環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫、濕度模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

?傳統(tǒng)的溫、濕度閉環(huán)控制通常采用開關(guān)控制或PID控制，前者實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但精度差，后者精度高，但需建立數(shù)學(xué)模型，參數(shù)整定要求較高，而在溫濕度非線性復(fù)雜變化的環(huán)境下，不易精確建模。模糊控制理論是能夠模擬人腦智能，隨環(huán)境變化的自適應(yīng)控制技術(shù)，適合于非線性系統(tǒng)和難以用數(shù)學(xué)模型精確描述的復(fù)雜系統(tǒng)。進(jìn)一步可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊推理結(jié)合的控制新模式。

1 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

??? 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫、濕度監(jiān)測(cè)控制機(jī)構(gòu)見圖1。溫、濕度傳感器測(cè)得的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理，輸入到模糊控制算法模塊，產(chǎn)生決策信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)件(加熱器、制冷器、加濕器、除濕器)，保持環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫、濕度恒定在設(shè)定值。

2 控制系統(tǒng)模糊控制機(jī)理

??? 典型的模糊邏輯控制由模糊化、模糊推理和清晰化三部分組成。下面以溫度控制為例來具體說明。依據(jù)傳統(tǒng)模糊控制模型，本設(shè)計(jì)中溫度模糊控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

??? 模糊控制器選用雙輸人單輸出控制方式，以溫度誤差e和誤差變化率ec作為輸入變量，以u(píng)作為輸出變量。模糊子集為E=EC=U={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大)，其論域?yàn)椋篹=ec=u=[-3，3]={-3，-2，-1，0，1，2，3}。隸屬度函數(shù)采用三角分布函數(shù)，如圖3所示。

??? 根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入／輸出特性，以消除溫度偏差為控制目標(biāo)，制訂控制規(guī)則如表1所示。

??? 由模糊規(guī)則進(jìn)行推理可以得出模糊控制器語言規(guī)則的輸入輸出關(guān)系，其關(guān)系是一個(gè)非線性的關(guān)系曲面。當(dāng)偏差較大時(shí)，控制量的變化應(yīng)盡力使偏差迅速減??；當(dāng)偏差較小時(shí)，除了要消除偏差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)出現(xiàn)過沖，甚至引起系統(tǒng)振蕩。由隸屬度函數(shù)及規(guī)則表，使用Mamdani推理方法和面積重心法進(jìn)行清晰化，可得到控制查詢表。

??? 對(duì)應(yīng)輸出量U實(shí)際意義如表3所示。

??? 注：√表示啟動(dòng)；×表示不啟動(dòng)
??? 工作機(jī)理：依照模糊控制查詢表建立的二維常數(shù)數(shù)組，將輸入偏差E和偏差變化率EC量化到其基礎(chǔ)變量論域，作為數(shù)組的行和列實(shí)時(shí)檢索該查詢表，得到實(shí)時(shí)輸出U，依照輸出量U的實(shí)際意義控制加熱器或制冷器，從而驅(qū)使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

??? 采用ST語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，包括主程序、模糊控制算法、中斷服務(wù)程序、操作命令與報(bào)警程序，其中模糊控制算法程序流程圖如圖4所示。

4 應(yīng)用效果

??? 外部環(huán)境溫度從16℃降溫到-20℃，應(yīng)用效果如圖5所示，從開始到基本穩(wěn)定(與設(shè)定值相差±1℃)用時(shí)510 s，系統(tǒng)穩(wěn)定后波動(dòng)范圍在±O．8℃以內(nèi)。收斂速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與量化因子、比例因子有關(guān)，合理選擇量化因子、比例因子，在收斂速度與穩(wěn)定性之間取得平衡。

5 結(jié) 語

??? 本設(shè)計(jì)采用基于模糊控制理論的控制策略，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度的可靠測(cè)量和控制，具有精度高、穩(wěn)定性好、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)開關(guān)控制系統(tǒng)相比，具有精度、速度、穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)；與基于預(yù)測(cè)的模糊控制方式、雙模糊控制策略、參數(shù)自學(xué)習(xí)模糊控制策略相比減少了運(yùn)算復(fù)雜度。對(duì)于溫、濕度具有明顯耦合效應(yīng)的環(huán)境，可以采用溫、濕度解耦合運(yùn)算后，再分別進(jìn)行控制。