（机械电子工程专业论文）智能冰箱控制系统的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学应沦文 摘要 目前，市场上出售的冰箱有机械温控、电子温控和电脑温控等控制方式它们的温度 控制装置、化霜装置和其他控制装置的控制值都是事先设定的，这就易使许多能量消耗 在目的相异的各种动作及困缺少灵活性而发生的各种多余动作，造成器件的频繁开启，一 方面造成器件损坏，温度的起伏较大，不利于食品保鲜，另一方面，浪费了大量能量。电冰箱 的主要任务是保证所储存的食品在经过冷冻、冷藏之后，其质、色、昧不变，主要手段是 通过保持箱体内的最佳温度达到食品保鲜的目的。但电冰箱的使用对象情况比较复杂， 冰箱内的温度受诸多因素的影响，因而其数学模型很难建立，用传统的控制方法很难达到 令人满意的控制效果。 为此，本课题确定了用单片机专家模糊控制器对冰箱进行控制，将人工智能中的专 家系统技术与模糊控制相结合，构成一种专家模糊控制器，使冰箱控制合理、节能、可 靠，在硬件上以单片机m c s 5 1 为核心，在软件上用c 语言对单片机进行控制。 利用模糊控制技术，在冷冻室需要制冷的时候，压缩机快速启动。并且设计了变频 调速系统，避免了压缩机的频繁开启，使电机能够按照所需要的进行工作，使压缩机制 冷更加合理有效。冷藏室制冷采用半导体和压缩机同时制冷，正常的情况下冷藏室随着 冷冻室的制冷而制冷，当冷冻室需要制冷时，启动压缩机制冷，冷藏室同时也能达到制 冷效果；当冷冻室不需要制冷时，这时不启动压缩机制冷，而是用半导体单独对冷藏室 制冷，这样控制的效果能使冷藏室基本上达到独自控制的目的。 在冰箱化霜过程中，运用模拟神经智能控制技术将冰箱门开闭次数、开闭频率和最 佳化霜时间加以统计和分析，根据冰箱的实际运行选择在冰箱门开闭最少的时间段内进 行自动化霜，使冰箱内温度波动最小；对食品质量影响最小。开门时间过长系统则会报 警。在冰箱的面板上有液晶显示器，可以显示冷冻室和冷藏室的温度，并通过按键可对 冷冻室和冷藏室的温度进行调控，以达到用户所需要的温度。 关键词：智能冰箱，模糊控制，变频调速，单片机 沈阳工业大学硕士学位论又 s t u d yo fc o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e n tr e f r i g e r a t o r a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h e r ea l er e f r i g e r a t o r si n c l u d i n gm a c h i n e , e l e c t r o na n dc o m p u t e rc o n l r o l l i n g w a yo nt h em a r k e t s t h ev a l u eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gd e v i c ea n dm e l t i n gf r o s th a v eb e e n s e t t l e di na d v a n c e i ti se a s yt ow a s t ee n e r g yc o n s u m p t i o n sa td i f f e r e n tp u r p o s em o v e m e n t b e c a u s eo f l a c k i n gf l e x i b i l i t i e s ，w h i c hl e a d st ot h ef a c to no n eh a n dt h a tt h ed e v i c ei sd a m a g e d t e m p e r a t u r er i s e sa n df a l l sr e l a t i v e l yf a s t , w h i c hd o e sn o tb e n e f i tt h ef o o da n dk e 印f r e s h , o n t h eo t h e rh a n d , w a s t e sal a r g ea m o u n to fe n e r g y t h em a i nt a s ko ft h er e f r i g e r a t o ri st o g u a r a n t e et h a tt h eq u a l i t y ，s a p o ra n dc o l o ro f f o o ds t o r e dw i l ln o tb ec h a n g e da f t e rf i e e z i n g t h e m a i nm e t h o do f k e e p i n gf o o df r e s hi st ok e e pt h eb e s tt e m p e r a t u r ei 1 1t h er e f r i g e r a t o r h o w e v e r , t h es i t u a t i o no ft a r g e to fu s i n go ft h er e f r i g e r a t o ri sr e l a t i v e l yc o m p l i c a t e d t h et e m p e r a t u r ei n t h er e f r i g e r a t o ri sa f f e c t e db yag r e a td e a lo ff a c t o r s t h e r e f o r e ，i ti sd i f f i c u l tt os e tu pi t s m a t h e m a t i c sm o d e la n dr e a c ht h es a t i s f a c t o r yc o n t r o lr e s u l tw i t ht h et r a d i t i o n a lc o n t m l l i n g m e t h o d f o rt h i sr e a s o n , t h i ss u b j e c tb r i n g sf o r w a r dr e f r i g e r a t o rc o n t r o lw i t he x p f f f f s 晒 c o n t r o l l e ro fs i n g l ec b i pc o m p u t e r , c o m b i n e dw i t hc o n t r o l l i n gf u z z i l yt h et e c h n o l o g yo fe x p e r t s y s t e mi nt h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，f o r m i n gak i n do f e x p e r f sf u z z yc o n t r o l l e r , w h i c hm a k e st h e r e f r i g e r a t o rc o n t r o lr a t i o n a l ，e n e r g y - c o n s e r v a t i o n , r e l i a b l e m c s 一5 1o fs i n g l ec h i pc o m p u t e r h a v eb e e nm a d eo ft h ec o r eo ft h eh a r d w a r e t h es y s t e mi sc o n t r o l l e db yt h es o f t w a r ew r i t t e n w i t hc l a n g u a g e u t i l i z i n gf u z z yc o n l r o lt e c h n o l o g yt o s t a r t u pq u i c k l y ，w h e nt h e f r e e z e rn e e d s r e f r i g e r a t i o n a n dt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nh a sb e e nd e s i g n e di no r d e rt oa v o i ds t a r t i n gu p c o m p r e s s o rf r e q u e n t l y , w h i c hm a k e st h ee l e c l r i c a lm a c h i n e r yw o r ka c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t s o t h er e f r i g e r a t i o no fc o m p r e s s o rw i l lb em o r ee f f e c t i v e s a f ea d o p t st h es e m i c o n d u c t o ra n d c o m p r e s s o rt or e f r i g e r a t ea tt h es a m et i m e i nt h en o r m a ls i t u a t i o nt h es a f er e f r i g e r a t e sw i t h r e f i i g e r a t i o no ft h ef r e e z e r w h e nt h ef r e e z e rn e e d sr e f r i g e r a t i o n , t h es y s t e ms t a r t st h e m e c h a n i s mo fc o m p r e s s i n g t h es a f ec a nr e a c ht h er e f r i g e r a t i o nr e s u l ta tt h es a r l l et i m e w h e n 2 沈阳工业大学硕士学位论文 t h ef r e e z e rd o e sn o tn e e dr e f i 5 9 e r a t i o n , f i l es e m i c o n d u c t o rw i l lb eu s e da l o n e t h ei s m t c o n l r o l l e dl i k et h i sc a nm a k et h es a f ea c h i e v et h eg o a lo f c o n t r o l l i n ga l o n eb a s i c a l l y i nt h ec o o x s eo fm e l t i n gf r o s to f t h er e f r i g e r a t o r , w eu s ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yt o s i m u l a t ea n da n a l y z et h en u m b e ro f t i m e so f o p e n i n ga n dc l o s i n g ! r e f r i g e r a t o r , t u r no na n dc l o s e f r e q u e n c ya n dm o s te f f e c t i v ef r o s tt i m e ，i tm a k e st h et e m p e r a t u r ei nt h er e f r i g e r a t o rf l u c t u a t e m i n i m a l l y ，i n f l u e n c e st h et o pt of o o dq u a l i t y ，t h es y s t e mw i l lg i v ea na l a r mw h e nt h ed o o ri s a l w a y so p e n e d t h e r ea r el i q u i dc r y s t a ld i s p l a y so nt h ep a n e lo ft h er e f i i g e m t o r ，w h i c hs h o w s t h et e m p e r a t u r eb e t w e e nt i e e z e ra n ds a f e i ti sp o s s i b l et oa d j u s ta n dc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e b e t w e e nf r e e z e ra n dw a l k - i nt h r o u g ht h eb u t t o n , r e a c h i n gt h et e m p e r a t u r et h a tu s e rn e e d s k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tr e h - i g e r a t o r ，f u z z yc o n t r o l ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o na d j u s t i n gt h es p e e d s i n g l ec h a pc o m p u t e r 一3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：数日期：型竺型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：j 匙导师签名：燃日期：竺堕主丝 沈阳工业大学硕士学| 立论文 i 绪论 1 1 智能家电发展状况 在当今科技迅速发展，人们生活水平迅速提高的文明社会里，家用电器越来越受到 人们的重视。目前，世界许多国家家用电器制造商和科研机构都投入了大量人力物力和 资金，运用现代高新科技，研制和开发着眼于2 l 世纪的家用电器。有人曾经预言：2 1 世纪将是智能家电的世纪。所谓智能家电，是指运用现代最新科技，通过计算机及其他 辅助设备来研制开发的新一代具有智能功能的家用电器，能够尽量带给人们方便，满足 人们需求。智能家电所涉及的高新技术领域十分广泛，其中包括；先进的多媒体技 术、太阳能技术、控制技术、专家系统、人工智能、生物技术以及其它高新技术等等。 在1 9 9 1 年左右，日本开始在国际市场推出模糊家用电器，标志着模糊家用电器己 成为国际上接受的新型产品。在8 0 年代，日本各著名的家用电器公司已开始模糊家用 电器的研制。佳能公司热衷于把模糊逻辑用于照相机的自动聚焦；索尼公司则在摄像 机、电视机等方面采用模糊逻辑；三洋公司、日立公司、松下公司则把精力花在模糊冰 箱、模糊洗衣机、模糊空调等方面的研究工程借以模糊为时尚，商界则利用模糊的 新颖效应。8 0 年代末期，在日本市场渐渐出现模糊家用电器产品，而且消费者反映良 好，市场供应一直处于上升状态。鉴于这种情况，日本各家用电器厂家大受鼓舞，他们 积极对产品进行改进，以适应中国及东南亚市场，并在1 9 9 1 年下半年推入香港市场。 中国广东的家用电器生产厂家，以灵敏的嗅觉感受到模糊家用电器的前景，开始追踪国 际市场，率先投入模糊家用电器的生产行列。1 。 中国模糊家用电器的生产和研究经历过一个曲折的过程。从7 0 年代末到8 0 年代 初，我国已有一部分模糊界的先驱人士开始进行模糊理论的研究。第一个模糊控制产品 对象是模糊电饭煲。模糊电饭煲研究成功之后，在1 9 8 9 年，他们把该成果拿到广东省 家电厂家集中推广。不少厂家都对此表示了极大的兴趣，但当时国际市场上还没有这种 产品，许多人都对此表示怀疑，因此没有被推广。 随着日本模糊产品在我国市场上的出现，以及模糊控制论文、著作、会议的推动作 用，我国各著名的家电生产厂家都开始了模糊控制产品的生产。到目前为止，我国模糊 沈阳工业大学硕士学位论夏 控制产品包括电冰箱、洗衣机、空调机、电饭煲、消毒柜、充电器、微波炉、吸尘器等 都出现在各城市的市场。 由于模糊家甩电器在使用中方便、简单、节能及提高被控对象质量的优点，所以， 深受人民的欢迎。- 随着社会的发展和人民生活水平的提高，人民对模糊控制产品有越来 越多的需要，而新的模糊控制产品也会不断的出现。 另外，网络家电是当今世界信息化、网络化的产物。1 9 9 9 年初，在德国科隆博览 会上，依莱克斯首次展出具有实际应用意义的带有触摸屏的网络冰箱，它支持留言，日 历，国际互联网访问，食谱，家庭存货管理和信息咨询等其他作用，用户使用触摸显示 屏可以生成购物清单，其中的项目可以通过国际互联网订购并自动送货上门。同年1 1 月份，韩国三星公司，l g 公司也相继推出等同意义的冰箱，并准备批量上市，另外许 多公司也都开发出了节能冰箱 4 】。 目前模糊家电领先的是日本各大公司，如松下，三洋，日立，东芝等，综合来看模 糊家电具有以下两大发展动向： ( 1 ) 进一步扩大传感器的组合 利用多个传感器的功能组合课不断改进家电的控制技术如a s w - 6 0 v 1 型模糊洗衣 机采用了洗涤剂传感器、负载量传感器和水位传感器，目前，微型传感器技术发展很 快，这无疑将拓宽传感器的应用领域，从而促进家电智能化的提高【5 】。 ( 2 ) 与a i ( 人工智能) 和神经网络技术相结合 通过发展模糊技术、越技术和神经网络技术三者交叉部分有望进一步提高机器的 智能化。比如将模糊技术和a i 技术结合起来，可实现处理“模糊知识”或语言的模糊 专家系统；将模糊技术和神经网络结合起来，则可通过学习自动地进行模糊规则的产生 和改进。 12 冰箱的发展趋势及其不足 自1 9 2 3 年世界第一台冰箱诞生以来，人们的生活越来越离不开冰箱，尤其是进入 九十年代，冰箱的发展越来越快 6 1 。随着家电更新换代高潮的到来，未来冰箱产品分类 将更加细化，满足不同人群不同需要，也就是“你有你的，我有我的”。 以人为本渐趋时尚、个性化。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 颠覆传统成了近年来冰箱外形设计的趋势。传统的白色和中规中矩的长方体外形已 经引不起人们感官上的刺激，于是冰箱开始变脸，设计从注重功能实用转向以“人”为 中。t l , 根据不同人群生产出时尚、个性化冰箱设计理念。如以西门子、伊莱克斯等 品牌为代表的彩色冰箱，其缤纷的色彩和优美的造型取代了传统冰箱单一白色、灰色等 暗淡呆板的颜色，使得原本冷峻的冰箱变得富有品位和人情味门。还有科龙生产的儿童 冰箱，其造型仿照动物形态而造，活泼、生动，甚得孩子的喜欢。冰箱的“变脸”，真 正拉开了家电业色彩个性、时尚化的序幕，使消费者能各得其爱。 两极分化小冰箱、大冰箱受宠。 拒绝中庸，要么迷你，要么超大，这成了消费者选购冰箱的最爱。大群单身闯世界 的年轻人坚定不移地为迷你冰箱捧场。据一位经销多年家电的资深代理商透露：以往小 容量冰箱销售虽然令人瞩目，但问津者甚少，然而现在不同了，迷你冰箱开始成为销售 中“杀”出的黑马。购买小容量冰箱的阻单身年轻人居多，供买房置业前临时使用，便 于搬家携带。 与二三百升容量的普通冰箱比，左右双开门的六七百升超大冰箱显得异常气派。这 种源自欧美的流行风开始在中国迅速蔓延。虽然超大冰箱的销售量不及普通型和小容 量，却己成为冰箱消费中的时尚趋势。超大冰箱的价格在2 万3 万元不等，不少家庭 虽然目前还不具备选择超大冰箱的居住和经济条件，但己被一些消费者锁定为目标消费 对象p l 。 返璞归真节能、环保成先导理念。 为保护环境，我国规定2 0 0 5 年为氟利昂冰箱的最后限期。到那时，含氟的冰箱就 都会寿终正寝。环保、节能是家用电器的永恒主题。美国、欧洲对颓一代的电器都有节 能要求，我国也已开始对节能产品进行认证研。目前冰箱厂家采用的节能办法一般是加 厚保温层、采用高教压缩机、优化系统匹配等。以后随着更高效压缩机，更好保温材料 的出现，节能冰箱将会进一步发展，其途径是采用环保型制冷剂、发泡料和原料。 技术革新智能、高端化。 3 一 沈阳工业大学硕士学位论文 冰箱技术的革新正在不断提高人们的生活质量。如变频技术与模糊控制。一般冰箱 是通过开停机来调节冰箱的制冷量和保持箱内温度，变频冰箱则是通过调节压缩机的转 速来调节制冷量的大小，以保持箱内适宜的温度1 1 0 l 。， 采用模糊控制技术，则可以对环境温度、箱内温度、箱内温度变化率等条件综合判 断，来调节冰箱的运行。它还可以根据用户的不同习惯，调节制冷、化霜等运行过程， 完全不需要人工干预。 目前生产厂家已开发出网络化家电产品，它将冰箱进行联网，由计算机控制，超市 还可以通过网络，了解你的冰箱里的食品存货情况，并及时送货，使你享受各种网络化 服务。 然而，目前市场上出售的冰箱还存在一些不足。冰箱有机械温控、电子温控和电脑 温控等控制方式，它们的温度控制装置、化霜装置和其他控制装置的控制值都是事先设 定的，这就易使许多能量消耗在目的相异的各种动作及因缺少灵活性而发生的各种多余 动作，造成器件的频繁开启，一方面造成器件损坏，温度的起伏较大，不利于食品保鲢另一方 面，浪费了大量能量i “】。电冰箱的主要任务是保证所储存的食品在经过冷冻、冷藏之卮 其色、味不变，主要手段是通过保持箱体内的最佳温度达到食品保鲜的目的。但电冰箱 的使用对象情况比较复杂，冰箱内的温度受诸多因素的影响，如存放入物品的初始温度高 低，存入物品的散热特性及其热容量、物品的充满率及开门的频繁程度等，因而其数学模 型很难建立用传统的控制方法很难达至q 令人满意的控制效果。 另外，冷藏室、冷冻室被迫同时制冷，各间室温控结果是“控高不控低”。在冷藏室 和冷冻室内各设置了一个感温头，一旦感温头探测到冷藏室或冷冻室的温度上升到所设 定的数值后，则通知压缩机启动。当冷藏室使用较频繁时，冷藏室的感温头不断地“通 知”压缩机启动。若此时冷冻室的温度尚在- - 1 8 。c 以下，本来不需要制冷，却因冻藏室 需要制冷而被迫跟着制冷，结果是温度被降至远远低于- - 1 8 c ，甚至更低。同样，当冷 冻室使用较频繁时，冷藏室温度常常被追降至接近o c ，以至被迫开启加热装置以保证 冷藏室不被冻至结冰。 一4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 模糊控制理论基础 2 1 模糊控制的产生和发展 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的z a d e h 教授首次提出了模糊集合论， 模糊理论从此诞生。1 9 6 8 年z a d e h 教授首次公开发表了“模糊算法”，1 9 7 3 年又发表 了语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法“】。1 9 7 4 年英国曼彻斯特大学m a m d a n i 博士 首次尝试利用模糊逻辑，成功地开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽引擎。1 9 6 5 年一 1 9 7 4 年时模糊控制发展的第一阶段，即模糊数学发展与形成的阶段。 第二阶段大约从1 9 7 4 年一1 9 7 9 年，这是产生简单模糊控制器的阶段。美国加州一 公司率先生产了第一支模糊逻辑芯片。1 9 8 0 年丹麦的史密斯公司首次应用芯片在水泥 烘干机成功实现了模糊控制。 1 9 7 9 年至今是发展高性能模糊控制器的第三阶段。1 9 7 9 年t j p r o c k y 和 m a r n d m f i 共同提出了自学习的概念，使系统性能大大改善【”】。1 9 8 7 年日本仙台地铁线 采用了模糊控制器。1 9 9 0 年，日本人率先把模糊逻辑应用于家用电器等产品，如模糊 电冰箱，模糊空调等，涌向市场。 模糊理论研究己在3 0 多个国家展开，其中包括美国，欧洲，日本，中国等，模糊 逻辑研究人员最多的是中国，有2 0 0 0 3 0 0 0 人，日本居第二并在模糊理论的应用方面处 于领先地位 1 。模糊逻辑的研究范围在世界各地差别相当大：美国人偏重于信息技术方 面；英国人只搞纯数学；德国人重点研究模仿任何判断行为：西班牙、意大利、法国等 集中于企业经营管理；澳大利亚在企业运作研究中甚至有社会学家和心理学家参加；日 本侧重于调控技术；中国研究的范围和欧美相似，如在森林和土壤调研等方面有所建 树；原苏联、波兰、捷克、罗马尼亚和原东德也有研究，并在工业过程中搞了应用旧 1 6 1 。 2 2 单片机与模糊控制 单片机是电子计算机这个庞大家族中的一个特殊品种，它的特点就是体积小，内部 含有多种外围接口部件，十分适用于专门的控制用途。和一般的微型机、小型机、中型 机、大型机相比，它的内存容量、速度、软件系统都大为逊色。但是，单片极是“麻雀 5 沈阳工业夫学硕士学位论文 虽小，五脏俱全”，电子计算机的功能它都具有。所以，它在家用电器、智能仪器、各 种移动性的自动化设备等场合尽显风骚，而大、中、小、微型机是很难介入这些场合 的。自从模糊控制这种新颖的控制方法问世以来，其实用性已受到公认【l r j 。人们不得不 表示：模糊控制是现存的三种智能控制，即人工智能、模糊控制、神经网络这三种控制 方法中最具现实价值的控制方法。其原因在于人工智能方法是建立在传统逻辑的基础上 的，所以，目前处于困境进展缓慢。神经网络由于权系数学习的实时性尚是一个十分难 解决的问题，所以，理论上的进步和技术上的实用仍有较大的距离。只有模糊控制不存 在上述问题，而且其控制在本质上的非线性使得它在各种控制目的中取得出人意料的成 裂”1 。 模糊控制技术的实现目前是以单片机为物理基础的，这是新技术发展的一种必然结 果。用单片机执行模糊控制也有一套技术方案，这些都是与目前世界上科学技术发展的 水平相对应的。 2 2 1 单片机和模糊控制相结合的原因 模糊控制是在2 0 世纪6 0 年代末到7 0 年代中期开始崛起的一种新兴技术。这一段 时间正是微型计算机处于萌芽的时代1 9 1 。可以说，模糊控制这种方法和微型机这种工具 是科学技术在当时破土而出的科技新苗。微型机的单片化之后产生了单片机，这也是 7 0 年代中期的事。模糊控制在诞生后，就是依赖于微型机这种工具而不断发展的。在 实际应用中，这种控丧4 技术要想深入到家庭和人民的日常生活，就不可避免地采用单片 机。模糊控制目前在实际应用中己形成一种产业化的趋向，应用最广、最多的是家用电 器行业。 单片机是一种十分特别的集成电路，它不但内部含有控制器、运算器、存储器，还 含有大量的接口部件。这种特点使得它成了一个十分有用的控制器件。所以，人们通常 都把单片机称为微控制器。 单片机用于执行模糊控制有以下几点：一 ( 1 ) 可以接受数字量、模拟量和开关量 单片机的接口有普通的并行i 0 口，故而接收数字量是轻而易举的事；单片机的接 一6 一 沈阳工业犬学硕士学直论文 口还有a d 转换器，所以接收模拟量有良好的条件；单片机有定时器输入口及普通的 i o 口，这些都可以用于接收开关量。 ( 2 ) 可以输出数字量! 模拟量和开关量 单片机的输出接口有普通的并行i o 口，输出数字量十分方便；单片机中的d a 接 口是模拟量输出接口。开关量用i o 口输出非常简易方便。 ( 3 ) 模糊化方便 模糊化包括量化及隶属函数的定义。在单片机中，用专门算法可以描述隶属函数， 而用坐标或表格也可以表示隶属函数。至于量化则是一个简单算法，用软件执行模糊化 并不困难。 ( 4 ) 反模糊化方便 无论采用最大隶属度法还是中心法，在单片机中只是一种算法，并且可以由专门的 子程序执行。 ( 5 ) 模糊推理的执行较容易 模糊推理在很多场合中是采用控制表执行的。控制表的采用对于单片机而言，则是 执行查表而已。如果对控制规则直接执行过程推理，则根据控制则前件的零件可以确定 在每一瞬间所涉及的规则条数。一般而言，前件的零件有n 个，则涉及的规则最少为一 条，最都为2 n 条。在软件处理中可以较容易判别出有关系的规则，从而进行相应的处 理。对于一般的控制系统，较多采用m a m d a r f i 、l a r s o n 和t s u k a m o t o 推理，所以，执行 并不困难。故模糊推理的执行对于单片机而言是可以胜任1 约 2 0 1 1 2 1 1 。 2 2 2 单片机与模糊控制的前景展望 模糊控制技术的应用主要在家用电器、仪器和工业控制上，特别是家用电器所占的 比例很大。根据目前发展的形式，单片机和模糊控制的发展有下述趋势。 。( 1 ) 产业化的步伐会加快 单片机的技术进步使得它本身作为一种专用控制器已成为众所周知的事实。进一步 的微型化使应用领域更加广阔。这样，在各种传统控制方式无法解决问题的领域会把单 片机与模糊控制技术结合使用。不但在一般家用电器，在小型、微型家用电器，例如电 一7 一 沈阳工业大学硕士争f 立论文 熨斗、电吹风等，都可实现控制。这些大批量的产品会加强模糊控制的产业化。大量检 测仪器采用模糊技术也会促进这一进程。 ( 2 ) 硬件开发工具趋于成熟 - 目前，模糊控制的开发工具尚处于发展阶段，但已有不少较好的开发软件，例如 f i d e 、n e u f u z 4 、f u z z yi c e 等。另外，还有模糊单片机的开发系统a d s 2 3 0 in s i g h t t 等。这些工具随着人们的应用会逐渐趋于成熟1 2 2 1 。 ( 3 ) 模糊单片机逐步取代数字单片机。 由于目前模糊单片机的价格较为昂贵，用于大批来生产用户还无法接受。模糊单片 机的售价现在约为同档的数字单片机的4 - 5 倍，这对于产业化生产是难以接受的。但随 着模糊单片机的生产工艺和水平提高、价格的下降，大多数用户和开发者会采用模糊单 片机。所以，模糊单片机会逐渐占领市场，通过一个过渡阶段之后将大量取代数字单片 机，但这种取代不会是全面的。 总之，单片机模糊控制是一种典型硬软结合的组合技术，这种技术在开发及应用上 都有巨大的前景。单片机和模糊控制技术将会成为2 1 世纪人们接触最多、应用最广泛 的技术之一。 2 3 模糊控制基本原理 2 3 1 模糊控制的基本思想 模糊控制是一种以模糊集台论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型 计算机控制方法。从线性控制与非线性控制角度分类，模糊控制是一种非线性控制。从 控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已经成为目前实现智能控制 的一种重要而又有效的形式。尤其是模糊控制和神经网络、遗传算法及混沌理论等新科 科学的融合，正在显示其巨大的应用潜力 2 3 1 。 经过人们长期研究和实践形成的经典控制理论，对于解决线性定常系统的控制问题 是很有效的。然而，经典控制理论对于非线性的时变系统难以奏设。随着计算机尤其是 微机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展。基于状态变量描述的现代 控制理论对于解决线性或非线性、定常或时变的多输入多输出系统问题，获得了广泛应 用。例如在阿波罗登月舱的姿态控制、宇宙飞船和导弹的精密制导以及在工业生产过程 8 沈阳工业大学硕士学旺论文 控制等方面得到r 成功的应用 2 4 。但是，无论采用景点控制理论还是现代控带0 理论设计 一个控制系统，都需要事先知道被控对象精确的数学模型，然后根据数学模型以及给定 的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统设计。然而，许爹隋况下被控对象的 精确数学模型很难建立。例如，一些生产过程缺乏适当的测试手段，或则测试装置不能 进入被测试区域，致使无法建立过程数学模型。 在许多难以实现自动控制的场合，人们往往采用手动控制达到了满意的结果。用眼 睛来观察被控对象，经过大脑进行一系列的推算从而做出正确的决策，最后由手动来调 节，达到预期的目标。在这个检测、判断、调整的过程中，人的控制过程是用语言加以 描述的，表现为一系列条件语句，也就是所谓的谓词逻辑。在描述控老4 毅则的条件语句 中所用的词语如“很少”、“较多”、“大”、“小”等概念均具有一定的模糊性，这 些概念没有明确的外延。模糊控制的方法模仿人的思维方式和人的检测经验，用电脑来 代替人脑实施有效的控制。传统的控制理论依赖于被控系统的数学模型，而模糊控制则 是依赖于被控系统的物理特性。特理特性的提取要靠人的直觉和经验，这些物理特性在 人脑中是用自然语言来抽象成一系列概念和规则的。自然语言的重要特点是具有模糊 性，人可以根据不精确信息来进行推理而得到有意义的结果。那么怎样用机器来模仿这 一过程呢? 用于描述的数学工具是z a d e h 提出的模糊集合论，或者说模糊集合论在控制 的应用。这是一种解决复杂系统控制决策的技巧和方法。用这种方法可以把人的经验形 式化并引入控制过程，再运用比较严密的数学处理过程，实现模期推理，进行判断决 策，以达到令人满意的控制效果幽。 在工程实现上，则使用模糊语言分析方法，且这种语言可以转换为计算机能够接受 的算法语言。这种语言具有三个特点：第一，它不用数学变量而是用语言变量来描述系 统；第二，它是利用附带条件的命题来描述变量之间的关系；第三，它是使用模糊运算 法则进行推理。 模糊控制基本上是建立在人的直觉和经验的基础上，这就是说，操作人员对被控系 统的了解不是通过精确的数学表达方式，而是通过操作人员丰富的实践经验和直观感 觉。这种方法可以看成是一组探索式决策规则。由于人的决策本质上就是具有模糊性， 因此控制动作并j # 稳定一致，且有一定主观性。但是在模糊控告设计中，可以通过对操 9 沈阳工业大学硕士学位论文 作人员控制的动作的观察和与操作人员的交流，用语言把操作人员的控制策略描述出 未，以构成一组用语言表达的定性决策规则。如果把领域专家的知识和熟练技术人员的 实践经验进行总结和形式化描述，用语言形成一组定性条件语句和不精确的决策规贝i 上， 然后利用模糊集合作为工具使其定量化，设计一个控制器，用形式化的人的经验法则模 仿人的控制策略，再驱动设备对复杂的工业过程进行控制，这就是模糊控制器。 2 32 模糊控制系统的组成- 模糊控制系统是一种新型的计算机数字控制系统，因此，模糊控制系统具有数字控 系统的一般结构形式，其系统结构如图2 1 所示。 图2 1 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可以分为四个组成部分： ( 1 ) 模糊控制器 模糊控制器是控制系统的核心，从硬件上，它可以选用工业控制计算机、单片机或 可编程控制器。其主要完成输入量的模糊化、模糊关系的运算、模糊决策结果的反模糊 化处理等过程。一个模糊控制系统的性能指标在很大程度上取决于模糊控制器的设计水 平。 ( 2 ) 输入输出接口电路 该接口电路主要包括前向通道中的a d 转换电路以及后向通道中的d a 转换电路 等两个信号转换电路。a d 转换把传感器检铡到的反映被控对象输出量大小的模拟量 ( 般为电压信号1 5 v 或电流信号4 - 2 0 m a ) 转换成微机可以接受的数字量( o 或1 的 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 组合) 送到模湖控制器进行运算；d a 转换把模糊控制器输出的数字量转换成与之成比 例的模拟量( 一般为电流信号4 - 2 0 m a ) ，控制执行机构的动作。转换精度、转换时间 以及性能价格等因素是选择a d d 或d a 转换器是应考虑的。 ( 3 ) 广义对象 广义对象包括执行机构和被控制对象。常见的执行机构包括电磁阀、伺服电机继电 器等。被控对象可以是线性的，也可以是非线性的，可以是定常的，也可以是时变的。 还须指出，被控对象缺乏精确数学模型的情况适宜选择模糊控制，但也不排斥有较 精确的数学模型的被控对象，也可以采用模糊控制方案。 ( 4 ) 传感器 传感器时将被控对象或各种过程的被控量转换为电信号( 模拟的或数字的) 的一类 装置。被控制量往往是非电量，如温度、压力、流量、浓度、湿度等。传感器在模糊控 制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。因此，在 选择传感器时，应注意选择精度高且稳定性好的传感器。 2 3 3 模糊控制算法 模糊控制的核心部分为模糊控制器，如图2 ：2 所示。 卜刊卜刊hh 卷4 变量i 化处理i 制规则i推理ll 化处理l 图2 2 模糊控制器 模糊控制器的控制规律由计算机程序实现。通常将模糊控制输入变量的个数称为模 糊控制的维数。一般情况下，一维模糊控制器用于一阶被控对象，由于这种控制器输入 变量只选误差一个，它的动态控制性能不佳。所以，目前被广泛采用的均为二维模糊控 制器，这种控制器以误差和误差的变化为输入变量，以控制量的变化为输出变量。二维 模糊控制器如图2 3 所示郾】。 其中e 为偏差，e c 为偏差变化率，u 为控制量。 沈阳工业大学硕士学位论文 b ；d d t 卜 模糊处理 图2 3 二维模糊控制器 u 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但维数过高，模糊控制规则变 得过于复杂，控制算法的实现相当困难。这或许是目前广泛设计和应用二维模糊控制器 的原因所在。本章以二维模糊控制器为例。 要实现语言控制的模糊逻辑控制器，须解决精确量的模糊化，模糊规则形成和推理 及模猢输出量的反模糊判决三个基本问题。 ( 1 ) 精确量的模糊化 把精确的输入量转换成模糊集合的隶属函数称为精确量的模糊化。模糊控制器的输 入变量( 常取偏差、偏差变化率) 和输出变量( 常取控制量) 均用自然语言形成给出， 它不是以数值形式给出，因此它不是数值变量，而是语言变量。 在应用中常取语言变量的词集为如下7 个模糊子集组成的集合： f 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 ( 2 1 ) 或i n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p b l ( 2 - 2 ) 把模糊控制器的输入变量偏差，偏差变化率的实际范围及输出变量的实际变化范围 称为这些变量的基本论域。 若偏差e ( e ) 的基本论域为 一x e ，) ( e ，其内的量是精确量，偏差的量化论域 为： x = ( 一i l n + l ，n - i ，n ( 2 3 ) 正整数n 为将o ) 【e 范围内连续变化的偏差离散化( 或量化) 后分成的级数。由 于通常x e n 。因此，偏差的量化因子k e 定义为： k e = n x e( 2 _ 4 ) 一n ，n 弥为模糊集合论域。 一1 2 沈阳工业大学颐士学位论文 量化因子k e 选定后( 即r i 选定后) ，系统的任何偏差x i 总可由式2 4 量化为论 域2 3 上的某一元素。 1 ) t k e x i t + l 2 一( t n ) ，x i 量化为t ； 2 ) t + l 2 1 象e x t + i ( t n ) ，) ( i 量化为t + l ； 3 ) k e n _ n 量化为- n ；： 例如取n = 6 ，观测量偏差e 的范围可量化为： 一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一l ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 j ( 25 ) 若偏差取e ( e ) 的基本论域为a ，b j ，模糊集论域为【一n ，n l n 量化公式为： x = ( 差( 一一旦) 取整数 ( 2 6 ) 把一 a 、b 量化为x - n ，n ，此公式也称为离散化公武 定义语言变量的模糊子集： 输入语言变量偏差的语言值常取式2 1 ，每一个语言值变成为其量化论域2 3 上的 模糊子集。如取n = 6 ，量化论域上的模糊子集可作如下选取： e l 负大( n b ) 取一6 附近 野负中( n m ) 一取一4 附近 龟一负小( n s ) 一取一2 附近 零 ( z ) 一取0 附近 野正小( p s ) 一取+ 2 附近 乳正中( p m )一取+ 4 附近 g t i e 大( p b )一取+ 6 附近 每个模糊子集的赋值可根据统计资料建立，也可以分析定义。在分析定义中，常用 三角形函数或正态形函数作为隶属函数，圈2 4 是以三角形函数作为隶属函数时的图， 表2 1 为取三角形函数时输入语言变量e ( e ) 的赋值表。 1 3 沈阳二业太学硕学位论之 u 。撇搿。 击_ 5 - 4 - 3 - 2 1 0l23456 图2 4输入函数隶属度 表2 1 输入语言变量e ( e ) 的赋值表 e 心石s 4 。之- zstss 同理，对于偏差变化率z c ( c ) ，设其基本论域为【- x c ，x c 偏差变化率的量化论域为： v = l m ；- m + 1 ，m - 1 ，m ) ( 27 ) 因此，偏差的量化因子可定义为： k c = m x c( 2 8 ) 系统输出控制量u ( u ) 的基本论域设为 - y u ，y - u 】，控制量所取的量化论域为： z = s ，一s + l ，s l ，s ) ( 2 9 ) 输出控制量的比例因子k u 由下式确定 k = y u s( 2 1 0 ) 对于输入变量偏差变化率e c ( c ) 及输出控制量u ( u ) ，均可类似于输入变量偏 差e ( e ) 那样进行基本论域的量化处理，建立量化论域：的隶属函数等。 1 4 5 e ， o 0 5 5 o 0 5 5 0 o 5 5 o o 5 5 n n 5 ) 0 0 mi宝2 m 时 沈阳工业大学硕士学位论文 t 2 ) 模糊规则形成和推理 根据有经验的操作者或者领域专家的经验制定出模糊控制规则，并进行模糊逻辑推 理，以得到个模糊输出集合即一个新的模糊隶属函数，这一步称为模糊规则形成和推 理。萁目的是用模糊输入值适配控制规则，为每个控制规则确定其适配的程度，并且通 过加权计算合并那些规则的输出。 ：用自然语