1、1、摘要2、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(kù)2.3 模糊推理機(jī)2.4 解模糊3、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)4、中央空調(diào)模糊控制器的設(shè)計(jì)5、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6、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1 PC 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)6.3 PC 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7、仿真實(shí)驗(yàn)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)房間內(nèi)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

2、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(guó)ST公司生產(chǎn)的ST62系歹單片機(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

3、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。2 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，Ut是SISO被控對(duì)象的輸入，yt是被控對(duì)象的輸出，St是參考輸入，0=6yt是誤差。圖中虛線框內(nèi)的就是模糊控制器（FC）,它根據(jù)誤差信號(hào)et產(chǎn)生合適的控制作用Ut,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(kù)、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)et,由e

4、t再生成誤差變化率et或誤差的差分Aet,模糊化接口主要完成以下兩項(xiàng)功能。論域變換：e和e都是非模糊的普通變量，它們的論域（即變化范圍）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)論域要變換到內(nèi)部論域XDY如果內(nèi)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）,如果內(nèi)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）o對(duì)于DFC,XY=0整數(shù);對(duì)于C-FC,XY=l,1。無論是DFC還是CFC,論域變換后et,e；變成eT,相當(dāng)乘了一個(gè)比例因子（還可能有偏移）0模糊化：論域變換后eT和4仍是非模糊

5、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?。≒S）、“正中（PM）、“正大”（PL）,并在其內(nèi)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et,et經(jīng)論域變換后得到了，eT,再根據(jù)隸屬函數(shù)的定義可以分別求出eT,e*對(duì)各模糊集合的隸屬度，如NNL（6T）、M（eT）、，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et,et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X,Y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(kù)顧名思義，知識(shí)

6、庫(kù)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(kù)又分為兩部分，分別介紹如下。數(shù)據(jù)庫(kù)（database）它雖然叫作數(shù)據(jù)庫(kù)，但并不是計(jì)算機(jī)軟件中數(shù)據(jù)庫(kù)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。規(guī)則庫(kù)（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KytiferAand4isB、.thenuisg+出;ifr*isAzandeis8廠thenu*

7、isC?,，*frRM：ifr*is4endeisB*.thenisC；3其中，e沖和e*就是前面所說的語言變量？和ef,A,A2,A是e%勺模糊集合，Bi,B,B是e%勺模糊集合，C,G,G是u用的模糊集合。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XXYXZ，中的模糊關(guān)系，e*eXe*Y、u*wZ、如果X；Y：Z，皆為離散論域，還可以寫出模糊關(guān)系矩陣R,i=1,2,n。規(guī)則庫(kù)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nR=Rii1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e*和ee*wX,ewY,若論域

8、X：Y,Z,是離散的，e在X上對(duì)應(yīng)矢量A,e在丫,上對(duì)應(yīng)矢量B,則推理結(jié)果是Z上的矢量C,C-（AB）R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。解模糊：對(duì) 5 也要由真實(shí)論域Z變換到內(nèi)部論域Z,對(duì)u：wZ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)。模糊推理是在內(nèi)部論域上進(jìn)行的，因此得到的推理結(jié)果C是Z上的模糊矢量，其元素為對(duì)u*的某個(gè)模糊集合的隸屬度。對(duì)于某組輸入e*,e”,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G,i為不同的模糊集合。求UC：,并用某種解模糊算法（如最大隸屬度法），

9、即可求得此時(shí)的內(nèi)部控制量u：。論域反變換：得到的u：wZ，進(jìn)行論域反變換即得到真正的輸出“WZ,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，而且內(nèi)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)DFC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)控制方法控制目標(biāo)和被控對(duì)象的建?？照{(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)

10、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。循環(huán)水圖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8C、環(huán)境溫度為36c時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由0啕口到100%,實(shí)驗(yàn)得到的對(duì)象的傳遞函數(shù)可為：W(.$)=-J(I)(1+7s)(l+10s)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。系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)對(duì)于一般的控制系

11、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)成審級(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?？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖3所示。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AT,即房間溫度和冷

12、卻水溫度的差值。當(dāng)AT增加時(shí)，對(duì)象的增益就增大；AT減小時(shí)，對(duì)象增益隨之減小。在控制中取誤差信號(hào)T-T=1為：0一兀.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=-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：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

13、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)誤差小到一定范圍后才發(fā)揮作用，以減小系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。u-a=|EV.N為論域階數(shù)圖3控制系統(tǒng)框圖。妥WW1：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)選擇ST62T01O片機(jī)， 主要特點(diǎn)如下：電源電壓范圍為3.06.0V;最大時(shí)鐘頻率為8MHz工作溫度范圍為-40+125C;2K字節(jié)EPROM,6名節(jié)RAM;4路模擬輸入的8位A/D轉(zhuǎn)換器;1個(gè)帶7位予分頻的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；電源監(jiān)控及看門狗;4個(gè)可提供20mAR入電流的I/O,可直接驅(qū)動(dòng)晶閘管；低功耗。溫度傳感

14、器為TMP37輸出比例系數(shù)為20mV/C。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0.8C的測(cè)溫分辨率。用8MH冰蕩器時(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RCD4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WINDOW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。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

15、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。L圖4電機(jī)控制電路原理圖延時(shí)時(shí)間與交流電半波波形（b）延時(shí)時(shí)間與功率對(duì)應(yīng)關(guān)系圖5Td與P關(guān)系圖為了克服電

16、力網(wǎng)供電帶有尖峰干擾會(huì)干擾品閘管導(dǎo)通，應(yīng)采用合適的濾波措施。對(duì)于檢測(cè)過零點(diǎn)，可以通過內(nèi)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812ms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)PC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)

17、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軟彳由Delphi6.0編寫，溫度曲線圖的繪制通過TCHAR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(kù)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)?？刂埔?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7所示。給軍用機(jī)流程框圖如圖曾鞘入、料山厘上也城!直S，%、樸錄中周期T米穿甘川尸二ZvT用福聲“神杳靠靈掰定仃仃V=_訕取yl_川呵后側(cè)化日期AT）轉(zhuǎn)探程序包括如下兩個(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a看作是一個(gè)模糊集,其論域?yàn)椋?,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5

18、,0.6,0.7,0.8,0.9,1）；根據(jù)希望的控制性能構(gòu)造a的修改規(guī)則；將之制成查詢表，將此表存于計(jì)算機(jī)內(nèi)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：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。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。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。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。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)內(nèi)

19、存中的a修改規(guī)則查詢表，以選擇適當(dāng)?shù)腶值。由下式計(jì)算控制量的值:U=-intee+（1-a）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。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。PC機(jī)與單片機(jī)用口通信軟件設(shè)計(jì)PC機(jī)與單片機(jī)用口通信通過MAX3225十口通信芯片來實(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)）串口通信兩部分內(nèi)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)用口工作于方式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

20、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)串口通信程序包括用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PCONffiSCON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實(shí)現(xiàn)PC

21、機(jī)用口通信，其流程7辦口串口波特率二予一X12X256-(TH1)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)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。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。電源線應(yīng)盡量加粗?？墒剐盘?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。接地線盡量構(gòu)成閉環(huán)路，可增加抗干擾能力。配置去耦電容。電源輸入端接10100仙F的電解電容，給每個(gè)IC集成芯片配置一個(gè)0.01仙F的陶瓷電容器。2）