【文章內(nèi)容簡介】 度控制，通過控制制冷設(shè)備和制熱設(shè)備的啟動和關(guān)斷來降低或升高環(huán)境溫度。一般的溫度控制系統(tǒng)只設(shè)定一個溫度閾值， 該溫度閾值可由用戶調(diào)整， 當(dāng)檢測到環(huán)境溫度超過該溫度閾值時， 制冷設(shè)備 開始 進行降溫。對于制冷設(shè)備的停止控制，一種是通過定時，制冷設(shè)備運行一定時間后自動關(guān)斷；另外一種是設(shè)定 一個降溫停止閾值，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)檢測溫度低于降溫停止閾值時，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較大的范圍內(nèi)，而且溫度值持續(xù)的上下波動，并不能有效的進行溫度控制。 本文的 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計在溫度控制環(huán)節(jié)使用的是模糊控制，根據(jù)實時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 ， 但是針對于人們的生活環(huán)境 。 在一定的時期上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（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行溫控 。 例如 ： 在夏天 ， 外界對室內(nèi)溫度是處于一個持續(xù)加熱狀態(tài) ， 所以此時人們對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)實時溫度低于期望溫度值 ， 此時人們并不會開啟制熱設(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 ， 室溫會回升的期望溫度值 。 根據(jù)該實際情況 ， 溫度控制系統(tǒng)設(shè)置了獨立的溫控設(shè)備開關(guān)控制 。在相應(yīng)的時期只開啟 制冷或制熱的控制功能 ， 另一種功能將被持續(xù)關(guān)斷 。 因為溫度控制系統(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)整幅度過大超過期望溫度值到一定程度，自動切斷相應(yīng)的溫控設(shè)備，防止超調(diào)過大。 事故和故障報警 在溫度采集中有 4個溫度測點，假如， 4 個溫度測點中有一個溫度傳感器或其他信號處理設(shè)備故障 ，那么在系統(tǒng)中對應(yīng)的溫度值為零。該錯誤的溫度值列入平均值的計算，得出的均值也是錯誤的，系統(tǒng)根據(jù)錯誤的均值進行的溫度控制也將發(fā)生錯誤。在計算平均值時要考慮到測點故障問題，設(shè)置合理溫度范圍。當(dāng)測點的溫度值超出合理溫度的范圍，在系統(tǒng)界面顯示對應(yīng)測點的異常信息，并且在計算平均值時，程序的會自動將異常的測點溫度值剔除，只用剩下的正常測點的溫度值進行運算。這樣能保證，即使在某一測點故障的情況下，溫度控制系統(tǒng)能夠正常運行。 在溫控設(shè)備故障情況下 ， 例如 ： 環(huán)境溫度到達制冷設(shè)備啟動閾值 ， 但是由于制冷設(shè)備故障無法進行制冷 ， 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)境到達可調(diào)整設(shè)置的超溫閾值時， 系統(tǒng)界面上會有相應(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影響溫度的事故發(fā)生，這類異常對人們的影響較為嚴重，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，還會通過報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個測點的傳感器或其他信號設(shè)備故障的情況。在該情況下，系統(tǒng)不能檢測到當(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 動切斷所有的溫控設(shè)備，蜂鳴器發(fā)出警報。 數(shù)據(jù)存儲 在系統(tǒng)運行中會產(chǎn)生許多數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可以被記錄下來并寫入文件，在計算機的硬盤中保存。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（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 13 的性能及其可改進的方向及措施。被儲存的數(shù)據(jù)主要分三類： （ 1）溫度數(shù)據(jù)， 4個測點測量的溫度數(shù)據(jù)，還有平均值。 只有當(dāng)測點的溫度數(shù)值出現(xiàn)異常時才會對該點的溫度數(shù)據(jù)進行存儲，存儲包括時間數(shù)據(jù)，這樣能確定測點異常發(fā)生的時間，有助于原因的判斷。平均值數(shù)據(jù)從系統(tǒng)開始運行到系統(tǒng)停止運行都在進行數(shù)據(jù)存儲，因為平均值 才是對被測空間環(huán)境溫度的準確反映，存儲的數(shù)據(jù)可以根據(jù)其時間繪制平均溫度隨時間變化的曲線?？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 ， 將當(dāng)前的異?；蚬收系臄?shù)據(jù)和信息記入存儲下來 。在有條件的情況下可以根據(jù)該數(shù)據(jù)對該溫度控制系統(tǒng)進行可靠性分析。 4 模糊控制 設(shè)計 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)的詳細動態(tài)信息，并推算出其 數(shù)學(xué)模型 ，則可以達到精確控制。但是對于某些復(fù)雜系統(tǒng)， 在建立數(shù)學(xué)模型時，變量太多，而且變量對于系統(tǒng)的影響不是固定的曲線。這樣難以描述系統(tǒng)的動態(tài)，則達不到精確控制。模糊概念適用于該情況，模糊邏輯能夠在復(fù)雜的系統(tǒng)中實現(xiàn)良好的控制。 模糊控制的基本思想是對于經(jīng)驗的總結(jié) ， 運用總結(jié)結(jié)果進行邏輯推理得出正確的控制 ， 但是在自動化控制中，必須要有數(shù)學(xué)意義才能進行自動控制器的搭建。對經(jīng)驗進行邏輯推理和轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模糊控制的數(shù)學(xué)化，才能實現(xiàn)控制器的設(shè)計。 模糊控制器的工作過程 及基本原理：模糊控制器的模糊化接口將檢測到的被控對象的特征 狀態(tài)轉(zhuǎn)換為可以用人類語言表達的模糊量，使用人類語言表達出其控制規(guī)則，經(jīng)過模糊邏輯的推理就能的到用于控制的輸出量對應(yīng)的語言式的模糊量，這個模糊量再經(jīng)過清晰化接口編程執(zhí)行機構(gòu)可以識別的控制信號。 模糊控制器根據(jù)工作原理分成 4 個模塊： 第一 ， 模糊化接口 ， 對控制器的輸入進行模糊化處理 ， 使其變模糊語言 。 第二 ， 規(guī)則庫 ， 包含了所有的控制邏輯 ， 控制器的核心 。 第三 ， 模糊推理 ， 一種模糊運算過程 ， 根據(jù)規(guī)則庫進行推理 ， 有別于數(shù)值運算 。 第四 ， 清晰化接口 ， 模糊運算后的結(jié)果輸出為語言輸出 ， 要將語言輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 14 值式的輸出 ， 才能達到控 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： 避免了在建立數(shù)學(xué)模型過程中一系列復(fù)雜過程 ；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，用語言表達；模糊控制是基于語言的一種控制方式，具有良好的人機交互性； 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 模糊化就是對控制器的輸入和輸出進行模糊化處理，在其論域上定義變量，用模糊語言的方式表示精確的輸入和輸出值。模糊化 接 口 的設(shè)計 步驟為“ （ 1）語言變量的確定 首先確定控制器的輸入和輸出 ， 將輸入和輸出 定義為語言變量 ， 在該溫度控制系統(tǒng)的模糊控制器上有兩個輸入數(shù)據(jù) ， 和一個輸出控制數(shù)據(jù) ， 誤差值 e， 也就是測量到的溫度的均值與人為設(shè)定的期望溫度值的差值 ， e 的值等于實際溫值減去期望溫值；誤差變化率 ec， 單位時間誤差值的變化。一個輸出為： 控制量 u，控制器輸出的控制量經(jīng)轉(zhuǎn)換后變成對溫控設(shè)備的控制信號 。 在 e 的論域上定義語言變量 “誤差 E”，在 ec 的論域上定義語言 變量“誤差變化EC”，在控制量 u 的論域上定義語言變量“控制量 U”。 （ 2）語言變量 論域的設(shè)計 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 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（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)由程序計算得出的實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 與實際的控制量 u 的轉(zhuǎn)化，可以通過量化因子 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 的論域為離散整數(shù)，而 e 為連續(xù)值，所以通過量化因子換算后還需進行取整運算。 誤差 e 和誤差變化率 ec 可通過以下式轉(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（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， 代表取整運算。 模糊控制器的輸出 U可以通過以下式轉(zhuǎn)換為實際的輸出值 u： （ 6） （ 3）定義各語言變量的語言值 一般 ， 將語言變量變成語言值時 ， 將其分成奇數(shù)的幾個檔級 。 可以將 E、 EC 和 U 劃分為 {“正大（ PB）”，“正中（ PM）”，“正小（ PS）”，“零（ ZO）”，“負小（ NS）”，“負中（ NM）”，“負大（ NB）” }七檔。 檔級多 ， 控制邏輯復(fù)雜，但是不同控制量變化較平穩(wěn)，控制較準確，但是控制的邏輯規(guī)則比較多，在控制器的搭建過程中會有困難。 檔級少 ， 控制邏輯簡單 ， 控制過程 中可能會出現(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 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)則庫里 E 和EC 的組合對應(yīng)一個確定的 U，不同的 E 和 EC 組合所對應(yīng)的 U 可能相同， 規(guī)則庫可以用矩陣表的形式表達。 模糊控制規(guī)則的生成方法歸納起來主要有以下幾種 ： （ 1）根據(jù)專家經(jīng)驗或過程控制知識生成控制規(guī)則。這種方法通過對控制專家的經(jīng)驗進行總結(jié)描述來生成特定領(lǐng)域的控制規(guī)則原型，經(jīng)過反復(fù)的試驗和修正形成最終的規(guī)則庫。 （ 2）根據(jù)過程的 模糊模型生成控制規(guī)則。這種方法通過用模糊語言描述被控過程的輸入輸出關(guān)系來得到過程的模糊模型，進而根據(jù)這種關(guān)系來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（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)算法對控制過程的樣本數(shù)據(jù)進行分析和聚類，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)驗的方式參考相關(guān)文獻并修改后產(chǎn)生的規(guī)則庫 。 規(guī)則庫的生成沒有沒有明確的推導(dǎo)公式 ，都是 使用長期以來從事該方面的研究經(jīng)驗從而確定其規(guī)則 。 在系統(tǒng) 長期使用中可以根據(jù)采集并存儲的數(shù)據(jù)進行新的推導(dǎo)從而更新規(guī)則庫里的控制規(guī)則 ， 以更好的 適應(yīng)其運用的場合 。 其規(guī)則庫矩陣表如表 所示。 表 規(guī)則庫矩陣表 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)則矩陣表中的語言值轉(zhuǎn)換為對應(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)則庫矩陣表，把相應(yīng)的語言值用整數(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（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 18 E