环境实验室温湿度模糊控制系统设计概要.docx
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环境实验室温湿度模糊控制系统设计概要
环境实验室温、湿度模糊控制系统设计
伍文平,张智盛,张 明
(69046部队 新疆乌鲁木齐 830001
摘 要:
环境实验室温度、湿度变化具有非线性、大滞后、精度要求高、建立数学模型复杂等特点,传统控制方式具有精度不够或模型复杂等限制。
根据系统需求,通过温度及湿度传感器采集数据,基于模糊控制理论,通过制定规则,选取参数因子,经过模糊控制算法运算,得到合理的控制量,通过控制量驱动控制装置,使温度、湿度趋向设定值。
本设计与传统控制方式相比在收敛速度、控制精度、系统稳定性等方面具有明显的改善。
关键词:
模糊控制;温度;湿度;监控系统
中图分类号:
TP273 文献标识码:
A 文章编号:
10042373X(2009212149203
DesignofConditionLab′sTemperatureandHumidityFuzzyControlSystem
WUWenping,ZHANGZhisheng,ZHANGMing
(PLAUnit69046,Urumqi,830001,China
Abstract:
Theconditionlab′stemperatureandhumidityhavethecharacteristicsofnon2linear,longdelay,highprecisionandcomplicatedmathematicmodel.Conventionalcontrolsystemhasthebugoflowprecisionandtoocomplicatedmodel.Thedatacollectedfromtemperatureandhumiditysensorsiscomputedwiththeestablishedrulesandtheselectedfactorsbasedonthefuzzycontroltheory,thefinalresultisacquiredtocontrolthetemperatureandhumidityfactorstrendtothesetting.Thissystemhasvirtuesofquickconvergence,highprecisionandhighstabilitycontrasttoconventionalsystem.
Keywords:
fuzzycontrol;temperature;humidity;monitoringcontrolsystem
收稿日期:
2009204222
传统的温、湿度闭环控制通常采用开关控制或PID控制,前者实现简单但精度差,后者精度高,但需建立数学模型,参数整定要求较高[1,2],而在温湿度非线性复杂变化的环境下,不易精确建模[1]。
模糊控制理论是能够模拟人脑智能,随环境变化的自适应控制技术,适合于非线性系统和难以用数学模型精确描述的复杂系统。
进一步可以采用神经网络与模糊推理结合的控制新模式。
1 环境实验室温湿度监控系统结构
环境实验室温、湿度监测控制机构见图1。
温、湿度传感器测得的信号经过调理,输入到模糊控制算法模块,产生决策信号控制驱动件(加热器、制冷器、加湿器、除湿器,保持环境实验室温、湿度恒定在设定值。
2 控制系统模糊控制机理
典型的模糊逻辑控制由模糊化、模糊推理和清晰化三部分组成。
下面以温度控制为例来具体说明。
依据传统模糊控制模型,本设计中温度模糊控制系统原理如图2所示[4]
。
图1 温、
湿度控制系统硬件结构示意图
图2 温度模糊控制系统原理方框图
模糊控制器选用双输入单输出控制方式,以温度误差e和误差变化率ec作为输入变量,以u作为输出变
量。
模糊子集为E=EC=U={NB,NM,NS,ZE,PS,
9
41《现代电子技术》2009年第21期总第308期 测试・测量・自动化
PM,PB}={负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},其
论域为[5]:
e=ec=u=[-3,3]={-3,-2,-1,0,1,2,
3}。
隶属度函数采用三角分布函数,如图3所示
。
图3 E,EC及U的隶属度函数
根据控制系统的输入/输出特性,以消除温度偏差为控制目标,制订控制规则如表1所示。
表1 模糊控制规则表
E
EC
NBNMNSZE
PSPMPBU
NBPBPBPBPBPMPSZENMPBPBPMPMPSZEZENSPBPMPMPSZEZENSNZPMPSPSZENSNSNMPZPMPSPSZENSNSNMPSPSZEZENSNMNMNBPMZEZENSNMNMNBNBPB
ZE
NS
NM
NB
NB
NB
NB
由模糊规则进行推理可以得出模糊控制器语言规则的输入输出关系,其关系是一个非线性的关系曲面。
当偏差较大时,控制量的变化应尽力使偏差迅速减小;当偏差较小时,除了要消除偏差外,还要考虑系统的稳定性,防止系统出现过冲,甚至引起系统振荡。
由隶属度函数及规则表,使用Mamdani推理方法和面积重心法进行清晰化,可得到控制查询表。
表2 模糊控制查询表
E
EC
-3-2-10
+1+2+3
U
-3+3+3+3+3+2+10-2+3+3+2+2+1+10-1+3+2+2+100-1-0+2+2+10-1-2-2+0+2+2+10-1-2-2+1+100-1-2-2-3+200-1-2-2-3-3+3
-1
-2
-3
-3
-3
-3
对应输出量U实际意义如表3所示。
表3 输出量U的实际意义
输出U
加热器(加热功率制冷器(制冷功率大功率加热
小功率加热
小功率制冷
大功率制冷
+3√√ΕΕ+2√ΕΕΕ+1Ε√ΕΕ0ΕΕΕΕ-1ΕΕ√Ε-2ΕΕΕ√-3
Ε
Ε
√
√
注:
√表示启动;Ε表示不启动工作机理:
依照模糊控制查询表建立的二维常数数组,将输入偏差E和偏差变化率EC量化到其基础变量论域,作为数组的行和列实时检索该查询表,得到实时输出U,依照输出量U的实际意义控制加热器或制冷
器,从而驱使温度稳定在设定值。
3 控制系统程序设计
采用ST语言进行程序设计,包括主程序、模糊控制算法、中断服务程序、操作命令与报警程序,其中模糊控制算法程序流程图如图4所示。
图4 模糊控制算法流程图
51数控技术伍文平等:
环境实验室温、湿度模糊控制系统设计
4 应用效果
外部环境温度从16℃降温到-20℃,应用效果如
图5所示,从开始到基本稳定(与设定值相差±1℃用时510s,系统稳定后波动范围在±0.8℃以内。
收敛速度、
系统稳定性与量化因子、比例因子有关,合理选择量化因
子、比例因子,
在收敛速度与稳定性之间取得平衡。
图5 模糊控制系统温度控制比较
5 结 语
本设计采用基于模糊控制理论的控制策略,实现了环境实验室的温度、湿度的可靠测量和控制,具有精度高、稳定性好、收敛速度快等优点,与传统开关控制系统相比,具有精度、速度、稳定优势;与基于预测的模糊控制方式[6]、双模糊控制策略[7]、参数自学习模糊控制[8]
策略相比减少了运算复杂度。
对于温、湿度具有明显耦合效应的环境,可以采用温、湿度解耦合运算后[9],再分别进行控制。
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作者简介 伍文平 男,1969年出生,1993年毕业于解放
军理工大学,硕士研究生,高级工程师。
主要从事通信工程设计与仿真工作。
(上接第148页
由此推算得到真实的测量值为:
VX
=VS1-VS2
V′S1-V′S2
(V′X-V′S2+VS2
(3
通过在线基准电压校准从根本上消除了放大、滤波
等环节由于器件参数分散性所引入的单向偏差问题,使测量系统的精度得到进一步的提升。
4 结 语
电压是电子系统中最基本的测量值之一,也是诸多非电子传感器转换为电子测量时最常用的物理量。
其快速准确测量无论是对于电子系统设计,还是对各种物理信号的测量,都有极其重要的意义。
本文实现了一种基于单片机的自动量程切换的电压测量系统,能在较宽电平范围内准确地测量其电压值。
此外采用基准电压测量,最大限度地减小信道对测量结果带来的误差。
参 考 文 献
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1
51《现代电子技术》2009年第21期总第308期 测试・测量・自动化
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