【文章內(nèi)容簡介】 用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。 由工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)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。 基于模糊的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計方法，由于出發(fā)點和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)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。 模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，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(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。 模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)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。 因此，模糊控制被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、煤炭生產(chǎn)過程、金屬冶煉 、石油化工等方面，并取得了較為理想的效果。 模糊控制的基本原理 模糊控制的基本原理可由圖 31 表示，它的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線部分所示。模糊控制器的控制規(guī)則由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)，微機通過采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號 (在此取誤差反饋 )。一般誤差信號作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號的精確量進行模糊化變成模糊量，誤差的模糊量可用相應(yīng)地模糊語言表示。至此，就得廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 11 到了誤差的模糊語言集合的一個子集，再由該子集和模糊控制規(guī)則根據(jù)推理的合成規(guī)則做出控制決策，得到模糊控制量。為了 對被控對象施加精確的控制，還需要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，這一步在圖 31 中稱為非模糊化處理 (也稱為去模糊化或清晰化處理 )。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，變?yōu)榫_的模擬量后送給執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象精確控制，然后，進行下一次信號采樣，如此循環(huán)，從而實現(xiàn)了被控對象的模糊控制。 計算機控制變量模糊量化處理模糊化控制規(guī)則模糊化推理決策非模糊化處理D/A轉(zhuǎn)換A / D 轉(zhuǎn) 換 檢 測 放 大 被 控 對 象 執(zhí) 行 器給 定 值模 糊 控 制 器 圖 31 模糊系統(tǒng)原理圖 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)和常見的負反饋控制系統(tǒng)很相似，唯一不同之處是模糊控制裝置是由模糊控制器來實現(xiàn)，模糊控制器通常由下列幾個部分組成。如圖32 所示。 輸入、輸出量的規(guī)范化。輸入輸出量 的規(guī)范化是指將規(guī)范化的控制器的輸入輸出限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以便于控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。 輸入量的模糊化。模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于模糊控制器輸出的求解，模糊化的主要作用是將輸入量規(guī)范化后的確定量轉(zhuǎn)換成一個模糊矢量。 語言控制規(guī)則。模糊控制器的控制規(guī)則是基于專家知識或手動操作熟練人員長期積累的經(jīng)驗，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如 ifthen、 or、 also、 and 等，關(guān)系詞必須經(jīng)過“翻譯”，才能將模糊控制規(guī)則數(shù)值化。 廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 12 規(guī)范化模糊化規(guī)范化非模糊化模 糊 規(guī)則 推 理規(guī) 范 化輸入輸出 圖 32 模 糊系統(tǒng)的組成 模糊邏輯推理。模糊推理是控制器中根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考慮到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法。 輸出量的非模糊化 (解模糊化 )。模糊推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能己經(jīng)完成。但是，至此所獲得的結(jié)果仍是一個模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量出，即為解糊化。 本溫室溫濕度模糊解 耦 控制算法的實現(xiàn) 溫濕度模糊解 耦 器設(shè)計 采用模糊解 耦 控制實際上就是加進 一個合適的補償器，以消除 耦 合回路對主回路的影響，使各主回路能分別獨立控制，達到解 耦 控制的目的。在溫濕度 耦 合中，主回路是溫度控制回路，副回路是濕度控制回路。由于模糊解耦 器有其本身的因素，所以不可能做到而且也沒有必要做到使溫度回路和濕度回路完全獨立，實際上只需將濕度 耦 合對溫度回路產(chǎn)生的影響降到最低程度，使它不至于影響溫度主回路的正常調(diào)節(jié)就可以了。模糊解 耦 器如圖 33所示。 廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 13 K 1K 2模糊化模糊推理清晰化a 1a 2C tC h溫 度 偏 差e t濕 度 偏 差e h 圖 33 溫濕度模糊解 耦 算法原理圖 圖 33 中 Kl、 K2 為量化因子， al、 a2 為解 耦 補償系數(shù)， eT、 eH為溫度偏差和濕度偏差，分別等于 測量值減去設(shè)定值， cT、 cH 今為溫度回路補償量和濕度回路補償量。 模糊解 耦 器是個兩輸入兩輸出的模糊解 耦 器。解 耦 器的輸入為溫度偏差和濕度偏差。解 耦 器的輸出為對溫度回路的補償和濕度回路的補償值。在模糊控制算法中，把溫度偏差和濕度偏差的實際變化范圍叫做輸入變量的基本論域，基本論域常用區(qū)間表示，通用公式為 [x， x]。根據(jù)實際情況和實踐經(jīng)驗，在本課題中，溫度偏差的量化范圍 ： 最大值 5℃，最小值 5℃，濕度偏差的量化范圍為 ： 最大值 20%，最小值 20%。與基本論域?qū)?yīng)的是模糊集的論域，通用公式表示為 [n， n+l， ....， 0， ....， n1， n]，可以通過量化因子 (常用 K 表示 )將基本論域中的偏差轉(zhuǎn)化到模糊集的論域上。由于 n 值過大會使控制規(guī)則變得復(fù)雜，太小會使模糊處理結(jié)果粗糙而破壞控制性能，同時根據(jù)實際控制情況，將溫度偏差分為七檔 ： 負大（ NB)，負中 (NM)，負小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)。與此對應(yīng)將偏差分為： [5， 4， 3，2， l， 0， l， 2， 3， 4， 5]。同樣，將濕度偏差也分為七檔 ： 負大 (NB)，負中 (NM)，負小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正 大 (PS)。與此對應(yīng)將濕度偏差分為： [5， 4， 3， 2， l， 0， l， 2， 3， 4， 5]。為了簡化計算，在滿足系統(tǒng)控制精度的前提下，定義輸入采用三角隸屬函數(shù) ； 根據(jù)溫室實際控制經(jīng)驗的總結(jié)，其隸屬函數(shù)曲線如圖 34 所示。 廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 14 圖 34 對應(yīng) eT、 eH隸屬函數(shù) 由此可確定溫度偏差 eT、濕度偏差 eH各語言變量的隸屬度賦值如表 31所示。 量化因子 K 反映了輸入變量的基本論域元素值與模糊集的論域元素值之間的比例關(guān)系可用公式 K=n/x 表示，因此此處溫度偏差量化因子Kl=5/5=1，濕度偏差量化因子 K2=5/20=。溫度偏差和濕度偏差的量化域如表 32 所示。 表 31 溫度偏差 eT 和濕度偏差 eH隸屬度賦值表 ET/EH 變量 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 NM 1 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 0 Z 0 0 0 0 1 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 1 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 1 PB 0 0 0 0 0 0 0 1 廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 15 表 32 溫度偏差 eT 和濕度偏差 eH量化域表 eT、 eH 量化等級 eT 量化域 (單位 ： ℃ ) eH 量化域 (單位 ： %RH) 5 5??Te 20??He 4 45 ???? Te 1520 ???? He 3 34 ???? Te 1015 ???? He 2 23 ???? Te 510 ???? He 1 12 ???? Te 05 ???? He 0 11 ??? Te 50 ??? He 1 21 ?? Te 105 ?? He 2 32 ?? Te 1510 ?? He 3 43 ?? Te 20xx ?? He 4 54 ?? Te 2520 ?? He 5 Te?5 He?20 將對溫度回路補償量分為七檔 ： 負大 (NB)，負中 (NM)，負小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)。濕度回路補償量也分為七檔。與此對應(yīng)將補償量分為 (補償系數(shù) al、 a2 都取 2)： [5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4，5]。定義輸出也采用三角隸屬函數(shù)；參照實際控制經(jīng)驗，其隸屬函數(shù)曲線如圖 35 所示。 廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 16 圖 35 cT、 cH隸屬函數(shù) 溫度補償量 cT、濕度補償量 cH 各語言變量的隸屬度賦值如表 33 所示。 表 33 隸屬度賦值 cT/cH 變量 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 NM 1 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 0 Z 0 0 0 0 1 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 1 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 1 PB 0 0 0 0 0 0 0 1 表 34 溫度補償 cT 模糊規(guī)則表 ET EH NB NM NS Z PS PM PB NB PS PS Z NS NB NB NB NM PM PS PS Z NM NM NM NS PB PM PS Z NS NM NM Z Z Z PM Z PM M PB PS NS Z Z Z PS PM PB PM NM NS Z Z PS PS PM PB NB NM NS Z Z PS PS 在這里對溫度回路補償量、濕度回路補償量所分七檔：負大 (NB)，負中(NM)，負小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)作以說明。正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)表示補，就是加大控制量；零 (Z)表示不補；負大 (NB)，廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 17 負中 (NM)，負小 (NS)表示減，就是減小控制量。 根據(jù)實際經(jīng)驗得出解耦溫度補償 cT 規(guī)則表如表 34 所示，解耦濕度 cH補償規(guī)則表如表 35 所示。 表 35 濕度補償 cH模糊規(guī)則表 ET EH NB NM NS Z PS PM PB NB PB PS PS Z NS NM NB NM PB PS PS Z NS NM NB NS PM PS Z Z NS NM NB Z PM PS Z Z NS NM NB PS PS PS Z Z NS NM NB PM PS PM Z Z NS NM NM PB PS PM Z Z NS NM NB 從 表 34 和表 35 中取一條規(guī)則來分析，例如 ： 如果 eT = NB AND eH = NS，那么 cT = PB AND cH = PM；從此條規(guī)則可以看出當(dāng)溫度偏差為負大且濕度偏差為負小，那么溫度補償量 大補 ， 進行 補償，而濕度補償量為中 補。 即當(dāng)溫室溫度比設(shè)定值小很 多 為負大， 同時溫室內(nèi)濕度有點低為負小，因為溫度太低，所以要全力使 溫度上來，不必考慮有點低的濕度，這時因為溫度回路的閉環(huán)控制會有一個 開大 溫度的制量，這個控制量的施加會使得溫室快速上升。這樣以來溫度上來了，所以相對濕度會有所下降，相對濕度可能會更低，所以需要對濕度回路控制量進行 中 補。由上面總結(jié)出來的模糊規(guī)則，經(jīng)過模糊推理，然后再清晰化，清晰化后乘以補償系數(shù)，就得到了補償量。至此溫濕度 的耦 合關(guān)系己清晰。從理論上看，模糊解 耦 器能有效的解除溫濕度之間的 耦 合。 清晰化處理 由模糊控制規(guī)則表求取模糊控制查詢表步驟如下 (以溫度為例 ) 以第一條模糊控制規(guī)則為例， 可表示 ： If eT = NB and e