空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1設(shè)計(jì)任務(wù)描述1.1設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求：設(shè)計(jì)一個(gè)空調(diào)控制器。能利用單片機(jī)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(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)同時(shí)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(shí)物分析等，要對(duì)空調(diào)機(jī)有完整的了解。才能達(dá)到此次設(shè)計(jì)任務(wù)的效果。要求：1）硬件電路設(shè)計(jì)，包括原理圖和PCB板圖。 2）控制器軟件設(shè)計(jì)。 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(fēng)機(jī)控制。2設(shè)計(jì)思路2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以說空調(diào)控制器是圍繞著一個(gè)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(huì)選用的單片機(jī)，因?yàn)楝F(xiàn)在的單片機(jī)擁有很高的集成設(shè)備，包含了大量的存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)

2、等，而且鍵盤輸入及顯示都是在內(nèi)部集成的省卻了擴(kuò)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(jì)出空調(diào)器的原理和注意事項(xiàng)，能方便的使用空調(diào)器來完成我們所想達(dá)到的目的，對(duì)于一般的空調(diào)器來說能自動(dòng)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(shí)的一樣細(xì)致。所以我采用燈和電機(jī)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(wù)。2.2環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、部件選擇及參數(shù)計(jì)算無疑對(duì)于空調(diào)器的設(shè)計(jì)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(gè)較大的難題，因?yàn)橥覀兯玫亩际鞘M(jìn)制數(shù)即所說的阿拉伯?dāng)?shù)字，但是像單片機(jī)這種高級(jí)的工具設(shè)備是不能識(shí)別的，它

3、只能識(shí)別機(jī)器碼也就是術(shù)語說的機(jī)器語言，這就為我們采集溫度帶來了一個(gè)很大的難題。對(duì)于我所采集的溫度值來講，把每個(gè)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(gè)數(shù)字度即比較一次，當(dāng)然采集的都是模擬信號(hào)這樣的話單片機(jī)是不能用于比較的，所以接入單片機(jī)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(jī)本身的比較器就能計(jì)算出設(shè)定值和采集值的判定工作模式和是否應(yīng)該工作電機(jī)和風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)等外部設(shè)備。主要的步驟包括轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)，這其中有一種方法叫按位加權(quán)累加和法，即當(dāng)你把十進(jìn)制數(shù)分別存儲(chǔ)在兩個(gè)存儲(chǔ)單元中，即按十位和個(gè)位的排法，把個(gè)位的數(shù)值乘以16的零次方，并且存儲(chǔ)在原位，這時(shí)可以用另一個(gè)

4、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(gè)數(shù)的十進(jìn)制和十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)化。這樣當(dāng)你的鍵盤有輸入值的時(shí)候，每一個(gè)鍵值會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為每個(gè)存儲(chǔ)單元供顯示作用。2.3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?yàn)樗鼫y量精度高，而且輸出的是電壓信號(hào)，與攝氏溫度成正比，同時(shí)又能夠直接與單片機(jī)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(jìn)行輸出，作為輸入信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)的A/D最高輸入電壓為，對(duì)應(yīng)于十二位A/D轉(zhuǎn)換器的最大值FFFH,根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系得到A/D轉(zhuǎn)換后的值，存入固定的存儲(chǔ)單元中準(zhǔn)備與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較。在比較之

5、前需要按照一定的比例值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這個(gè)比例值近似的取為16倍，得到一個(gè)新的十六進(jìn)制數(shù)，由于選用的傳感器每攝氏度對(duì)應(yīng)0.01V，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到每攝氏度對(duì)應(yīng)08H,再通過判斷查表即可得到溫度的十六進(jìn)制數(shù)，再存到相應(yīng)的單元中與設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行制冷，溫度低于設(shè)定值時(shí)加熱，只有溫度處于人體適宜溫度提示燈才不會(huì)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(jìn)行比較的數(shù)，存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，進(jìn)行顯示。2.4總體功能解析它主要完成的功能就是可以設(shè)定溫度，實(shí)時(shí)采集溫度并在LED上顯示設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度。我設(shè)計(jì)的空調(diào)控制器硬件部分主要有溫度采集傳感器應(yīng)用電路、制冷電路、加熱電路、指

6、示燈電路、C8051F020單片機(jī)，以及單片機(jī)的復(fù)位和晶振電路。2.5設(shè)計(jì)方框圖 圖2.1空調(diào)控制器框圖圖2.2空調(diào)控制器程序流程圖3各部分硬件電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算3.1電源電路設(shè)計(jì)圖3.1電源電路單片機(jī)所采用的電源是3.3V，還有復(fù)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(jìn)行整流、濾波。需要將輸入為5V9V的電壓值穩(wěn)壓到3.3V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3.3V電壓。LM7805 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路,TO-2

7、20 封裝，能提供多 種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保 護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 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(diǎn)：（1）輸出電流可達(dá) 1A（2）輸出電壓有：5V（3）過熱保護(hù) （4）短路保護(hù)（5）輸出晶體管 SOA 保護(hù)3.2單片機(jī)電路單片機(jī)正常工作時(shí)，除了要加恒壓電源外，還需要設(shè)計(jì)復(fù)位電路和晶振電路，我所設(shè)計(jì)的復(fù)位電路既可以上電復(fù)位，又可以在單片機(jī)非正常工作時(shí)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，晶振采用的是12MHZ外部晶振。通電時(shí)，電容進(jìn)行充電，電路導(dǎo)通，充電結(jié)束后，復(fù)位結(jié)束，充電時(shí)間決定復(fù)位時(shí)間。工作過程中，當(dāng)按下復(fù)位鍵后，電路導(dǎo)通，按

8、鍵時(shí)間決定了復(fù)位時(shí)間。電路中電容的作用是抑制干擾從復(fù)位端進(jìn)入。器件內(nèi)還集成了外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC 或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。復(fù)位電路和晶振電路圖如下所示： 圖3.2單片機(jī)復(fù)位及晶振電路3.3鍵盤和顯示電路PB和PC口是8255兩個(gè)八位帶鎖存的輸入口，可實(shí)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8002H。PA口未用。用PB口作六個(gè)數(shù)碼管的位選。用8708作顯示器的位選驅(qū)動(dòng)。PC口作字型碼鎖存。8255控制字的端口地址是8003H。8078作數(shù)碼管字型顯示驅(qū)動(dòng)。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3.3鍵盤輸入電路圖3

9、.4輸出顯示電路8255擴(kuò)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。3.4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(jìn)入放大器的電壓信號(hào)實(shí)為熱電偶冷熱端溫差引起的熱電勢信號(hào)，冷端處于設(shè)定溫度，熱端處于外界室溫，單片機(jī)的A/D通道可以直接采集熱電偶信號(hào)，經(jīng)冷端溫度補(bǔ)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(hào)，經(jīng)放

10、大后直接送給單片機(jī)的A/D通道，單片機(jī)程序自動(dòng)完成熱電偶信號(hào)的采集和冷端信號(hào)采集，計(jì)算出實(shí)際的溫度，從而控制控制空調(diào)的外部設(shè)備工作。圖3.5傳感器采集電路3.5外圍部件的選擇在單片機(jī)的程序中需要設(shè)定適宜溫度的范圍，當(dāng)從傳感器接受的溫度電壓信號(hào)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(jī)的I/O輸出來控制指示信號(hào)的發(fā)出。當(dāng)采集溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，需進(jìn)行制冷，通過程序的設(shè)計(jì)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)；當(dāng)采集溫度低于設(shè)定溫度需利用電機(jī)進(jìn)行加熱。圖3.6外部工作燈電路由于二極管所能承受的最大電流為,而電源電壓為5V，所以應(yīng)串接一個(gè)電阻，其阻值最小為： 4 主要元器件介紹4.1熱電偶傳感器

11、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的比例變化。該器件在工作電流為范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)電阻小于，當(dāng)對(duì)它在校準(zhǔn)后，它在范圍內(nèi)具有小于的典型誤差。熱電偶可應(yīng)用于范圍在內(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。其短時(shí)間使用測溫上限可擴(kuò)寬至。主要特點(diǎn)：(1)  在絕對(duì)溫度下直接校準(zhǔn)。(2)  1的初始精度。(3) 工作于400uA5mA電流范圍。(4) 低于1的動(dòng)態(tài)阻抗 。(5)  容易校準(zhǔn) 。(6) -40+100寬工作溫度范圍。4.2 8255擴(kuò)展芯片8255

12、是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個(gè)8位并行I/O口。具有3個(gè)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(qiáng)。8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時(shí)的中間接口電路。8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機(jī)相連的3個(gè)總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時(shí)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(gè)部分：與CPU連接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。主要特點(diǎn)：8255管腳特性如下：(1)一個(gè)并行輸入/輸出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作為CPU總線與

13、外圍的接口。 (2)具有24個(gè)可編程設(shè)置的I/O口,即3組8位的I/O口為PA口,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)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(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平時(shí)，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(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí),即/CS

14、=0時(shí),表示芯片被選中，允許8255與CPU進(jìn)行通訊;/CS=1時(shí),8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸. (3) RD:讀信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí),即/RD=0且/CS=0時(shí),允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。 (4) WR:寫入信號(hào)，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí),即/WR=0且/CS=0時(shí),允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。 (5) D0D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，通過它實(shí)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) PA0PA7:端口A輸入輸出線，一個(gè)8

15、位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 (7) PB0PB7:端口B輸入輸出線，一個(gè)8位的I/O鎖存器， 一個(gè)8位的輸入輸出緩沖器。 (8) PC0PC7:端口C輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個(gè)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(gè)4位的端口， 每個(gè)4位的端口包含一個(gè)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(hào)輸出或狀態(tài)信號(hào)輸入端口。(9) A0,A1:地址選擇線,用來選擇8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器。當(dāng)A0=0,A1=0時(shí),PA口被選擇;當(dāng)A0=0,A1=1時(shí),PB口被選擇;當(dāng)A0=1,A1=0時(shí),PC口

16、被選擇;當(dāng)A0=1.A1=1時(shí),控制寄存器被選擇。4.3 C8051F020系列單片機(jī)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(jī)作為控制器。C8051F系列單片機(jī)是集成的混合信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(

17、PCA)、定時(shí)器、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器WDT和時(shí)鐘振蕩器等。C8051F020單片機(jī)是C8051F系列中一個(gè)比較有代表性的型號(hào)，該器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)SCM芯片，具有64個(gè)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(dá)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(gè)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(chǔ)器。(

18、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(chǔ)器接口。(9) 硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口。(10) 5個(gè)通用的16位定時(shí)器。(11) 具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器陣列。 C8051F系列單片機(jī)都可工作在工業(yè)溫度范圍(-45+85)內(nèi)用2.73.6V的電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓。C8051F020為100引腳TQFP封裝。5控制算法的研究5.1 PID算法的研究 PID是一種負(fù)反饋控制，用設(shè)定的控制目標(biāo)值與受控對(duì)象的輸出反饋值相比較，對(duì)其差作比例、微分、積分后用

19、來控制受控對(duì)象。PID控制規(guī)則: u = (3-1) 式中占為比例帶，介為積分時(shí)間，與為微分時(shí)間。傳遞函數(shù)為:G= (3-2) 、TI、TD的改變對(duì)控制作用影響很大: 越大，比例調(diào)節(jié)的殘差越大，從這一點(diǎn)說，越小能使殘差越小。但小則使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益加大，從而可能導(dǎo)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(shí)間變長，達(dá)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(huì)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(dòng)態(tài)性能，TD增大會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)，降低超調(diào)，增大系統(tǒng)穩(wěn)定性，但TD過大，

20、會(huì)使系統(tǒng)的抗干擾能力減弱，而且微分環(huán)節(jié)對(duì)純滯后過程無效。PID控制器中，、TI、TD的選擇如果合適，則能發(fā)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。5.2模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jì)算機(jī)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。5.2.1模糊控制算法 模糊自動(dòng)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(jì)算機(jī)數(shù)字控制。尤其是模糊控制和遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及混沌理論等新學(xué)科相結(jié)合，正在顯示出其巨大的應(yīng)用潛力。模糊控制原理模糊控制的引入 隨著計(jì)

21、算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，自動(dòng)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(shí)變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題上，獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，采用傳統(tǒng)控制理論來設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，需要事先知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，然后再根據(jù)給定的性能指標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，在許多情況下，被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立，有時(shí)甚至是不可能的。這樣一來，對(duì)于這類對(duì)象或過程就難以進(jìn)行自動(dòng)控制。與此相反，對(duì)于一些難以自動(dòng)控制的生產(chǎn)過程，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)控制，卻可以達(dá)到滿意的效果。這是由于作為操作者的人在長期的操作實(shí)踐中獲得了對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，在頭腦中形成了他自己對(duì)該系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)模型，并積累了操作經(jīng)驗(yàn)。

22、總結(jié)人的控制行為，用語言描述人的手動(dòng)控制決策，形成一系列的條件語句和決策規(guī)則，進(jìn)而設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這些控制規(guī)則，再驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)工業(yè)過程進(jìn)行控制，這就是模糊控制。實(shí)踐表明，模糊控制器具有以下幾個(gè)特點(diǎn): 1.它不需要知道被控對(duì)象或過程的精確數(shù)學(xué)模型。 2.易于實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定性系統(tǒng)和強(qiáng)非線性系統(tǒng)的控制。 3.對(duì)被控對(duì)象或過程參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。 4.對(duì)干擾有較強(qiáng)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(dòng)控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)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)

23、構(gòu)如圖3.1所示。 圖3.1模糊控制系統(tǒng)框圖模糊控制系統(tǒng)一般由四個(gè)部分組成: l.模糊控制器:它是以模糊邏輯推理為主要組成部分，同時(shí)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(duì)象獲取數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對(duì)象。 3.廣義對(duì)象:包括被控對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。被控對(duì)象可以是線性或非線性的、定?；驎r(shí)變的、也可以是單變量或多變量的、有時(shí)滯或無時(shí)滯的以及有強(qiáng)干擾的多種情況。 4.傳感器:傳感器是將被控對(duì)象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類裝置。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要

24、的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。5.2.2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(jí)別。當(dāng)一個(gè)元素肯定屬于這一集合時(shí)，級(jí)別為1，肯定不屬于這一集合時(shí)，級(jí)別為0，其余的級(jí)別為0到1的中間值。以論域?yàn)殡x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= （3-3）(2)量化因子 連續(xù)論域進(jìn)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?yàn)?n，-n+1,，0,，n-1, n，將連續(xù)論域分為2n段，則

25、有系數(shù)K=2n/ (b-a)，K稱為量化因子。(3)比例因子 偏差的基本論域與偏差的實(shí)際變化范圍的比值稱為比例因子。當(dāng)偏差的實(shí)際變化范圍超出基本論域的范圍時(shí)，采用最大輸出或零輸出。對(duì)于偏差的任何采樣值，乘以比例因子后取整，可以得到相應(yīng)的值。5.2.3模糊控制過程 模糊控制過程可以分為以下三個(gè)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(duì)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(shí)際輸出值與設(shè)定值相比較，得到一個(gè)偏差值

26、E，控制器根據(jù)這個(gè)偏差值及偏差值的變化率來決定如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。無論是偏差還是偏差的變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(shí)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(duì)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(jìn)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

27、的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的。模糊控制是模仿人的思維方式和人的控制經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的一種控制。根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者專家的經(jīng)驗(yàn)制訂出相應(yīng)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(jì)算機(jī)，就必須對(duì)控制規(guī)則進(jìn)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(jìn)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(gè)控制規(guī)則確定其適配的程度，并通過加權(quán)計(jì)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

28、集變換成基礎(chǔ)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(gè)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(gè)最能代表這個(gè)模糊推理結(jié)果可能性的精確量，去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。(4)模糊控制器及系統(tǒng)設(shè)計(jì) 模糊控制器(Fuzzy Controller)在模糊自動(dòng)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(jì)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(jì)包括以下幾項(xiàng)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(jì)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量及輸出變量的論域并確

29、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(yīng)用程序。6)合理選擇模糊控制算法的采樣時(shí)間。(5)模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(shí)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(shí)現(xiàn)模糊控制算法，這種模糊控制器的特點(diǎn)是資源開銷小、靈活性高、通用性強(qiáng)、應(yīng)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(jì)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(gè):偏差、偏差的變化及偏差變化的變化，輸出變量一般選擇控制量的變化。目前廣泛采用的是二維模糊控制器，這

30、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(diǎn)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3.2所示 圖3.2二維模糊控制機(jī)構(gòu)框圖 根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)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e (k)作為溫度模糊控制器的輸入變量，輸出變量為加熱器及風(fēng)

31、扇的通斷狀態(tài)。根據(jù)溫室的實(shí)際工作情況，從溫帶植物三基點(diǎn)溫度如表2-1所示，可以看出其適宜溫度變化值在10左右，考慮到實(shí)際檢測條件和適當(dāng)?shù)目刂凭?，將溫度誤差的基本論域定為-5+5 ,溫度誤差變化的基本論域定為-1+1。為提高控制精度和響應(yīng)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±5為界。溫度在設(shè)定值的±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(jìn)行強(qiáng)制冷卻或加熱，并發(fā)出溫度超標(biāo)報(bào)警信號(hào)。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(gè)模糊子集，分別為PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，Z(零)，NS(負(fù)小)，

32、NM(負(fù)中)，NB(負(fù)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3.1所示表3.1 e的隸屬度函數(shù)賦值表論域-4-3-2 -1 0 1 2 3 4NB 10.5 0 0 0 0 0 0 0NM 0.2 0.6 1 0.6 0.2 0 0 0 0 NS 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0 0 Z 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0 PS 0 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 PM 0 0 0 0 0.2 0.6 1 0.6 0.2PB 0 0 0 0 0 0 0 0.5 1 控量的隸屬函

33、數(shù)形狀可以是三角形、梯形、單點(diǎn)或其它形狀。采用單點(diǎn)為控制量在實(shí)際處理時(shí)較為方便，因?yàn)檫@時(shí)只要知道控制量的模糊量也就知道了實(shí)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(diǎn)，分為7個(gè)模糊子集，分別為PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，Z(零)，NS(負(fù)小)，NM(負(fù)中)，NB(負(fù)大)。選取語言變量u的論域?yàn)?-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3?？刂屏康碾`屬函數(shù)如圖4.3所示。 圖3.3 U的隸屬度函數(shù)(7)模糊控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則實(shí)際上是總結(jié)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜业目刂浦R(shí)和經(jīng)驗(yàn)制定出的一條條模糊條件語句的集合，通常簡寫成一個(gè)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)

34、輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)特性達(dá)到最佳。當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主;而當(dāng)誤差較小時(shí)，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(diǎn)。(8)模糊控制算法設(shè)計(jì) 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(shí)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(gè)表格，這個(gè)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，直接從控制規(guī)則即推理語句中求控制量，產(chǎn)生控制表。本文

35、采用直接法。本系統(tǒng)中，由于偏差e和偏差變化率e的離散論域都有9個(gè)元素-4，-3，-2，一1, 0, 1, 2, 3, 4，在輸入時(shí)，e或e的精確值都會(huì)量化到9個(gè)元素之中的任何一個(gè)。這樣，e和e的輸入組合就有9×9=81種。求這81種輸入組合及其對(duì)應(yīng)的輸出控制量，即可形成相應(yīng)的模糊控制表。實(shí)際控制過程中，可以對(duì)該表進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)查表結(jié)果求出控制量，去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室溫度的智能控制。致 謝通過這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多新的知識(shí)，獲得了新的經(jīng)驗(yàn)。我從中學(xué)會(huì)了如何去做設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)知道團(tuán)隊(duì)精神的重要性，在這次的課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，與其它同學(xué)進(jìn)行了交流，提高了自己的工作效率。在如此短的時(shí)間

36、。依靠個(gè)人能力是不可能完成如此繁瑣的資料查找與收集的。所以，通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了同學(xué)之間的交流，大大增進(jìn)了我們班的凝聚力，協(xié)作的精神更強(qiáng)了。而且自己也學(xué)到了很多實(shí)際的有用的東西，相信對(duì)以后的工作一定會(huì)大有益處。最后，在此對(duì)竟靜靜老師的幫助表示由衷的感謝！參考文獻(xiàn)1 康華光編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.高等教育出版社，20002 譚浩強(qiáng)編著，MCS-51單片機(jī)應(yīng)用教程，清華大學(xué)出版社，20013 李曉瑩編著.傳感器與測設(shè)技術(shù).高等教育出版社，20024 付家才編著.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐.高等教育出版社，20045 譚浩強(qiáng)編著.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用教程.清華大學(xué)出版社，20016 于金.機(jī)電一

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