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北京服装学院硕十学位论文 暖休假人温度控制予系统的软件设计与开发 暖体假人温度控制子系统的软件设计与开发 摘要 本文系统地介绍了暖体假人温度控制子系统温度控制软件的设计。 本文首先概括性地介绍了暖体假人系统。暖体假人系统包括假人本体、上 位机系统、温度控制子系统、环境温度测量子系统和电能测量子系统，并简单描 述了各个部分的功能。 由于系统难于用数学模型描述，故选用了f u z z y p i 控制方案，在温度偏差 小时采用p i 控制，温度偏差大时采用模糊控制。在温度控制软件中构造了二维 模糊控制器，利用查表法完成了模糊控制器的设计。 系统程序采用了模块化设计。文中介绍了暖体假人温度控制软件的具体设 计实现，并详细介绍了初始化程序中断服务子程序，控制算法程序等。 系统的实际运行的结果表明，f u z z y - p i 控制取得了较好的控制效果。 关键词：暖体假人，温度控制，f u z z y p i 控制，串口通信 北京服装学院硕+ 学位论文 暖件假人温度控制了系统的软件设计与开发 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft e m p t u r e c o n t r o ls o f t w a r eo ft h e r m a lm a n i k i n s u b s y s t e m a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft e m p e r a t u r e c o n t r o ls u b s y s t e ms o f t w a r ef o rt h ep r o j e c to f t h e r m a lm a n i k i ns y s t e ma r e s u m m a r i z e ds y s t e m a t i c a l l y t h et h e i t n a lm a n i k i n s y s t e m i sm a d e u p o fm a n i k i n b o d y s u b s y s t e m ，m o n i t o rs u b - s y s t e m ，t e m p e r a t u r e c o n t r o l s u b 。s y s t e m ， e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r em e a s u r es u b s y s t e m a n dp o w e rc o n s u m p t i o n m e a s u r es u b s y s t e m t h ed i s s e r t a t i o nd e p i c t st h ef u n c t i o n so fe v e r yp a r t s i m p l y b e c a u s ei ti st o od i f f i c u l tt o g e tp r e c i s e m a t h e m a t i c a l m o d e l ， f u z z y - p i c o n t r o li s e m p l o y e d i n t e m p e r a t u r e c o n t r o l s u b 。s y s t e m a 2 - d i m e n s i o nf u z z yc o n t r o l l e ri sc o n s t r u c t e di n t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s o f t w a r e a n dt h em e t h o do f t a b l el o o k u pi su s e d i nc o n t r o la l g o r i t h m t h es y s t e m p r o g r a ma d o p t s t h em o d u l a r i z e dp r o g r a ms t r u c t u r e t h e s o f t w a r e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l s u b s y s t e m a r e d i s c u s s e d e s p e c i a l l y , s o m e d e t a i l e d a l g o r i t h m s a n d f u n c t i o n s ，s u c h a sc o n t r o l p r o g r a m ，i n t e r r u p t s e r v i c es u b r o u t i n ea n d i n i t i a l i z a t i o np r o g r a m ，a r ep r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b y s o m e p r o o f - t e s t s ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls u b s y s t e ma c h i e v e sa s a t i s f a c t o r yr e s u l t k e yw o r d ：t h e r m a lm a n i k i n ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，f u z z y p ic o n t r o l ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 声明 北京服装学院学位论文独创性声明 y7 1 8 9 3 7 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京服装学院或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确地说明并表示谢意。 学位论文作者签名：争1 冬生签字日期：2 0 0 5 年三月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京服装学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权北京服 装学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 本人签名：，餐够签字日期：2 0 0 5 年三月 日 导师签名： 签字日期：2 0 0 _ _ 5 5 年三月 同 北京服装学院硕士学位论文 暖体假人温度控制了系统的软件设计与开发 第一章概述 本课题的任务是完成暖体假人体表温度控制下位机系统软件的丌发。 暖体假人可以模拟人体、服装和环境之间的热交换过程，是纺织服装行业用于评 价服装及面料保暖性的重要设备。通过控制预置于假人体表下不同部位的加热丝，可 以模拟人体的自然散热平衡过程，通过计算得出服装隔热值一克罗( c l o ) 。 本课题的暖体假人采用玻璃钢材料作为假人体，假人体划分为1 7 个部位。在假 体不同部位上缠绕铜质加热丝作为加热元件，通过控制加热丝的加热功率，使假人体 的体表温度稳定在设定值，从而模拟人体的自然生理过程，当系统达到稳定后，通过 测量假人体的加热丝的电能消耗可以计算得出国际公认的服装的隔热值一克罗值 ( c l o ) 。 暖体假人系统包括上位机系统和下位机系统两部分，下位机又包括假人体表温度 控制机、环境温度测量机和电能测量机三部分，下位机通过r s 一4 8 5 总线与上位机相 连，结构如图1 。 _ 图1 系统框图 上位机采用通用p c 机。上位机负责系统的初始化设置，包括加热区段的选择、 p i d 参数的设置和各加热区段的温度设置；上位机还负责对假人体表温度控制运行状 况进行监控，通过r s 4 8 5 串行总线获取假人体表温度各加热区段的温度信息和系统 加热电压值，并根据所得到的数据绘制各个区段的温升曲线；上位机通过所收集到的 数据通过计算最终得到隔热值。 假人体表温度控制下位机是一个1 7 路的温度控制系统，系统以单片机为核心构 成一个多路巡回检测，控制系统。系统温度测量部分采用p t - 1 0 0 铂电阻作为测温元 1 望生塑墅垒塑型里兰垡笙奎 堕竺堡垒塑壁塑型三墨丝堕竺竺堡生兰堑茎 件，通过多路开关在假人体不同区段的测温电阻间切换来检测假人体各部位的温度。 加热控制部分采用铜质加热丝作为加热元件。单片机通过光电隔离控制c m o s 大功 率晶体管的通断，以完成对假人体各部分加热的控制；通信部分采用了r s 4 8 5 接 。 结构如图2 。 i 外部r a ml多铂 if 路 l j 电 r 叫 j f 开阻 上位机 a d p c s l 2 多 光加 r 叫路 电 执 l _ j l _ j 开 、r 叫 隔 r 叫 电 关离路 图2 温度控制机结构 系统要求对假人体的1 7 个部分进行数据采集，温度控制，同时还要将采集的数 据发送给上位p c 机系统进行显示和判断。根据对系统的要求，控制系统的c p u 采 用a d i a c 8 1 2 ，a d i t c 8 1 2 在单个芯片上集成了高性能的能自校准的多通道1 2 位a d c 和两个1 2 位d a c ，内核兼容8 0 5 l 的微处理器单元。a d p c 8 1 2 片内包括8 k 字节的 f l a s h 程序存储器，2 5 6 字节s r a m 以及6 4 0 字节的e e p r o m 存储器。同时，还提供 s p i 总线和标准的u a r t 串行端口。可以接受从上位机的r s 2 3 2 口下载的程序，可 以进行程序的在线调试。 环境温度测量下位机负责测量环境温度和加热电压。系统分别测量不同位置的6 个环境点的温度，以获取假人体系统周围环境的温度信息。系统采用p t - 1 0 0 铂电阻 作为测温元件。系统通过检测假人体加热电源的电压来监控下位机的运行情况。采用 a d 6 5 4v f 变换器测量假人加热电源的加热电压。系统将所测量到的环境温度和假人 温度控制系统的加热电压发送给上位机，供上位机监视下位机加热状态。系统同样采 用a d i t c 8 1 2 作为c p u ，通过r s 一4 8 5 总线与上位机通信。 电能测量下位机负责对假入系统的加热电能消耗的测量。系统采用a d i t c s l 2 作 为c p u ，采用a d 7 7 5 5 作为电能消耗测量元件，将a d 7 7 5 5 的测量结果先读入单片机， 处理后通过串行总线发送给上位机。 2 北京服装学院硕士学位论文 暖体假人温度控制子系统的软件设计与开发 第二章控制方案 暖体假人系统中元件的参数会随着温度值的变化而变化，是一个非线性时变的 系统，并且各个部分之间存在相互的影响，难以建立精确的数学模型。而模糊控制技 术可模仿人的思维方法进行控制，是种反映人的智慧思维的智能控制，它是以人对 被控系统的控制经验为依据设计控制器，无需知道被控系统的数学模型，它构造容易， 适应性好，对被控系统参数变化不敏感，鲁棒性强，很适于暖体假人系统的要求。考 虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。以系统 误差e 及其变化率e c 为输入语句变量，因此它具有类似于常规p d 控制器的作用， 可以获得良好的动态性能，但是静态性能不能令人满意。而系统采用p i d 算法进行控 制时，一组参数不能在一个很宽的温度范围内都有很好的控制效果。p i d 控制算法的 积分控制作用能消除静差，但动态响应慢，比例控制作用动态响应快，而比例积分控 制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。因此，将p i 控制策略 引入模糊控制器，构成f u z z y p i 复合控制，可以结合两者优点，改善系统性能。【3 】 f u z z y p i 复合控制方案原理如图3 f ”，其基本控制思想是在系统误差大的时候采 用f u z z y 控制，加快系统响应速度，使输出尽快达到设定值，在小误差时转换为p i 控制，使输出跟随设定值，减小系统稳态误差，两者的转换由单片机程序根据事先给 定的误差范围自动实现，具体到假人体温度控制系统中，取模糊量0 为转换点，误差 大，则采用模糊控制，反之，采用p i 控制。 图3f u z z y p i 复合控制原理图 北京服装学院硕士学位论文 暖体假人温度控制子系统的软件设计与开发 2 1 模糊控制 2 1 1 模糊控制简介啪 模糊控制和模糊数学等概念是由美国d n j 十i 大学的自动控制理论专家l a z a d e h 首 先提出的。1 9 7 4 年，英国的m a m d a n i 首次用模糊逻辑和模糊推理实现了对蒸汽机的 自动控制，并且取得了比直接数字控制更好的控制效果。此后的二十几年里，模糊控 制在动力系统控制，智能机器人，交通管理系统，化学反应器，锅炉控制，家用电器 以及高技术领域取得了一系列成功应用，显示了模糊控制的巨大潜力。1 8 】 模糊控制的广泛应用有很多原因，其中关键的几条原因如下： 1 被控系统的复杂 很多被控对象较为复杂，在实际中有些很难用数学模型来描述。例如，在工业中 常会碰到大滞后，时变，非线性的系统；有些控制对象很难用一个完整的数学模型来 表示，如冰箱，洗衣机等家用电器。本课题中的暖体假人系统是一个纯滞后，系统参 数时变，各个部分相互影响的温控系统，很难用精确的数学模型来描述。这种复杂的 对象用模糊规则表示则相对简单，因为它不需要被控对象精确的数学模型，可以根据 现场操作实践中积累的经验和相关的知识构造模糊控制器完成对系统的控制。 2 模糊控制的易用 模糊控制是基于控制规则库的，而规则库可以通过控制表来实现，从而使模糊控 制具有良好的易用性。模糊控制对系统的参数变化不敏感，这一点对本课题的实际情 况有特别的优势。 3 易于实现 模糊控制算法可以很方便的用软件来实现，用软件可以准确的描述隶属度函数， 控制规则，并执行相关模糊推理过程。整个控制过程可以方便的在单片机上完成。 2 1 2 模糊控制基本原理8 模糊逻辑控制是一种基于模糊数学理沦的新型控制方法。它的理论方法与实现技 术都和传统的控制理论与技术有很大区别。模糊控制在控制系统中的具体实现形式是 模糊控制器，是以模糊控制器取代传统的数字控制器。模糊控制在结构上和传统控制 4 j ! 塞些茎兰堕堡生兰堡堡苎 堕竺堡塑壁篓型王墨竺塑墼竺堡生! 墅垄 器一样，是一个由模糊控制器，被控对象，检测和反馈部件组成的自动控制系统。模 糊控制的系统结构如图4 所示。l s j 图4 模糊控制的系统结构 模糊控制的核心是模糊控制器，模糊控制的方法通过模糊控制器来具体实现。模 糊控制器的思想来i h 人们在生产实践中对被控对象的控制经验。在模糊控制器中使用 模糊控制语句来描述人类对某一过程的推理和判断知识。例如对于一一个温度调节系 统，有如下描述： 如果室内温度高，则快速降温； 如果室内温度较高，则中等降温； 如果室内温度适宜，则不作调整； 如果室内温度低，则中等加热； 如果室内温度很低，则全速加热； 上述的模糊控制规则使用模糊控制语句表达的，这些模糊控制语句也可以用条件 语句的形式表示。如果用t 表示室内温度，分别取高( p b ) 、较高( p m ) 、适宜( z ) 、 低( n m ) 、很低( n b ) 。用u 表示加热量大小，分别用n b 、n m 、z 、p m 、p b 表示 快速降温、中等降温、不调整、中等加热、全速加热。 可用i f ”t h e n 格式表示如下： i ft = n bt h e nu = p b i ft = n mt h e nu = p m i ft = zt h e nu = z i ft = p mt h e nu = n m i ft = p bt h e nu = n b 模糊控制器是模糊控制的核心，模糊控制的具体实现者。在模糊控制中用模糊控 制器取代传统的数字控制器实现对系统的控制，模糊控制器结构如图5 所示。 8 t 北京服装学院硕+ 学位论文 暖伴假人温度控制子系统的软件设计与开发 知识席 兰巫亟习( 蔓 亘竺 一 模糊化接口卜叫 推王! f ! 机卜_ 叫解模糊接口f 一一 图5 模糊控制器结构框图 模糊控制器各个部分功能如下： a 模糊化接口 由于实际的系统都是连续的，模糊控制系统的输入只是连续变化的精确量，模糊 控制系统无法进行处理。这就要求通过模糊化接口将系统输入的精确量转换为相应的 模糊量，使之能够被模糊控制系统处理。 b 推理机 推理机进行模糊推理，产生模糊决策。首先对专家知识和系统经验进行分析，制 定出模糊控制规则，然后进行模糊推理，得到模糊输出。 c 知识库 知识库包括数据库和语言控制规则库。数据库就是隶属度函数集。语言控制规则 库是指控制规则集。计算机将知识库存储在系统内，供模糊推理时使用。 d 解模糊接口 模糊控制得到的结果是模糊量，无法对被控对象进行控制。解模糊接口的作用就 是将控制输出的模糊量转换为实际控制所需要的精确量以最终完成对被控对象的控 制作用。 2 1 3 模糊控制系统的实现方法嘲 一、模糊控制器结构的选择 模糊控制器根据输入变量得个数可分为输入多变量和单输入变量系统。在单变量 系统中，将输入量的个数定义为模糊控制器的维数，系统可分为：一维模糊控制器， 输入量为误差；二维模糊控制器，输入量为误差及其变化率；三维模糊控制器，输入 为误差、误差变化率和误差变化率的变化率。 本课题的模糊控制系统的输入值只有一个，即温度，选用单变量二维模糊控制器 结构形式。输入为实际温度y 与温度设定值r 之间的误差e 及其变化率e ，以加热量 6 北京服装学院硕士学位论文 暖体假人温度控制子系统的软件设计与开发 通断比率u 作为输出控制量。结构如图6 所示【8 l 。相比于一维模糊控制系统，控制效 果好；较之三维模糊控制系统，结构简单，易于实现。 图6 二维模糊控制器结构 二、输入变量的模糊化及其表示【8 】 模糊化是把输入的精确量转换成模糊量的变换过程。在模糊控制中，系统的输入 是连续变化的精确量，必须经过模糊化才能用于模糊控制器，这就要求将输入连续量 转换为模糊量。 首先进行模糊语言变量值的确定。依据习惯一般将其表示为大、中、小3 个等级。 一个语言变量的语言值越多，对事物的描述就越准确，控制规则也就越细致，可能得 到的控制效果就越好。但划分的模糊量过多，则形成的控制规则也越复杂，其模糊推 理过程相应也会过于复杂。故在一个论域中，模糊量的划分一般取5 1 0 个，本课题 中取7 个模糊量。即负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，其英文缩写为n b 、 n m 、n s 、z 、p s 、p m 、p b 。误差e 和误差变化率e c 可表示如下： e = n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p b ) e c 2 n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p b 模糊控制系统的被控对象状态变化是连续的，系统给定也是连续量，所以，模糊 控制器的输入量也是连续的。模糊控制器要求输入的量是离散模糊量。这就需要进行 论域的量化，把连续的输入量转化为离散的模糊量，把连续的论域变换为离散的论域。 模糊控制中，离散论域的元素一般取5 1 5 个。元素太少，离散模糊量的隶属度 函数的表达过于粗糙；元素太多，会使运算过于复杂。量化后的离散论域中的元素与 所取的模糊量的数量有一定对应关系，一般取模糊量个数值的1 5 2 倍，在本课题中， 取离散论域的元素为1 1 个。即定义模糊集为： e = - 5 ，一4 ，一3 ，- 2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 e c = 一5 ，- 4 ，3 ，- 2 ，- 1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 北京服装学院硎十学位论文 暖体假人温度控制子系统的软件设计与开发 论域中一个模糊量所涉及的元素是不同的，划分的宽度以量化后论域的0 元素为 原点，划分的宽度以0 元素处的“零“模糊量开始，向正负方l 句x , 1 称非线性增大，划 分宽度随模糊量离0 元素的距离非线性增大。 模糊量语言值是由隶属度函数描述的。常见的隶属度函数形状曲线有：正态分布 曲线，三角形，梯形等。为了使设计简单，提高实时性，在工程中往往采用形式简单 的隶属度函数。控制系统的实际运行表明，在划分宽度相l 司n , 1 ，隶属度函数的形状对 控制过程影响很小，所以，隶属度函数大多依赖经验或考虑处理方便来选取。故本课 题模糊量隶属度函数选用对称等腰三角形，结构简单，便于计算，且灵敏度高，最负 和最正的模糊量采用不对称梯形。 本课题取温度偏差e 和偏差变化率e c 的量化后的论域为1 1 个元素，即： e 2 5 ，一4 ，一3 ，- 2 ，1 ，0 ，i ，1 2 ，3 ，4 ，5 ) e c 2 - 5 ，一4 ，一3 ，一2 ，l ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 本课题中取温度偏差e 和偏差变化率e c 的模糊量为7 个，即： e 2 n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p b ) e c = f n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p b 这些模糊量的表达可以采用多种方法，如图形表示法，公式表示法，表格表示法 和坐标表示法。 1 图形表示法 温度偏差e 和偏差变化率e c 的模糊量为7 个，即n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ， p b 。在量化后的论域中，以论域元素为横坐标，以隶属度函数为纵坐标，既得到模 糊量隶属度函数的图形。得到隶属度函数图形如图7 所示。 攀7 遵m | 译j _ 、1； 1 1 j? 、j t i | 7 t 、t 、； 1j f fj f fi tt ； 、itlj f7 i v 图7 隶属度函数 北京服装学院硕士学位论文 暖体假人温度控制子系统的软件设计与开发 2 公式表示法 公式表示法就是用单点表示模糊量，式中，每个单点以隶属度和沦域元素表示。 温度偏差e 和偏差变化率e c 的模糊量用公式表示如下： n b = 1 - 5 + 0 6 6 7 4 + 0 1 6 7 一3 + 0 2 n m = 0 - 5 + 0 2 一4 + 0 8 一3 + 0 6 2 + 0 一1 n s = 0 - 3 + 0 5 t 一2 + 0 7 5 一1 + o o z = 0 - 1 + i 0 + 0 1 p s = 0 0 + 0 7 5 1 + 0 5 2 + 0 3 p m = 0 i + 0 6 2 + 0 8 3 + 0 2 4 + 0 5 p b = 0 2 + 0 2 3 + 0 6 6 7 4 + 1 5 3 表格表示法 表格表示法是以模糊量为纵列，以论域元素为横行，每个单元格以隶属度来表示 模糊量。温度偏差e 和偏差变化率e c 的模糊量表示如表1 所示。 表1 模糊量的表格表示法 一54 32- l0l2345 n b106 6 7o 1 6 7o o000 000 n mo0 20 80 60o0oo0o n so00o 507 5o0o000 zo0000ioo000 p soooo 000 7 5o 5000 p moo00oo0o 6o 8o 2o p b000o000o0 20 6 6 7l 三、输出变量的模糊化及其表示 本课题中输出控制采用控制加热丝上所加电源通断的方式来实现，导通的时间由 关断加热比来控制，关断加热比大，则要求的加热功率小，控制功率开关导通的时间 短；关断加热l e f j , ，则要求的加热功率大，控制功率开关导通的时间长。 故为了便于计算，将输出控制量u 取7 单点模糊量，分别为零、小、小中、中、 中大、大、特大，其英文缩写为z 、s 、s m 、m 、m b 、b 、b b 。离散论域模糊量取7 9 北京服装学院硕士学位论文 暖体假人温度控制了系统的软件殴计与开发 个为 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，) ，直接对应于系统控制输出的关断加热比。输出控制 量的模糊量表示如图2 6 所示。 o 图8 输出控制的模糊量 6 四、生成模糊控制表 1 模糊控制规则 模糊控制器的规则是基于专家知识和熟练操作人员长期积累的经验，表达了人对 控制对象执行控制时的思维和判断过程。模糊控制规则的选取是非常重要的，只有适 当的选择规则，才能将人们的经验和知识体现出来，才能获得良好的控制效果。 模糊控制规则采用条件语句的形式，考虑到模糊控制系统输入为温度偏差e 和偏 差变化率e c 两个，输出为一个控制量u ，选用“若a 且b 则c ”形式。控制规则的 选取要考虑到系统的实际运行情况，并经过现场调试。选取的原则是：误差较大时， 控制量输出应使系统尽快减小误差，达到设定值；误差较小时，控制量输出除了减小 误差还要保证系统稳定，减小超调，提高稳态精度；系统控制输出为加热量的大小， 没有主动降温措施，同时温度系统有一定的惯性，故当系统温度值高于设定，且还在 加大时，控制器输出为零，以使温度尽快回落。根据系统实际情况，经过现场调试得 到如下的控制规则集合，即有： i f e o n ba n de c = n bt h e nu = z i fe = n ba n de c = n mt h e nu = z i fe = ；n ba n de c = n st h e nu = z i fe = n ba n de c = zt h e nu = z i fe = n ba n de c = p st h e nu = z i fe _ 】q ba n de c = p mt h e nu = z i f e = n ba n de c = p b t h e nu = z 1 0 b b jfjlil【ii罡 b b m j11lil m m 一 ，。，l s 北京服装学院硕十学位论文 暖体假人温度控制子系统的软件设计 开发 i f e 喇ma n de c = n bt h e nu = s m i f e = n ma n de c = 0 q mt h e nu = s i fe - 1 呵ma n de c = n st h e nu = s i f e - n ma n de c zt h e nu = s i fe = n ma n de c = p st h e nu = z i fe 爿、ma n de c = p mt h e l lu = z i fe = _ n ma n de c = p bt h e nu = z i fe = n sa n de c = n bt h e nu = m i f e = n sa n de c = n mt h a nu = s m i f e = n sa n de c = 0 q st h e nu = s m i fe = _ n sa n de c = zt h e nu = s m i fe = 0 q sa n de c = p st h e nu = s i fe = ! n sa n de c = p mt h e nu = s i fe = n sa n de c = p bt h e nu = s i f e = za n de c = n bt h e nu = m i f e = za n de c = n mt h e lu = m i fe = za n de c = n st h e nu = s m i f e = za n de c = _ zt h e nu = s m i fe = za n de c = p st h e nu = s m i f e = za n de c = p m 血e nu = s i f e = - za n de c = p bt h e l lu = s i f e = p sa n de c = n bt l l e nu = m b i f e = p sa n de c = n mt h e nu = m b i f e = p sa n de c = n st h e nu = m b i fe = p sa n de c = zt h e nu = m b i f e = p sa n de c = p st h e nu = m i f e = p sa n de c = p mt h e l lu = m i f e = p sa n de c = p bt h e nu = m i fe = p ma n de c _ n bt h e nu = b i f e = p ma n de c n mt h e nu = b ! ! 重璺茎兰堕堕主兰堡堡茎 哩堡堡塑堡塑塑王墨竺堕塾堡堂生曼茎丝 i f e = p ma n de c = n st h e nu = b i fe = p ma n de c = zt h e nu = b i f e = p ma n de c = p st h e nu = b i f e _ - p ma n de c = p mt h e nu = m b i fe = p ma n de c = p bt h e nu = m b i fe = p ba n de c _ n bt h e nu ：b b i f e = p ba n de c n mt h e nu = b b i fe = p ba n de c = n st h e l lu = b b i fe = p ba n de c = zt h e nu = b b i f e = p ba n de c = p st h e nu = b b i fe = p ba n de c = p mt h e nu = b i fe = p ba n de c = p bt h e nu = b 上述的规则共有4 9 条，它们之间是或的关系，整个规则集也可以用模糊控制规 则表来表示，如表2 所示。 表2 模糊控制规则表 i u e n bn mn szp sp mp b n bzs mmmm bbb b n mzss mmm bbb b n szss ms mm bbb b e c zzss ms mm bbb b p szzss mmbb b p mzzssmm bb p bzzssmm b b 2 生成模糊控制表8 l 模糊控制算法和模糊推理有很大关系，本课题设计中采用的是m a m d a n i 模糊推 理。基于m a m d a n i 推理的控制算法有三种，即关系矩阵法，查表法和解析式法。本 课题采用查表法，避免繁琐的计算，提高控制算法的实时性。查表法的控制表是根据 控制规则和输入量量化值与输出量量化值构造的关系表格。 1 2 北京h 陵装学院硕士学位论文 暖体假人温度控制子系统的软件设计与开发 设模糊控制器有k 条控制规则： l i ：i fa ia n d b j t h e n c i j 每一条规则的关系r i 为： r i = a i b j c i j 可以得到控制器的关系r ： k r = t _ j r ， i = 1 对于偏差e 和偏差变化率e c 的输入为精确值，在量化后一定对应于相应的模糊 量a i 和b j 。根据模糊关系r 可以得到模糊控制输出量c i j , c d = ( a i b j ) o r 采用最大隶属度法进行反模糊化即得到精确控制量u 。 将模糊量a i 和b j 的所有可能的组合作为输入量，求出相应的输出量，就可以 得到一组组的数据，根据这些数据就可以得出模糊控制表。 温度偏差e 和偏差变化率e c 离散论域均有11 个元素，求出它们的不同组合对 应的控制输出量即可得到模糊控制表。 1 温度偏差e = 一5 根据隶属度函数有： n b e ( - 5 、。1 其余的隶属度均为0 。 ( 1 ) 偏差变化率e c = 5 n b e c ( 一5 1 = 1 其余的隶属度均为0 。 所以，对于e = 5 ，e c = 5 的情况，只有一条控制规则有效，即： i f e = n ba n de c = n bt h e nu = z 可以得到控制量u ： u = n b e ( 5 ) n b e c ( 一5 ) 八z u = 1 a l a z u = z u z u 是单点模糊量，其对应元素为0 ，故： u = 0 ( 2 ) 偏差变化率e c = 4 n b e c ( 一4 ) = o 6 6 7 ，n me c ( - 4 ) = 0 2 1 北京服装学院硕士学位论文 暖体假人温度控制子系统的软件设计与开发 其余的隶属度均为0 。 所以，对于e = 5 ，e c = 4 的情况，只有两条控制规则有效，即： i f e = n ba n de c = n bt h e nu = z i f e = n ba n de c = n mt h e nu = z 对第一条控制规则，可以得到控制量u ： h 12 n b e ( 一5 ) 八n b e c ( - 4 ) 八z u = 1a 0 6 6 7 a z u = o 6 6 7 z u 对第二条控制规则，可以得到控制量u ： 1 1 2 。n b e ( 一5 ) 八n m e c ( - 4 ) 八z u = 1 a 0 2 a z u = o 2 z u 最终的模糊控制量u = u lvu 2 = o 6 6 7 z u o 6 6 7 z u 是z u 的0 6 6 7 截集，z u 是单点模糊量，本质上是z u 对应的元素0 ，故： u = 0 ( 3 ) 偏差变化率e c = 3 n b e c ( 一3 ) = 0 1 6 7 ，n me c ( 一3 ) = 0 8 其余的隶属度均为0 。 所以，对于e = 5 ，e c = 3 的情况，只有两条控制规则有效，即： i f e = n ba n de c = n bt h e nu = z i fe = n ba n de c = n mt h e nu = z 对第一条控制规则。可以得到控制量u ： u l = n b e ( 一5 ) 八n b e c ( - 3 ) 八z u = 1 a 0 1 6 7 a z u = 0 1 6 7 z u 对第二条控制规则，可以得到控制量u ： u 2 = n b e ( 5 ) 八n m e c ( - 3 ) 八z u = 1 a 0 8 a z u = o 8 z u 最终的模糊控制量u = u lvu 2 = o 8 z u o 8 z u 是z u 的o 8 截集，z u 是单点模糊量，本质上是z u 对应的元素0 ，故： u = 0 ( 4 ) 偏差变化率e c = 2 n m e e ( - 2 ) = o 6 ，n se c ( 一2 ) = 0 , 5 其余的隶属度均为0 。 所以，对于e = 一5 ，e c = 2 的情况，只有两条控制规则有效，即： i f e = n ba n de c = n mt h e nu = z i fe = n ba n de c = n st h e nu = z 1 4 北京服装学院硕十学位论文 暖体假人温度拌制子系统的软件设计与开发 对第一条控制规则，可以得到控制量u ： u l2 n b e ( 一5 ) 八n m e c ( 一2 ) 八z u = 1 a o6 a z u = o 6 z u 对第二条控制规则，可以得到控制量u ： 1 1 22n b e ( 一5 ) 八n s e c ( 一2 ) 八z u = 1a 0 5 a z u = o 5 z u 最终的模糊控制量u = u lvu 2 = o 6 z u 0 6 z u 是z u 的0 6 截集，z u 是单点模糊量，本质上是z u 对应的元素0 ，故 u = 0 ( 5 ) 偏差变化率e c = 1 n s e o ( - 2 、= o ，7 5 其余的隶属度均为0 。 对于e = 一5 ，e c = 一2 的情况，只有一条控制规则有效，即 i f 刚ba n de c = n st h e nu = z 可以得到控制量u ： u j = n b e ( 一5 ) n s e c ( 一1 ) z u = 1 a 0 7 5 a z u = 0 7 5 z u o 7 5 z u 是z u 的0 7 5 截集，z u 是单点模糊量，本质上是z u 对应的元素0 ，故： u = 0 同理可以得到其他的各种情况的组合及其所对应的控制输出量。 表3 模糊控制表 u e 54321012345 一50o23334 466 6 4oo233344666 3o0l223 4 4566 2o0i22244566 100122244566 e c 0ool22244566 l00ol1233566 20o011133566 3000il133456 4ooo11133455 50oo11l33455 北京服装学院硕十学位论文 暖体假人温度控制子系统的软件设计与开发 温度偏差e 和偏差变化率e c 离散论域均有1 1 个元素f 一5 ，- 4 ，- 3 ，2 ，1 ，0 ， 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，输入的精确值都会量化为这1 1 个元素中的一个，这样就有1 2 1 种 组合，求出这些组合及其对应的输出控制量，即可得到模糊控制表，如表2 3 。控制 表以温度偏差e 论域元素为列，以温度偏差变化率e c 论域元素为行，行列元素的交 点为输出控制量。 2 2p i d 控制嘲 p i d 控制是最早发展起来的控制算法之一一，由于技术成熟，结构简单，可靠性高， 参数易于整定，对于多数控制过程都有较好的控制效果，被广泛用于工业过程控制。 p i d 控制算法不仅对于数学模型已知的确定性控制系统有良好的控制效果，而且同样 可以用于系统模型未知的系统。故在假人温度控制中采用p i d 控制与模糊控制相配合 以完成整个过程的控制任务。 在模拟控制系统中，最常用的控制规律就是p i d 控制，其控制规律为 础) = k e m 叶軎m 出+ 警】 式中：u ( t ) 为调节器的输出函数 e ( t ) 为调节器的输入，即给定值与反馈值的差值 k r 为比例系数 t 。为积分时间常数 t d 为微分时间常数 p i d 控制系统原理框图如图9 ： 一一伍ir 。粤堕上_ 积万一 +l j i。l 竺l i f 图9p i d 控制系统原理框图 p i d 控制器的各校正环节作用如下： 1 6 4 一藏丽象l - 一旦( c ) 北京服装学院硕上学位论义 暖体假人温度控制了系统的软件设计与开发 1 比例环节 比例环节成比例的反映控制系统的偏差信号，可以加快系统的响应速度，提高 系统的控制精度。k p 取较大值可以获得较快的响应速度，系统稳态误差也相对较小， 但k p 过大会加大系统的超调量，甚至使系统不稳定。 2 积分环节 积分环节的主要作用在于消除系统的稳态误差。积分作用的强弱取决于积分时 间常数t 1 ，t ，越大，积分作用越弱，反之则越强。加强积分作用可以快速消除静差， 但积分作用过强会引起积分饱和，使系统的性能变差。 3 微分环节 微分环节反映偏差信号的变化趋势，可以对系统的偏差变化提前进行控制，改 善系统的动态性能，加快系统的响应速度，减小调节时间。 上面的调节器的输入输出都是连续量，而计算机控制是一种采样控制，所以需 要采用离散化方法，把连续形式的微分方程化为离散形式的差分方程以使之能够在计 算机上实现。 取t 为采样周期，k 为采样序列号，用差分方程可得到离散p i d 表达式为： m ) = k p m 卅吾m ) 每( p ( 护啦删 或 “( ) = k e e ( k ) + k ，e ( 七) + k d ( p ( 女) 一e ( i 一1 ) ) 式中 u ( k ) 为第k 次采样时刻的输出值 e ( k ) 为第k 次采样时刻的输入偏差值 e ( k 一1 ) 为第k - 1 次采样时刻的输入偏差值 k p 为比例系数 k l 为积分系数 k d 为微分系数 上面表达式输出为全量输出，称为位置式p i d 控制算法。由于采用全量输出， 每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e ( k ) 进行累加，运算工作量大。而且，由 于输出的u 皿) 对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u ( k ) 大幅变化，会 引起执行机构的大幅度变化，这往往是不允许的。针对上述不足，产生了增量式p i d 控制算法。增量式p i d 控制器的输出只是控制量的增量u ( k ) 。 北京服装学院硕士学位论文 暖体假人温度控制子系统的软件设计与开发 根据递推原理，可以得到 u ( k 一1 ) = k ，e ( 一1 ) + k ，e ( k 1 ) + k 。( e ( 女一1 ) 一p ( 女一2 ) ) ( ) 一u ( k 一1 ) 可得 a u ( k ) = k p p ( ) 一e ( k 一1 ) + k ，e ( k ) + k d 【p ( _ j ) 2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) u ( k ) = “( 七一1 ) + a u ( k ) 上式称为增量式p i d 控制算法，增量式与位置式算法并无本质区别。与增量式 p i d