【文章內容簡介】 組合在一起就構成了規(guī)則庫。對于其中一條規(guī)則Ri：如果 x 是 Ai and y 是 Bi，則 z 是 Ci其模糊蘊含關系定義為:μRi=μAi and Bi→Cix,y,z=μAixandμBiy→μCi(Z) （27）其中，“Ai and Bi”是定義在 X Y上的模糊集合AiBi ，Aiand Bi → C是定義在X YZ上的模糊蘊含關系。模糊控制中有多種模糊推理類型[11]，目前模糊蘊含運算采用較多的是 Mamdani 的極大極小值運算規(guī)則。推理結果只表示推理過程已經完成，它仍是一個模糊量，必須經過解模糊化和量程轉換，把它轉換為精確量，才能控制被控對象。 5. 解模糊化通過模糊推理得到的結果是一個模糊集合，但在實際系統(tǒng)中，必須要有一個確定的值才能去控制或者驅動執(zhí)行機構，通過解模糊化將推論所得到的模糊值轉換為明確的控制訊號，用于系統(tǒng)的輸入。解模糊化包含以下兩部分內容：量程轉換和解模糊。（1）解模糊是將模糊量轉換成清晰量的過程。主要有三種方法:a 最大隸屬度法：選取模糊子集中隸屬度最大的元素作為控制輸出量，若有多個這樣的點，則取平均值[12]。b 取中位數法：將求出的模糊子集的隸屬度函數曲線與橫坐標所圍成的面積的均分點對應的論域元素作為判決結果。c 加權平均法：對論域中的每個點，以它們對待判決的模糊集的隸屬度為加權系數，它類似于重心的計算，所以也稱重心法。對于論域為離散的情況則有:z0=i=1nziμc(zi)i=1nμc(zi) （28）（2）量程轉換將求得的清晰值 z0，經尺度變換為實際的控制量。變換的方法可以是線性的，也可以是非線性的。若 z0的變化范圍為[zmin, zmax]，實際控制量的變化范圍為[umin, umax]，若采用線性變換則有：μ=umax+umin2+k(z0zmax+zmin2) （29）其中 k 稱為量化因子。 模糊控制器的優(yōu)缺點模糊控制器具有的突出的優(yōu)點： ，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確的數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。 ，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數學模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。 ，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導致較大差異；但一個系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。 ，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應能力，使之具有一定的智能水平。 ，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。缺點是：[13]，這對復雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的。所以如何建立一套系統(tǒng)的模糊控制理論，以解決模糊控制的機理、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)化設計方法等一系列問題；，這在目前完全憑經驗進行；。若要提高精度則必然增加量化級數，從而導致規(guī)則搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能實時控制；。 模糊自整定PID方案 模糊自整定PID控制的原理由于在控制過程中各種信號量以及評價指標不易定量表示，模糊理論是解決這一問題的有效途徑，所以人們運用模糊數學的基本理論方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關信息（如評價指標、初始 PID 參數等）作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據控制系統(tǒng)的實際響應情況，運用模糊推理，即可自動實現對 PID 參數的最佳調整，這就是模糊自整定 PID 控制[14]。 糊自整定PID控制器的設計模糊自整定PID結構框圖如圖25所示：ddt常規(guī)PID控制器被控對象模糊推理解模糊化模糊化?Kp ?Ki ?KdEEcr(t)圖 25 模糊自整定PID結構框圖E模糊控制由常規(guī) PID 控制部分和模糊推理兩部分組成，模糊推理部分是一個模糊控制器，只不過它的輸入是偏差 e 和偏差變化率 ec，輸出是?Kp， ?Ki , ?Kd。PID 參數模糊自整定是找出 PID 三個參數和偏差 e 和偏差變化率 ec 之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測 e 和 ec，根據模糊控制原理來對 3 個參數進行在線修改，以滿足不同e 和 ec 時對控制參數的不同要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。系統(tǒng)的設計過程主要有以下幾個步驟：。PID 參數的校正部分實質是一個模糊控制器。系統(tǒng)的輸入量是設定的溫度值，所以這里選擇模糊控制器的輸入量為溫度的偏差 e 和偏差變化率ec，輸出量為 PID 參數的修正量?Kp， ?Ki , ?Kd[15]。語言變量、基本論域、模糊子集、模糊論域和量化因子如表21： 表21 ?Kp， ?Ki , ?Kd模糊論域選擇各變量的隸屬度函數為均勻三角函數，可以 作出各個變量的隸屬度函數如圖26所示：圖26 E ，ec，?Kp， ?Ki , ?Kd的隸屬度函數根據以上隸屬度函數，可得出語言變量賦值表如表22所示:表22 語言變量賦值表2．確定PID參數模糊調整規(guī)則找出在不同時刻 PID 三個參數與 e 和 ec 之間的模糊關系，在運行中不斷檢測 e 和 ec，根據模糊控制表來對三個參數進行在線修改，用來修改PID參數。參數模糊自調整 PID制器就是找出在不同時刻 PID 三個參數與 e 和 ec 之間的模糊關系，在運行中不斷檢測 e 和 ec，根據模糊控制原理來對三個參數進行在線修改，以滿足不同的 e 和 ec 對控制參數的不同的要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。從傳統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調量和穩(wěn)定精度等各方來來考慮PK ,IK ,DK 的作用如下:(1) 比例系數PK 的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。PK 越大，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但易產生超調，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。PK 取值過小，則會降低調節(jié)精度，使響應速度變慢，從而延長調節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。(2) 積分作用系數IK 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。IK 越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但IK 過大，在響應過程的初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調。若IK 過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調節(jié)精度。(3) 微分作用系數DK 的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但DK 過大，會使響應過程提前制動，從而延長調節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。PID 參數的整定必須考慮到不同時刻三個參數的作用及相互之間的關系。由傳統(tǒng)經驗得知控制過程對參數PK ,IK ,DK 的自整定要求如下：(1) 當偏差 e 較大時，為了加速系統(tǒng)的響應速度，應取較大的PK ；為了避免由于開始時偏差e的瞬間變大可能出現的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，應取較小的DK ；為了防止系統(tǒng)響應出現較大的超調，產生積分飽和，應對積分作用加以限制，通常取IK =0，去掉積分作用。(2) 當 e 和 ec 處于中等大小時，為了使系統(tǒng)響應具有較小的超調，PK 應取小一些，IK 取值適當，DK 的取值對系統(tǒng)影響較大，取值要大小適中，以保證系統(tǒng)的響應速度。(3) 當 e 較小即接近于設定值時，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應增加PK 和IK 的取值，同時為避免系統(tǒng)在設定值附近出現振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，DK 的取值相當重要。一般 ec 較小時，DK 取值應該較大些:當 ec 較大時，DK 取值應該較小些。(4) 偏差變化量 ec 的大小表明偏差的變化率， ec 值較大，PK 的取值越小，IK 取值越大。根據上述 PID 參數作用以及在不同的偏差及偏差變化下對 PID 參數的要求，下面分別給出了?Kp， ?Ki , ?Kd 三個參數自整定的模糊控制規(guī)則表,如表23，24，25所示：圖23 ?Kp 模糊控制規(guī)則表圖 24 ?Ki 模糊控制規(guī)則表圖25 ?Kd模糊控制規(guī)則表使模糊控制輸出的模糊值轉換為明確的控制訊號，用于系統(tǒng)的輸入。模糊推理是不確定性推理方法的一種，其基礎是模糊邏輯，推理方法Mamdani 方法和 Sugeno 方法等，采用 Mamdani 方法推理方法進行推理（極大極小值法)。規(guī)則如果 Ai且Bi , 那么的模糊關系可以表示為：[μAi∧μBi]∧μCi （210）其隸屬度函數為：μ=∨{μA‘∧[μAi∧μC39。]}∩∨{μB‘∧[μBi∧μC39。]} （211）將以上三張模糊控制表裝入單片機控制系統(tǒng)的存儲器中，根據誤差 E 與誤差變化率 EC查找表中相應的值{Ei,ECi}。由于模糊控制器輸出是一個模糊集合，它無法對精確的模擬或數字系統(tǒng)進行控制。因此，必須進行精確化計算得出此模糊集中最有代表意義的確定值作為系統(tǒng)的輸出控制，主要方法有：最大隸屬度法、重心法、加權平均法等，本文采用最大隸屬度法[16]。PID 參數的調整量的輸入值,也就是模糊控制表對應的數值，根據以上推導方法，可以計算出?Kp，?Ki，?Kd 的模糊控制器的查詢表。將計算出模糊控制表裝入單片機控制系統(tǒng)的存儲器中，根據誤差 E 與誤差變化率 EC查找表中相應的值{Ei,ECi}，由此表可以計算出PID需要的三種控制參數的值，求值公式如下： KP=Kp+{Ei,ECi}p (212)KD=Kd+{Ei,ECi}d (213)KI=Ki+{Ei,ECi}i (214)Uk=KPEk+KIj=0kE(j)+KD[EkE(k1)] (215)其中，?KP，?KI，?KD是整定參數后需要輸出的PID控制器控制參數，而?Kp，?Ki，?Kd是三個參數分別給定的初值，是常量。U(k)為本控制器最終輸出的控制量。第3章 系統(tǒng)硬件電路的設計 系統(tǒng)的總體框圖系統(tǒng)工作原理，利用熱電偶傳感器測出烘干爐中的溫度，將溫度信號轉換為電壓信號，為了檢測烘干爐的溫度情況，共有4路溫度傳感器，用以監(jiān)測爐內各點溫度情況以及控制信號是否出現異常。由于溫度變化比較緩慢，利用多路開關元件分別選通 4路電壓信號放大后通過ADC0809轉換電路，轉化成為8位數字信號，轉化后的信號送單片機處理，將其中控制信號與設定值進行比較，進行模糊推理并整定PID控制器參數，最后輸出值經單片機I/O口驅動光耦，來調節(jié)三相電源，控制加熱部件，同時，鍵盤部分可以進行輸入設定值，LED顯示器可以顯示當前平均溫度。系統(tǒng)框圖如圖31所示：圖31 系統(tǒng)總體框圖 單片機的選型AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。AT89C52 的 40 條引腳按功能來分，可分為 3 部分，電源及時鐘引腳、控制引腳和輸入/輸出引腳，AT89C52 的全面兼容MCS51指令系統(tǒng)，有MCS51的編程經驗就可以為AT89C52編寫程序；而且配套的外圍硬件芯片非常成熟,方便我們進行擴展；其中，單片機本身含有8k可反復擦寫(大于1000次）Flash ROM，基本足夠存儲程序使用；具備32個雙向I/O口，可以外接鍵盤，LED顯示器等外圍電路；具有2個串行中斷，共8個中斷源，十分方便編寫中斷服務程序，擴展程序功能，非常符合本系統(tǒng)使用。 圖32 AT89C52單片機最小系統(tǒng) 傳感器的選擇熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，是由兩種不同成分的導體兩端接合成回路時，當兩接合點 熱電偶溫度不同時，就會在回路內產生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端存有溫差時，顯示儀表將會指示出熱電偶產生的熱電勢所對應的溫度值。熱電偶的熱電動熱將隨著測量端溫度升高而增長，它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關[17]，與熱電極的長度、直徑無關。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結構卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調節(jié)器配套使用。從理論上講，任何兩種不同導體（或半導體）都可以配制成熱電偶，但是作為實用的測溫元件，對它的要求是多方面的。為了保證工程技術中的可靠性，以及足夠的測量精度，并不是所有材料都能組成熱電偶，一般對熱電偶的電極材料，基本要求是：（1）、在測溫范圍內，熱電性質穩(wěn)定，不隨時間而變化，有足夠的物理化學穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；（2）、 電阻溫度系數小，導電率高，比熱小；（3）、測溫中產生熱電勢要大，并且熱電勢與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數關系；（4）、材料復制性好，機械強度高，制造工藝簡單，價格便宜。銅銅鎳熱電偶（T型熱電偶）又稱銅康銅熱電偶，也是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電偶。它的正極（TP）是純銅，負極（TN）為銅鎳合金，稱之為康銅，它與鎳鉻康銅的康銅EN通用，與鐵康銅的康銅JN不能通用，盡管它們都叫康銅，銅銅鎳熱電偶的蓋測量溫區(qū)為200~350℃。T型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點,特別在200~350℃溫區(qū)內使用，