【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 度控制，通過(guò)控制制冷設(shè)備和制熱設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)斷來(lái)降低或升高環(huán)境溫度。一般的溫度控制系統(tǒng)只設(shè)定一個(gè)溫度閾值， 該溫度閾值可由用戶調(diào)整， 當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境溫度超過(guò)該溫度閾值時(shí)， 制冷設(shè)備 開始 進(jìn)行降溫。對(duì)于制冷設(shè)備的停止控制，一種是通過(guò)定時(shí)，制冷設(shè)備運(yùn)行一定時(shí)間后自動(dòng)關(guān)斷；另外一種是設(shè)定 一個(gè)降溫停止閾值，該閾值與用戶可調(diào)整的溫度閾值有固定差值，差值不可調(diào)，當(dāng)檢測(cè)溫度低于降溫停止閾值時(shí)，關(guān)斷制冷設(shè)備。 以上的溫度控制方法，只能將溫度控制在一個(gè)較大的范圍內(nèi)，而且溫度值持續(xù)的上下波動(dòng)，并不能有效的進(jìn)行溫度控制。 本文的 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在溫度控制環(huán)節(jié)使用的是模糊控制，根據(jù)實(shí)時(shí)溫度偏離期望溫度的情況， 采取不同的輸出控制。 在這種控制方式下，能迅速將溫度調(diào)整到期望的溫度值，把超調(diào)量控制在盡可能小的范圍內(nèi)或避免超調(diào)。 該系統(tǒng)有降溫和升溫兩種溫控功能 ， 但是針對(duì)于人們的生活環(huán)境 。 在一定的時(shí)期上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 12 內(nèi) ， 人們只需要一種方式進(jìn)行溫控 。 例如 ： 在夏天 ， 外界對(duì)室內(nèi)溫度是處于一個(gè)持續(xù)加熱狀態(tài) ， 所以此時(shí)人們對(duì)于溫度的控制只采取降溫控制 ， 可能由于溫控系統(tǒng)發(fā)生超調(diào) ， 出現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度低于期望溫度值 ， 此時(shí)人們并不會(huì)開啟制熱設(shè)備提升室內(nèi)溫度到期望溫度值 。 由于外界對(duì)于室 內(nèi)溫度是持續(xù)加熱的 ， 所以只要關(guān)斷制冷設(shè)備 ， 室溫會(huì)回升的期望溫度值 。 根據(jù)該實(shí)際情況 ， 溫度控制系統(tǒng)設(shè)置了獨(dú)立的溫控設(shè)備開關(guān)控制 。在相應(yīng)的時(shí)期只開啟 制冷或制熱的控制功能 ， 另一種功能將被持續(xù)關(guān)斷 。 因?yàn)闇囟瓤刂葡到y(tǒng)具有滯后性 ， 盡管模糊控制控制效果良好 ， 但是仍可能發(fā)生超調(diào) 。 所以在該系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)可調(diào)節(jié)的超調(diào)關(guān)斷控制值 ，當(dāng)發(fā)生超調(diào)，調(diào)整幅度過(guò)大超過(guò)期望溫度值到一定程度，自動(dòng)切斷相應(yīng)的溫控設(shè)備，防止超調(diào)過(guò)大。 事故和故障報(bào)警 在溫度采集中有 4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，假如， 4 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)中有一個(gè)溫度傳感器或其他信號(hào)處理設(shè)備故障 ，那么在系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的溫度值為零。該錯(cuò)誤的溫度值列入平均值的計(jì)算，得出的均值也是錯(cuò)誤的，系統(tǒng)根據(jù)錯(cuò)誤的均值進(jìn)行的溫度控制也將發(fā)生錯(cuò)誤。在計(jì)算平均值時(shí)要考慮到測(cè)點(diǎn)故障問(wèn)題，設(shè)置合理溫度范圍。當(dāng)測(cè)點(diǎn)的溫度值超出合理溫度的范圍，在系統(tǒng)界面顯示對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的異常信息，并且在計(jì)算平均值時(shí)，程序的會(huì)自動(dòng)將異常的測(cè)點(diǎn)溫度值剔除，只用剩下的正常測(cè)點(diǎn)的溫度值進(jìn)行運(yùn)算。這樣能保證，即使在某一測(cè)點(diǎn)故障的情況下，溫度控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。 在溫控設(shè)備故障情況下 ， 例如 ： 環(huán)境溫度到達(dá)制冷設(shè)備啟動(dòng)閾值 ， 但是由于制冷設(shè)備故障無(wú)法進(jìn)行制冷 ， 由于外 界的影響環(huán)境溫度繼續(xù)上升 。 或者，由于其他故障導(dǎo)致溫控設(shè)備不能正常停止，導(dǎo)致溫度持續(xù)被改變， 當(dāng)環(huán)境到達(dá)可調(diào)整設(shè)置的超溫閾值時(shí)， 系統(tǒng)界面上會(huì)有相應(yīng)的提示和異常信息顯示。環(huán)境溫度得不到控制也有可能由于其他會(huì)影響溫度的事故發(fā)生，這類異常對(duì)人們的影響較為嚴(yán)重，所以溫度控制系統(tǒng)不僅在系統(tǒng)界面上顯示異常信息，在發(fā)生該情況時(shí)，還會(huì)通過(guò)報(bào)警裝置電路上的蜂鳴器引起用戶的相關(guān)人員的注意。 盡管概率比較少，但是可能存在 4個(gè)測(cè)點(diǎn)的傳感器或其他信號(hào)設(shè)備故障的情況。在該情況下，系統(tǒng)不能檢測(cè)到當(dāng)前環(huán)境的溫度，系統(tǒng)失去了控制的依據(jù)。 系統(tǒng)將自 動(dòng)切斷所有的溫控設(shè)備，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 在系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生許多數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可以被記錄下來(lái)并寫入文件，在計(jì)算機(jī)的硬盤中保存。保存的數(shù)據(jù)，可以用于溫度控制系統(tǒng)的研究中，確定溫度控制系統(tǒng)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 13 的性能及其可改進(jìn)的方向及措施。被儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)主要分三類： （ 1）溫度數(shù)據(jù)， 4個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，還有平均值。 只有當(dāng)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)值出現(xiàn)異常時(shí)才會(huì)對(duì)該點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)包括時(shí)間數(shù)據(jù)，這樣能確定測(cè)點(diǎn)異常發(fā)生的時(shí)間，有助于原因的判斷。平均值數(shù)據(jù)從系統(tǒng)開始運(yùn)行到系統(tǒng)停止運(yùn)行都在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因?yàn)槠骄?才是對(duì)被測(cè)空間環(huán)境溫度的準(zhǔn)確反映，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以根據(jù)其時(shí)間繪制平均溫度隨時(shí)間變化的曲線?？梢砸源搜芯繙囟瓤刂葡到y(tǒng)的控制效果。 （ 2）異常及故障數(shù)據(jù)， 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異?；蚬收蠒r(shí) ， 將當(dāng)前的異?；蚬收系臄?shù)據(jù)和信息記入存儲(chǔ)下來(lái) 。在有條件的情況下可以根據(jù)該數(shù)據(jù)對(duì)該溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。 4 模糊控制 設(shè)計(jì) 模糊控制概念 所謂的模糊控制就是沒有精確的數(shù)學(xué)模型的控制，其主要強(qiáng)調(diào)的是模糊的概念。在傳統(tǒng)的控制中，普遍追求控制的精確性，并將其作為評(píng)判控制優(yōu)劣的主要關(guān)鍵。 如果能夠羅列出系統(tǒng)的詳細(xì)動(dòng)態(tài)信息，并推算出其 數(shù)學(xué)模型 ，則可以達(dá)到精確控制。但是對(duì)于某些復(fù)雜系統(tǒng)， 在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，變量太多，而且變量對(duì)于系統(tǒng)的影響不是固定的曲線。這樣難以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，則達(dá)不到精確控制。模糊概念適用于該情況，模糊邏輯能夠在復(fù)雜的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)良好的控制。 模糊控制的基本思想是對(duì)于經(jīng)驗(yàn)的總結(jié) ， 運(yùn)用總結(jié)結(jié)果進(jìn)行邏輯推理得出正確的控制 ， 但是在自動(dòng)化控制中，必須要有數(shù)學(xué)意義才能進(jìn)行自動(dòng)控制器的搭建。對(duì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行邏輯推理和轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模糊控制的數(shù)學(xué)化，才能實(shí)現(xiàn)控制器的設(shè)計(jì)。 模糊控制器的工作過(guò)程 及基本原理：模糊控制器的模糊化接口將檢測(cè)到的被控對(duì)象的特征 狀態(tài)轉(zhuǎn)換為可以用人類語(yǔ)言表達(dá)的模糊量，使用人類語(yǔ)言表達(dá)出其控制規(guī)則，經(jīng)過(guò)模糊邏輯的推理就能的到用于控制的輸出量對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言式的模糊量，這個(gè)模糊量再經(jīng)過(guò)清晰化接口編程執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以識(shí)別的控制信號(hào)。 模糊控制器根據(jù)工作原理分成 4 個(gè)模塊： 第一 ， 模糊化接口 ， 對(duì)控制器的輸入進(jìn)行模糊化處理 ， 使其變模糊語(yǔ)言 。 第二 ， 規(guī)則庫(kù) ， 包含了所有的控制邏輯 ， 控制器的核心 。 第三 ， 模糊推理 ， 一種模糊運(yùn)算過(guò)程 ， 根據(jù)規(guī)則庫(kù)進(jìn)行推理 ， 有別于數(shù)值運(yùn)算 。 第四 ， 清晰化接口 ， 模糊運(yùn)算后的結(jié)果輸出為語(yǔ)言輸出 ， 要將語(yǔ)言輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 14 值式的輸出 ， 才能達(dá)到控 制的目的 。 如圖 所示。 圖 模糊控制器基本結(jié)構(gòu) 模糊控制的特點(diǎn)： 避免了在建立數(shù)學(xué)模型過(guò)程中一系列復(fù)雜過(guò)程 ；不需要精確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的變量關(guān)系不是數(shù)值關(guān)系而是規(guī)則關(guān)系，用語(yǔ)言表達(dá)；模糊控制是基于語(yǔ)言的一種控制方式，具有良好的人機(jī)交互性； 模糊控制器有別于線性控制器，沒有精確的控制精度，魯棒性和適應(yīng)性好。 模糊化接口 模糊化就是對(duì)控制器的輸入和輸出進(jìn)行模糊化處理，在其論域上定義變量，用模糊語(yǔ)言的方式表示精確的輸入和輸出值。模糊化 接 口 的設(shè)計(jì) 步驟為“ （ 1）語(yǔ)言變量的確定 首先確定控制器的輸入和輸出 ， 將輸入和輸出 定義為語(yǔ)言變量 ， 在該溫度控制系統(tǒng)的模糊控制器上有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù) ， 和一個(gè)輸出控制數(shù)據(jù) ， 誤差值 e， 也就是測(cè)量到的溫度的均值與人為設(shè)定的期望溫度值的差值 ， e 的值等于實(shí)際溫值減去期望溫值；誤差變化率 ec， 單位時(shí)間誤差值的變化。一個(gè)輸出為： 控制量 u，控制器輸出的控制量經(jīng)轉(zhuǎn)換后變成對(duì)溫控設(shè)備的控制信號(hào) 。 在 e 的論域上定義語(yǔ)言變量 “誤差 E”，在 ec 的論域上定義語(yǔ)言 變量“誤差變化EC”，在控制量 u 的論域上定義語(yǔ)言變量“控制量 U”。 （ 2）語(yǔ)言變量 論域的設(shè)計(jì) 在模糊控制器的搭建 中 ， 一般 就把 在模糊化接口中定義的 語(yǔ)言變量的論域定義為有限整數(shù)的離散論域 。 在該溫度控制系統(tǒng)中 將 E 的論域定義為 {3， 2， 1， 0， 1， 2，規(guī)則庫(kù) 模糊化接口 模糊推理 清晰化接口 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 15 3}；將 EC 的論域定義為 {3， 2， 1， 0， 1， 2， 3}；將 U的論域定義為 {3， 2， 1，0， 1， 2， 3}。 經(jīng)由程序計(jì)算得出的實(shí)際溫度與期望溫度的差值是連續(xù)的，相同的，誤差變化率也是連續(xù)的，為了實(shí)現(xiàn)從 e 和 ec 到 E 和 EC 的轉(zhuǎn)化，還有，模糊控制器輸出的 U 與實(shí)際的控制量 u 的轉(zhuǎn)化，可以通過(guò)量化因子 Ke 和 Kec 還有比例因子 Ku。 如圖 所示 。 圖 連續(xù) 域到有限整數(shù)離散域的轉(zhuǎn)換 在該溫度控制器中 ， 誤差的連續(xù)取值范圍是 e=[ ， ]， 表示低限值 ， 表示高限值 。 E 的論域是 3 到 3 的有限整數(shù)，所以論域所對(duì)應(yīng)包含的數(shù)值范圍就是 3 減去3， 也就是 6，所以 E 與 e 的轉(zhuǎn)換量化因子為 則 為 ： （ 1） 同理 ， 假如誤差變化率的連續(xù)取值范圍是 ec=[ ， ]，控制量的連續(xù)取值范圍是 u=[ ， ]， 則量化因子 Kec 和比例因子 Ku可以分別確 定如下 ： （ 2） （ 3） 在確定了量化因子和比例因子后 ， E 的論域?yàn)殡x散整數(shù)，而 e 為連續(xù)值，所以通過(guò)量化因子換算后還需進(jìn)行取整運(yùn)算。 誤差 e 和誤差變化率 ec 可通過(guò)以下式轉(zhuǎn)換為ec e 期望值 數(shù) 據(jù)分 析 Ke Kec 模糊 控制器 Ku 溫度值 E EC U u 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 16 模糊控制器的輸入 E和 EC： （ 4） （ 5） 式中， 代表取整運(yùn)算。 模糊控制器的輸出 U可以通過(guò)以下式轉(zhuǎn)換為實(shí)際的輸出值 u： （ 6） （ 3）定義各語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值 一般 ， 將語(yǔ)言變量變成語(yǔ)言值時(shí) ， 將其分成奇數(shù)的幾個(gè)檔級(jí) 。 可以將 E、 EC 和 U 劃分為 {“正大（ PB）”，“正中（ PM）”，“正?。?PS）”，“零（ ZO）”，“負(fù)?。?NS）”，“負(fù)中（ NM）”，“負(fù)大（ NB）” }七檔。 檔級(jí)多 ， 控制邏輯復(fù)雜，但是不同控制量變化較平穩(wěn)，控制較準(zhǔn)確，但是控制的邏輯規(guī)則比較多，在控制器的搭建過(guò)程中會(huì)有困難。 檔級(jí)少 ， 控制邏輯簡(jiǎn)單 ， 控制過(guò)程 中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩或超調(diào) ， 控制精度不高 ，但是其控制器的搭建方便簡(jiǎn)單明了。 本文的溫度控制系統(tǒng)的模糊控制器為七檔 。 規(guī)則庫(kù) 模糊控制規(guī)則就是根據(jù) E 和 EC 的輸入確定相應(yīng)的 U 的輸出，在規(guī)則庫(kù)里 E 和EC 的組合對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的 U，不同的 E 和 EC 組合所對(duì)應(yīng)的 U 可能相同， 規(guī)則庫(kù)可以用矩陣表的形式表達(dá)。 模糊控制規(guī)則的生成方法歸納起來(lái)主要有以下幾種 ： （ 1）根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或過(guò)程控制知識(shí)生成控制規(guī)則。這種方法通過(guò)對(duì)控制專家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)描述來(lái)生成特定領(lǐng)域的控制規(guī)則原型，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和修正形成最終的規(guī)則庫(kù)。 （ 2）根據(jù)過(guò)程的 模糊模型生成控制規(guī)則。這種方法通過(guò)用模糊語(yǔ)言描述被控過(guò)程的輸入輸出關(guān)系來(lái)得到過(guò)程的模糊模型，進(jìn)而根據(jù)這種關(guān)系來(lái)得到控制器的控制規(guī)則。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 17 （ 3） 根據(jù)學(xué)習(xí)算法獲取控制規(guī)則。應(yīng)用自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法對(duì)控制過(guò)程的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和聚類，生成和在線優(yōu)化較完善的控制規(guī)則。 本文中的溫度控制系統(tǒng)的模糊控制采用專家經(jīng)驗(yàn)的方式參考相關(guān)文獻(xiàn)并修改后產(chǎn)生的規(guī)則庫(kù) 。 規(guī)則庫(kù)的生成沒有沒有明確的推導(dǎo)公式 ，都是 使用長(zhǎng)期以來(lái)從事該方面的研究經(jīng)驗(yàn)從而確定其規(guī)則 。 在系統(tǒng) 長(zhǎng)期使用中可以根據(jù)采集并存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行新的推導(dǎo)從而更新規(guī)則庫(kù)里的控制規(guī)則 ， 以更好的 適應(yīng)其運(yùn)用的場(chǎng)合 。 其規(guī)則庫(kù)矩陣表如表 所示。 表 規(guī)則庫(kù)矩陣表 U EC NB NM NS Z PS PM PB E NB NB NB NB NB NM Z Z NM NB NB NB NB NM Z Z NS NM NM NM NM Z PS PS Z NM NM NS Z PS PM PM PS NS NS Z PM PM PM PM PM Z Z PM PB PB PB PB PB Z Z PM PB PB PB PB 模糊查詢表 在模糊接口 化中將語(yǔ)言變量的論域定義為有限整數(shù)的離散論 域，將上表的規(guī)則矩陣表中的語(yǔ)言值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的有限整數(shù)的離散論域， E、 EC 和 U的論域均為 {3， 2，1， 0， 1， 2， 3}， 根據(jù)以上的規(guī)則庫(kù)矩陣表，把相應(yīng)的語(yǔ)言值用整數(shù)的形式替換， 則生成的模糊查詢表如表 所示。 表 模糊查詢表 U EC 3 2 1 0 1 2 3 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 18 E