或其它形狀。采用單點為控制量在實際處理時較為方便，因為這時只要知道控制量的模糊量也就知道了實際 用于控制的論域元素。本系統(tǒng)控制量的模糊劃分采用單點，分為7個模糊子集，分別為PB（

34、正大），PM正中），PS（正小），Z（零），NS（負?。?，NM負中），NB（負 大）。選取語言變量u的論域為:-3，-2，-1,0,1,2, 3。控制量的隸屬函數(shù)如圖所示。7.圖U的隸屬度函數(shù)（7）模糊控制規(guī)則模糊控制規(guī)則實際上是總結(jié)有經(jīng)驗的操作者或?qū)＜业目刂浦R和經(jīng)驗制定 出的一條條模糊條件語句的集合，通常簡寫成一個表，即模糊控制規(guī)則表。確定模糊控制規(guī)則的原則必須是系統(tǒng)輸出響應的動靜態(tài)特性達到最佳。當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當誤差較小時，選擇控制量要注意防 止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。（8）模糊控制算法設(shè)計控制算法是模糊控制的關(guān)鍵，可根據(jù)不同的系統(tǒng)情況選用不同的控制算法， 常用的有查表和公式法。本系統(tǒng)采用查表法實現(xiàn)模糊控制算法。查表法是根據(jù)模 糊控制規(guī)則表，求出輸入量論域元素和輸出量論域元素之間的關(guān)系，形成一個表 格，這個表格稱為控制表。產(chǎn)生控制表的方法有兩種，一種是間接法，首先求出 模糊關(guān)系R,再根據(jù)輸入的偏差和偏差變化率求出控制量，最后把控制量精確化，得到控制表；另一種是直接法，直接從控