（生物医学工程专业论文）基于模糊变量表达的室内舒适度测控系统的研究.pdf

燕山人学，i ：学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s i g n sam e a s n r ca n dc o n t r o ls y s t e mo fi n d o o re n v i r o n m e n t a l c o m f o r tb a s e do nf u z z yv a r i a b l er e p r e s e n t a t i o nb a s e do nt h er e q u i r e m e n to f s u f f i c i e n ti n v e s t i g a t i o n f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es y m b o l i z e dm e a s u r e m e n tt h e o r ya n dt h ef u z z y c o n t r o lt h e o r yf r o mt h et h e o r y i ta l s oe x p l a i n st h ec o n c e p t so f m e a s u r e m e n ta n d f u z z ys y m b o l i z e dm e a s u r e m e n tf r o map e r s p e c t i v eo fs y m b o l i z e di n f o r m a t i o n r e p r e s e n t a t i o n i ti s ap r o c e s so fw h i c hp r e s e n t st h ei n f o r m a t i o no ff u z z y s y m b o l i z e dr e p r e s e n t a t i o nm e a s u r e d ，u n d e rd e f i n e ds t r u c t u r eo fm e a s u r e m e n t ， u s i n gf u z z y m a t h e m a t i c a l t h e o r y a n dm e t h o d , t h r o u g hs p e c i a lt e c h n i c a l i n s t r u m e n t t h e ni ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to ff u z z yc o n t r o ls y s t e ma n db a s i c c o n t r o li d e a s ，a n dd e m o n s t r a t e st h ed e s i g na p p r o a c h e so ff u z z yc o n t r o l l e r , a n d g i v e st h eg e n e r a lm o d e lo ff u z z yc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam e t h o d o fe v a l u a t i n gi n d o o re n v i r o n m e n t a lc o m f o r tl e v e l ，w h i c hi sb a s e do nf u z z y v a r i a b l er e p r e s e n t a t i o n s e c o n d , t h i sp a p e rp r o v i d e sad a t as y n c r e t i cm e t h o do ff u z z yt r a n s d u c e r , m a k et h ed a t am e a s u r e df r o mt r a n s d u c e ra si n p u tv a r i a b l e ，a n ds y n c r e t i cr e s u l t s a s o u t p u tv a r i a b l e ，a n dm a k ei n p u tv a r i a b l e s a n do u t p u tv a r i a b l e sf u z z y s e p a r a t e ly a n dt h e nc o m p u t ea n dm e r g ea l lo ft h ei n p u tc o n c u r r e n td e g r e e si n o r d e rt og a i nt h ew h o l ec o n c u r r e n td e g r e e f i n a l l y , m a k eu s eo ft h em e t h o do f d o i n gf u z z yt oc o n f i r mt h ep l a c eo fm a x i m u mc o n c u r r e n td e g r e et ob et h e s y n c r e t i cr e s u l t a n di t a l s oi n t r o d u c e st h es y n t h e s i z e dm e t h o do ff u z z y t r a n s d u c e rc o m f o r tl e v e l ，b a s e do nt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y t h i sm e t h o d r e a l i z e dt h ec o n s i g e n c ys y n c r e t i s mo ff u z z yt r a n s d u c e r , b a s e do nw h o l l y c o n s i d e r i n gt h ef a c t o r s ，s u c ha se a c ht r a n s d u c e r si m p o r t a n c ea n ds i m i l a r i t yo f t h e i ro u t p u t s ，a n ds oo n i nt h ee n d ，t h i sp a p e ru s ef u z z yc o n t r o lt e c h n i q u et oc o n t r o lt e m p e r a t u r e i i 摘要 a n dh u m i d i t y a n dd e s i g naf u z z yc o n 打o l l e ro f t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , b a s e d o nm s p 4 3 0 f 4 4 9s i n g l e - c h i pc o m p u t e rt os u p e r v i s et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya t a l lf u z e sa n dc o n t r o la u t o m a t i c a l l y s i m u l t a n e o u s l y , t h i sp a p e ra l s od e s i g n sas e t o fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fc o m f o r tl e v e l a d o p t i n gh y c a nb u so f h u a k o n gc o m p a n yi nb e i j i n g a n du s e v bl a n g u a g et oc o m p i l ec o n t r o l i n t e r f a c e k e y w o r d ss y m b o l i z e dm e a s u r e m e n t ；f u z z y c o n t r o l ；c o m f o r tl e v e l ； m s p 4 3 0 f 4 4 9s i n g l e c h i pc o m p u t e r ；c a nb u s 1 i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于模糊变量表达的室 内舒适度测控系统的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完 全由本人承担。 作者签字均梦呵 日期：函一e 年如月如日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于模糊变量表达的室内舒适度测控系统的研究系本人在燕山大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关 人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：功梦可 导师始座哦 日期：函p 锌，口月函日 日期：函d 6 年f d 月如日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究意义和目的 目前，随着人们生活水平的提高，以及对高品质人居环境的需求，人 们越来越注重室内环境的舒适度。已从过去的传统设备只强调功能到如今 都在考虑人的感觉的基础上，强调舒适和方便，这也是社会进步的标志之 一。因此，室内舒适度的研究就成为人类对环境控制的主要方向之一。室 内环境舒适度是一个受很多参数影响的指标，所以对室内舒适度的评价是 一个非常复杂的过程，对舒适度的控制系统也是一个复杂的多变量控制系 统。传统简单的温度控制等单变量环境控制都只是对一个变量进行控制， 不存在多个变量信息融合和多个变量相互耦合的问题。因此对室内舒适度 这样多变量控制系统进行数据融合及综合评价，然后对多个变量进行综合 控制就具有很重要的现实意义。从目前意义上来说，住户很难把握这些抽 象的物理参数与主观感受之间的联系，所以实现高品质得人居环境就成了 摆在我们眼前需要解决的问题，因此我们需要研究出一套完整测控系统， 通过这套测控系统我们就能够对室内舒适度的各个物理参量进行控制，以 达到人们理想的居住环境。在很多领域都需要对室内舒适度进行控制，以 实现对环境的需求。因此，室内舒适度控制系统有广泛的应用前景，如现 代家电、酒店客房、现代办公等一系列对环境有要求的场所。 室内舒适度的评价指标包括温度，湿度、光照度、气流太阳辐射等等 很多物理参量，人感觉到的舒适程度是这些指标综合作用的效果。然而我 们都知道由于人类的感觉具有模糊性和主观性，所以人感觉到的舒适程度 不是对各个指标的定量精确评价，而是复杂的主观的模糊概念。因为各个 评价指标很难量化，所以用简单的对单变量的定量控制很难实现对舒适度 的控制。在当今控制领域，对没有明确数学模型复杂多变量系统的控制有 很多方法，如专家系统、智能控制、模糊控制掣”。对一个复杂系统的整 体状态做出定性和定量的评价，并且给出描述系统特性的细节特征信息是 燕山人学l 学硕士学位论文 重要的【烈。问题是：用什么方法对多维定性与定量信息进行融合，得到表 征整体状态的定量( 定性) 信息；当得到有关复杂系统整体状态评价后。如 何得到有关系统特征的细节特征信息：如何建立定性与定量信息的转换关 系及其评价方法；如何从一个领域中的问题抽象出复杂系统中多维定性与 定量信息融合的一般方法 3 1 。从室内舒适度控制系统的特点来分析，用模 糊控制理论来处理这一复杂多变量系统就比较容易实现。本课题研究的就 是一种基于模糊变量表达的室内舒适度测控系统，通过用模糊控制的方法 来控制这些很难人为把握的物理量【4 】。 模糊控制器研究是近些年来受人注意的研究方向，取得了重要研究成 果，但基本模糊控制器仍存在一些问题，由于复杂模糊规则的相互作用， 得到的合成推理算法具有相当程度的非线性性能，致使模糊控制效果不够 理想。模糊逻辑是对模糊、自然语言的表达和描述进行操作与利用。它允 许在模糊系统中纳入常识和自学习规则，并意味着一个学习模块能够用一 含模糊规则集合来解释其行为【5 l 。因此模糊系统对使用者来说是透明的， 这与许多人工神经网络形成直接的对比。要运用模糊控制实现室内舒适度 控制系统需要引入符号化测量理论和定性定量信息变换方法。 通过对室内舒适度环境的研究，找到影响舒适度的各种物理量，用符 号化测量理论和定性定量信息变换方法完成室内舒适度控制系统的模糊控 制算法【6 1 用m s p 4 3 0 单片机与c a n 现场总线完成两套室内舒适度控制系 统。m s p 4 3 0 单片机为核心的系统是用温度和湿度传感器进行环境数据的 测量，用m s p 4 3 0 单片机进行数据的采集，评价并通过模糊算法进行控制。 从而达到对室内舒适度环境的测控，实现一个基于模糊变量表达的室内舒 适度测控系统。c a n 现场总线为核心的系统是用温度和湿度传感器进行环 境数据的测量，采集的数据传送给c a n 现场总线，经c a n 现场总线系统 进行初步处理后，传送给上位机进行模糊决策。决策后的执行信号由上位 机传给c a n 现场总线系统，然后经c a n 现场总线系统传送给执 亍装置进 行控制。我们可以通过两套方案进行比较，评价出每个方案的优缺点。我 们可以将这些控制方法根据不同的实际需求推广并应用，使人居环境更加 理想，生活质量有所提高。 2 第1 章绪论 1 2 研究现状 1 2 1 符号化测量的研究现状 随着科学技术的进步，尤其是计算机技术、自动控制技术、人工智能 理论和模糊数学等理论、方法和技术在测量中的应用，提出了一个基于测 量结果符号化表示方法实现定量或定性测量的问题。国外许多知名专家多 次提出和介绍了测量结果符号化表示的概念【7 】。l f i n k e l s t e i n 指出：测量 和有关它的符号表示可以看作是知识表示一般化原理的一个方面。因为测 量被认为是知识采集过程，对于机器信息和处理，知识有特定的科技含意。 知识就是用一种语言( 符号表示系统) 构成的符号表达式，这种语言被用来 描述超语言的客观事物和它们的关系；测量就是得到这样的符号表达式； 推理就是将这些符号表达式按照一定的变换规则加以利用，一般说来，初 始的符号表达式与客观事物真实的关系对应，而推理后的符号表达式仍然 与客观存在的现象相一致。测量系统可以看作是完成这样变换的装置。 e b e n o i t 等人明确地提出了符号化传感器的概念和定义。他们给出的符 号化传感器的定义是：符号化传感器是一种能够产生和处理一个或多个与 测量有关符号信息的智能传感器，并且指出：智能传感器必须具有四种功 能；( 1 ) 学习功能；( 2 ) 推理功能；( 3 ) 感知功能；( 4 ) 通讯功能。 应该特别指出：现代科学技术多学科之间的交叉、影响、工程测试的 实际需要以及相关理论和方法的有力支持都是研究符号化测量的内在源动 力【8 1 。 我国著名科学家钱学森在2 0 世纪7 0 年代末就着手复杂系统的研究工 作，倡导建立一个科学体系，而且运用这个科学体系去解决我们社会主义 建设中的问题。戴汝为院士一直致力这方面的研究，并逐渐完善为一个理 论体系一大成智慧工程思想体系。戴汝为院士指出：要解决开放的复杂系 统中包含闯题，开展关于从定性认识转变为定量认识的技术实现方面的工 作是当前非常迫切的一个问题。 由于当前研究系统变得越来越复杂，要想得到用定量变量与定性变量 3 燕山人学 学硕士学位论文 综合表示的复杂系统的控制结果一方面取决于控制理论的进步，另一方面 取决于定性定量信息转换理论的研究水平【9 】。从目前的情况看，涉及定性 定量信息变换理论研究主要有两个领域，符号传感器研究和模糊控制器研 究。基于知识的、智能的测量仪器，符号化测量( s y m b o l i z e dm e a s u r e m e n t ) 、 符号传感器( s y m b o l i cs e n s o r s ) 、模糊传感器( f u z z ys e n s o r s ) 等涉及定性信息 定量信息变换和融合的研究己经成为有重大价值的领域 1 0 4 3 1 。从1 9 7 5 年 l f i n k e s t e i n 首次发表有关测量概念的符号表示系统论文，到九十年代第三 篇论文的发表【1 4 1 ，为基于符号表示的定性与定量转换原理奠定了理论基 础。1 9 9 1 年，e 。b e n o i t 等人第一次发表了有关符号传感器论文1 1 5 1 ，文中给 出了符号传感器的结构原理并提出了符号化测量的符号表达语义相对性问 题。1 9 9 4 年前后，g m a u r i s 等人发表了模糊符号传感器的标志性论文l 】6 j 。 m g s i m o e s 还利用符号表示原理中符号数值变换方法实现了非正弦波形 电流有效值达到3 准确度的定量测量。s w a l s h 等人研究了具有模拟和数 值输出的、采用复合结构的模糊传感器【l ”。 人们从事测量活动的根本目的是；从测得的数据获取新的知识，发现 事物发生、发展的规律和变化的规律；将测得的数据与长期积累的知识进 行比较，以确定事物所处的状态，并基于状态的估计进行决策。 从上述基本认识出发，测量结果的单纯的数值表达是不完整的，尤其 是将测得的知识与长期积累的知识比较，确定事物状态进行决策的情况更 是如此。数值测量给出了被测量的定量描述，而定量描述包含着定性描述 的信息。测量结果符号化表示通常是定性描述( 事实上，数值测量是一种特 殊的符号化表示) ，而定性描述是一种具有较宽不确定度的定量描述。包含 数值测量符号表示在内用符号表示的测量结果才是完整、统一的。 开展符号化测量的研究，其基本内容是它的一般化模型。事实上，要 真正建立起符号化测量的理论体系并应用到工程测试中去，没有坚实的技 术和理论基础的支持是不可能的，而没有工程实际需求。其研究也是没有 生命的。图1 1 给出的是符号化测量的关系树，由图可知，符号化测量是 由包含定量描述在内的符号化表示测量定义作为基石，以符号化表示原理 为基础，以现代数学1 8 1 、人工智能【19 1 、人工神经网络【2 0 l 、传感技术口、集 4 第l 章绪论 成电路技术瞄j 、计算机技术、控制技术为支撑的，由预变换器、描述器、 概念生成器和解释器为基本内容的，以模糊传感器、状态监测、预测、智 能控制、模式识别、不可直接测量量测量、特殊量测量等为背景的一个复 杂的包含多项内容的关系树。 状态监铡系统 解释嚣 关系法 规则法 插值法 燕h d 映射原理i 硬件结构l 显示技术 l 有导师学习算法i 铡景定义 符号化表示 现代教学 人工智能 信号处理理论 概念生成嚣 论域变换 多级映射 自适应 特殊量测置 问接量测量 预变换器 特征提取 信号重组 信号提纯 误差校正 计算机技术 智彘控制技术 传感技术 人工神经网络 集成电路技术 图i * 1 符号化测量的关系树 f i g 1 - 1 t h er e l a t i o nt r e eo f s y m b o l i z e dm e a s u r e m e n t 测量的符号化表示在模式识别与分类、状态解释与预测、状态监测、 智能控制、测量数据压缩、测量信号滤波、不可直接测量量的测量和特殊 5 c 符号化耐量 燕山大学i ：学硕士学位论文 量测量等方面都有广泛的应用前景和需求【2 3 i 。为了将测量结果符号化表示 理论系统化、条理化和高度抽象化，从更高的层次来研究这一问题，建立 一整套符号化测量的理论和在理论指导下创造出特殊的测量方法解决测试 工作中的问题对于推动测量理论和方法的进步具有重要意义。 1 2 2 舒适度评价方法的研究现状 国外关于舒适度的研究可划分为两个阶段。前期研究的重要特点多是 一些定性的描述或采用经验公式进行定量讨论。1 9 4 7 年y a g t o u 和h o u g t e n 根据人体在不同气温、湿度和风速条件下所产生的热感觉指标提出了实感 气温。1 9 5 1 年l o t s 和w e z l e r 描述了气流对人体舒适感的影响。1 9 5 5 年 b u r t o n 等描述了湿度对人体舒适感的影响，他总结出当气温适中时，大气 湿度变化对人体舒适感的影响较小；当气温较高或偏低时，湿度变化才对 人体的温热感产生影响。由t h o m ( 1 9 5 9 年) 提出b o s e n 进一步发展的不适 指数( d i ) 应用较广泛。后来美国国家气象局用于夏季舒适度及工作时数预 报的温湿指数( t h e r m a l h u m i d i t y i n d e x ) 就起源于此。这些研究都已认识到当 气温较高时，高湿会加剧人体对热的感觉，丽当气温较低时，大风常使人 倍觉寒冷。直到1 9 6 6 年，特吉旺( t e o u n g ) 才正式提出舒适度指数 ( c o m f o r t i n d e x ) 和风效指数( w i n de f f e c ti n d e x ) 的概念。后期的研究特点是从 人体热量平衡角度研究人体对冷热的具体感受程度。其中以美国生物气象 学家s t e a d m a n 提出的感热温度理论最为完善，曾在生物气象界引起巨大反 响，并得到公认。 舒适度的评价非常复杂，根据人体热平衡、个人活动量、着装多少等 因素，可以估计出人的热感觉。这些估算与温度、湿度、气流、太阳辐射 等物理条件有关。而描述室内热环境舒适状况的方法也有多种，如美国 a s h r a e 的新有效温度线图、人体舒适区及i s 0 7 7 3 0 的p m v - - p p d 指标 等，这些线图或指标可以用来评价热环境效果。由于人类的感觉具有模糊 性和主观性而很难量化，从目前意义上来说，它是一种不可直接测量的物 理量。例如，温度感受可划分为热、暖、温、凉、冷等五个状态，还可以 进一步细分，湿度也可以进行对应的分类。 6 第i 章绪论 1 2 3 模糊控制的研究现状 九十年代以来，国外一些学者开始分析和研究模糊控制器的数学表达 式，并与传统控制方法进行比较，从而认识模糊控制器的本质，分析模糊 控制器各设计参数对控制性能的影响，形成了“模糊控制器的结构分析” 这一新的理论研究方向，并已取得了一些很有价值的研究成果。这一新的 研究方向是1 9 8 9 年由美国伯明翰k e m pc a r r a w a y 心脏研究所的h y i n g ， w s i l e r 和阿拉巴马大学数学系的j j b u c k l e y 共同开创的。对于二输入 ( p ，a e ) 、单输出( ) 的模糊控制器，当隶属函数为三角形均匀分布全交迭， 控制规则为线性，并且规则数很少时，在线性解模糊条件下导出了模糊控 制器的解析式，并分析了模糊算子与模糊控制器线性月 线性特性的关系。 在此基础上，采用z a d e h 的a n d 和l u k a s i e w i c z 的o r 算子证明了具有最 简单线性控制规则的二维模糊控制器其输出可等同于_ 个非线性p i 控制 器，在线性对象和非线性对象上的仿真结果表明了模糊控制器同p i 控制器 的内在联系和区别。b u c k l e 用标准格式总结了以前的成果，并将其推广到 控制规则数不限的一般情况i ，以及多变量控制1 。1 9 9 3 年h y i n g 对分 析结构和极限结构进行了综合研究，并证明了采用线性控制规则和非线性 解模糊算法的模糊控制器结构是全局性的多值继电器与局部的非线性p i 控制器，当控制规则无穷多时，局部控制将消失而全局控制将成为线性p i 控制器1 2 6 1 ，这一成果开创了该领域研究的新局面。此后，他将以上结果推 广到了非线性控制规则和任意推理方法的更一般情况，研究了不同的蕴涵 算子对模糊控制器结构的影响，得到了采用z a d e h a n d 推理、输入模糊集 为梯形的模糊控制器的分析结构，提出了稳定的模糊控制器的设计方法， 指出了基于简单线性规则t - s 模型的模糊控制器是一种非线性变增益p i d 控制器。最近，其他学者也发表了一些有意义的成果。l i 指出具有线性规 则库的三维模糊控制器与线性p i d 控制器有相似之处，并且将传统的具有 线性规则库的模糊控制器看作是一种模糊线性控制器( af u z z yl i n e a r c o n t r o l l e r ) 。通过引入“模糊传递函数”的概念，给出了相应于线性p i d 调 节器的模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数，同时针对p i 型模糊 7 燕山大学e 字硕士学位论文 控制器，p d 型模糊控制器和p i d 型模糊控制器，借助“模糊传递函数” 给出了模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数与线性p i d 控制器参 数k ，、足，和k 。之间的关系。将结构分析方法推广到具有线性规则的三维 模糊控制器上，得出了三维模糊控制器的一般解析输出表达式，证明了具 有一般线性推理规则的三维模糊控制器可等同于一个全局多层次关系式和 一个局部非线性p i d 控制器。基于正态分布隶属函数，分别导出了一维模 糊控制器和二维模糊控制器的解析表达式，并证明了其渐近结果，因而从 另一个角度揭示了模糊控制器的实质。推导出多维模糊控制器的输出可表 示为其多维输入的线性参数函数，由此建立了模糊控制同常规p i d 控制策 略问的内在等价性，认为常规p i d 控制是一种特殊结构的模糊控制。认为 自适应控制的非线性、复杂性和稳定性要求限制了其应用，文章提出了一 种三维模糊控制器来取代自适应控制。张恩勤等比较分析了t - s 模糊控制 器与p i d 控制器【2 7 】。模糊控制器的结构分析方法多样在其一步步由浅入 深、由局部到全面的发展过程中，人们对模糊控制器实质的认识也越来越 深刻【2 8 l 。上述学者在理论上对两种控制方式进行了深入的比较，通过这些 比较可以看到模糊控制和传统控铝4 有着密不可分的联系。他们中的多数学 者认为模糊控制对于传统控制是有益的补充1 2 9 j 。 缺乏系统化设计方法被认为是模糊控制理论中仍然未解决的主要问题 之一1 3 0 3 3 1 。目前的模糊控制器设计方法基本上如同一种“模糊艺术( f u z z y a r t ) ”。设计过程中的系统结构选取、算法确定、参数调整等主要是基于设 计者的经验和偏好，同时还要依赖大量的计算机模拟实验。“试差法( t r i a l a n de r r o r ) ”仍然是模糊控制器设计过程中的主要方法或手段。在控制性能 优化设计方面，s i m o e s 等提出了用二相方法优化模糊控制结构d 4 】；胡包钢 等基于保守性准贝j j ( g p p ) 探讨了比例因子的非线性特性1 3 5 1 ；曹月东等在保 证系统稳定的情况下用遗传算法求得了优化的鲁棒控制器【3 6 1 。在稳定性分 析方面，w j n g 应用l y a p u i i o v 方法【2 8 l ；ys 。d i n g 等借鉴小增益理论方法【3 7 l ； j x x u 等依据圆判据准则【3 8 】；x u 等根据增益裕量与相位裕量d 9 l ；张金明 与李人厚应用局部反馈和极点配置技术等n o l 。可以认为，这些传统的设计 方法是“基于性能评价”的理论方法。同时，各方法之间缺少横向的系统 8 第1 章绪论 化比较。“如何合理地选择模糊控制器设计参数”已经成为许多学者致力的 研究内容。以模糊推理方法( f u z z yr e a s o n i n gs c h e m e ) 研究为例，m i z u m o t o 于1 9 8 8 年对十二种不同的模糊推理方法进行了系统的比较研究【4 ”，推断 出合理的推理方法。比较结果是以一阶带延时被控对象的响应性能为根据。 然而，m i z u m o t o 的数值式( n u m e r i c a l l y - b a s e d ) 方法给出的结论是有局限性 的，它将随被控对象而发生改变。为克服这一缺点，y n g 采用了分析解方 法【1 2 】，基于简单地讨论首先可以去除其中不合理的八种方法，然后对剩余 的四种方法进行控制量形式的比较研究。这种分析解方法得到的设计准则 结论将更具有广义意义。 模糊控制器研究是近些年来受人注意的研究方向，取得了重要研究成 果，但基本模糊控制器仍存在一些问题，章卫国在模糊控制理论与应用 中指出：由于模糊控制器需要做量化取整运算，则量化误差可能会使系统 产生稳态颤振，这是迫切需要加以改善的问题；诸静在模糊控制原理与 应用一书也指出：由于复杂模糊规则的相互作用，得到的合成推理算法 具有相当程度的非线性性能，致使模糊控制效果不够理想。模糊控制器事 实上涉及了定性j 定量及定量j 定性信息两个方面的内容，要解决模糊控 制存在的问题，就需要新的定性定量变换的方法。朱六璋、陈宗海等在复 杂控制系统的定性建模与定性控制方向做出了一些工作，提出：复杂系统 通常具有系统结构的多层次性，子系统模型的多样性，相互关联复杂性，目标 多重性，信息不确定性，以及由此决定的处理方法的多途径特征，对这类系统 的数学描述或建模相应地需要有非传统的语言和工具。 1 3 本文主要工作及结构安排 本文提出了一种基于模糊变量表达的室内舒适度测控系统，从理论上 深入分析了符号化测量方法，并将它应用到了一个利用m s p 4 3 0 单片机的 模糊室内舒适度测控系统和一个利用c a n 总线的模糊室内舒适度测控系 统中。本论文的主要工作如下： 1 研究了利用定性符号表示原理获得定性或定量符号表示测量结果 的一种方法及模糊符号化测量理论。 9 然山大学一亡学硕士学位论文 2 提出了一种基于模糊变量表达的舒适度评价方法，该方法在充分考 虑了各个传感器的重要度和它们输出结果的相似性等因素的基础上实现了 模糊传感器的一致性融合。 3 设计了基于m s p 4 3 0 单片机的温湿度模糊控制系统和基于c a n 现 场总线的温湿度模糊控制系统，同时也为室内环境舒适度的评价提供了一 个新方法。 本文组织结构安排如下： 第l 章介绍了论文研究的目的和意义，对舒适度评价方法、符号化测 量及模糊传感器的综合研究现状进行了详细叙述。阐述了本文所做工作的 理论意义和主要研究内容。 第2 章介绍了符号信息表示与模糊符号化测量理论，从测量理论与技 术的发展出发，介绍了模糊符号化测量的概念。然后介绍了模糊控制系统 的概念、基本控制思想，简述了模糊控制器的设计方法。给出了模糊控制 系统的一般模型。 第3 章提出了一种模糊传感器数据融合的方法，该方法在充分考虑了 各个传感器的重要度和它们输出结果的相似性等因素的基础上实现了模糊 传感器的一致性融合。并从应用的角度出发介绍了基于温湿度的模糊传感 器舒适度的合成方法。 第4 章采用模糊控制技术对温湿度进行控制。设计了一种基于 m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机的温湿度模糊控制器，对温湿度进行实时监测和自控 控制。 第5 章介绍了c a n 总线的基本原理。采用北京华控公司的h y c a n 总线设计了一套室内舒适度测控系统，并应用v b 语言来编写控制界面。 所得结果与我们实际感知的结果一致，达到了预期的目标。 l o 第2 章符号化测量理论与模糊控制理论 第2 章符号化测量理论与模糊控制理论 2 1 概述 随着科学技术的发展，测量领域不断扩大，被测量种类和形式不断增 加。测量以由人工测量记录发展到今天的微机化测量，但仍只局限于数据 处理与分析，而现实世界的各种模糊对象及其联系又决定了不可能全采用 常规的精确数值来表述这些信息；同时，还存在许多高层逻辑信息，非定 量物理量以及涉及人类经验的信息获取。模糊控制的基本思想是用机器去 模拟人对系统的控制。对于用传统控制理论无法进行分析和控制、复杂而 无法建立数学模型的系统，然而有经验的操作者或专家却能取得比较好的 控制效果。这是因为他们凭借日积月累的丰富经验。因此人们希望把这种 经验指导下的行为过程总结成一些规则，并根据这些规则设计出控制器。 本章从符号信息表述的角度阐述测量概念和模糊符号化测量的定义。 在一定的测量结构下，运用模糊数学的理论和方法，通过专门的技术工具， 经过实验和模糊推理，给出被测量的模糊符号化表征的信息的过程。模糊 符号化信息表述一个最为显著的特点，在于引入了隶属度的概念，从而把 信息域的概念引入了二值集合论，充分利用了人们处理模糊信息的能力。 模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的 知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础；采用计算机控制技术构成的 一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能 性的模糊控制器，这也就是它与其他自动控制系统的不同之处。因此，模 糊控制系统无疑也是一种智能控制系统【4 2 】。 2 2 符号化测量理论 2 2 1 符号化测量理论的提出 测量的根本目的在于准确、快速、方便地获取信息。传统数值测量是 在一定精度下，在被测量的特征属性与实数集合之间建立的一种映射，从 1 1 共蒌山大学r = 学硕士学位论文 而通过数值符号来表征被测信息。可见，测量的本质是一种对被测量的符 号描述。 随着测量范围的扩大，从信息获取的角度看，传统测量不可避免地产 生了些局限性，这具体体现在一些需要人类经验和知识的应用场合。 首先，某些信息难以用数值来描述。例如质量评定，这是多因素相互 影响的结栗，可用字母序列a ，b ，c 来表征质量等级，也可以用数字1 ， 2 ，3 来描述，如图2 l ，但数字在这里已失去了传统测量值的意义，它仅 作为一个符号，前边的说明质量好些，但不能说一级的质量是二级的两倍， 即不能用传统的数值关系来表征被铡实体的关系。 图2 一l 质量评定的符号描述 f i g 2 id e s c r i p t i o no f q u a l n ye v a l u a t es y m b o l 其次，很多数值测量结果不易理解。比如色彩感知。从数值测量角度 来看，是通过色调、色饱和度以及灰度等物理量来加以说明，对大多数人 而言，显然难以理解，也不希望获取这样的信息。相反却希望得到由自然 语言描述的“红”，“黄”，“蓝”等彩色信息。 第三，数值测量不能满足许多高级智能的要求。测量对象有量的特性， 更有质的评判。传统测量的发展是精度越来越高，被测量划分越来越细； 另一方面，由微观测量向宏观测量的方向发展却正变得越来越重要，能感 知森林而不能感知树木的传感器将比只能感知树木而不能感知森林的更重 要，因为宏观测量包含许多高层逻辑信息，可以直接为决策服务。 上述分析表明，在大量的实验应用中，物体的特征属性不是由数值来 表征，而是通过符号系统来描述。从日前测量定义严格来看，上述例子还 1 2 第2 章符号化测量理论与模糊控制理论 不属于测量，而是一种评判与感知，但它们具有许多测量的本质属性：描 述符号，表征实体的变量状态说明对应表征实体关系的变量状态或符号关 系，其目的也是获取被测信息。 测量的符号化表示在模式识别与分类、状态解释与预测、状态监测、 智能控制、测量数据压缩、测量信号滤波、不可直接测量量的测量和特殊 量测量等方面都有广泛的应用前景和需求。为了将测量结果符号化表示理 论系统化、条理化和高度抽象化，从更高的层次来研究这一问题、建立一整 套符号化测量的理论和在理论指导下创造出特殊的测量方法解决测试工作 中的问题对于推动测量理论和方法的进步具有重要意义。 2 2 2 符号化测量的概念及其一般化模型 符号化测量的概念是研究测量结果符号化表示和测量定义拓延问题时 提出的。文中给出了与传统测量定义兼容的，外延有所拓宽的、包含定性 符号表示在内的新的测量定义。在新的测量定义意义下，符号化测量的概 念可以理解为是利用定性符号表示原理获得定性或定量符号表示测量结果 的一种方法。换句话说，符号化测量理论一定涉及两个论域和数值与符号 间的四种交换：数值域q 和符号域s ；数值一数值变换( q q ) 、数值一符号 变换( 0 s ) 、符号一符号变换( s s ) 和符号一数值变换( s - q ) 。图2 2 给出了 符号化测量系统结构示意图。 _ 陌硒预虿卜叫盯鬲西函卜+ 数值输入一符号输出 符号输出 r - 。- 。卜 数值输入符号输出数值输出 符号输出 数值输入 符号输出 数值输出 图2 - 2 符号化测量系统结构示意图 f i g 2 - 2 s k e t c hm a po f s y m b o lm e a s u r es y s t e m 1 3 燕山入学r ：学硕士学位论文 从技术实现角度看，符号化测量是以数值测量为基础、数值符号间变换 级联为后处理的结构方式。由图2 2 可知，符号化测量系统可以给出数值 测量结果或符号测量结果两种不同的测量结果。由符号化测量系统结构图， 数值与符号间的四种变换器的功能也可以得到比较清晰的理解。q - q 变换 器的主要功能是数值信号的预处理，描述了数值域中两个变量间( 可以是合 成变换) 的变换关系。q s 变换器的功能是实现数值对符号的变换，它涉及 了q 和s 两个论域1 4 3 1 。s - s 变换器描述了符号域中两个变量间( 可以是合 成变换) 的变换关系。s - q 变换器的功能是实现符号域与数值域两个变量 问的变换。基于上面的简要讨论，可以给出描述在两种不同论域，在同一论 域中具有两种不同变量间变换模型的最抽象、最一般化表达符号化测量系 统拓扑结构符号化测量一般化模型，如图2 3 所示。这一较高层次的 描述方法不仅可以描述数值域和符号域变量间的变换关系，并且可以推广 到任意类似情况，比如电量与非电量、非线性与线性、时域与频域问关系 变换。 数值域符号域 厂1 磊矿 q lt十s 国圉 s 2 q 2 _ ， 玉妇 图2 3 符号化测量一般化模型示意图 f i g 2 - 3 s k e t c hm a po f g e n e m lm o d e lo f s y m b o lm e a s u r e 图2 3 中q 和q 2 表示数值域中的两个变量，s 和s ：表示符号域中的 两个概念。符号化测量一般化模型由四个变换器组成：数值一数值变换器( 预 变换器) 、数值一符号变换器( 描述器) 、符号一符号变换器( 概念生成器) 和 符号一数值变换器( 解释器) 。符号化测量一般化的模型由三个部分组成：数 1 4 第2 章符号化测量理论与模糊控制理论 值域、映射区和符号域。为了简化起见，图2 - 3 只给出了三元组( 下面将会 介绍) 符号化测量一般化模型，对于六元组情况，可视为通过预变换器、描 述器和概念生成器的一连串的信息传输变换实现的( r 、p 、f 的作用含在 其中) 。诚然，并不是每一个符号化测量都包含这四个变换器，包含四个变 换器是一般的情况，而不包含四个变换器只是特殊情况。 建立符号化测量一般化模型的意义在于研究符号化测量基本理论的基 本框架和基本内容、研究四个变换器的基本功能、实现方法，相互关系和 应用。 2 2 3 符号化表示原理 j d eb o e r 指出：适当的测量以及用符号形式表示测量结果的方法，对 于实验科学，诸如物理、化学和生产技术的发展是很重要的。表示数目的 符号、数字的描述以及一整套有条理的符号规则，它们一起构成了完整的 单位制各元素，并使单位制在现代精密科学中处于中心位置。由此可以看 出，数值测量只是符号化表示原理的一种特殊情况。图2 - 4 给出了一般化 测量系统原理框图。 图2 - 4 一股化测量系统原理框图 f i g 2 - 4 t h es t r u c t u r eo f g e n e r a lm e a s u r es y s t e m 由图2 - 4 可知：与通常意义下测量系统相比，这里给出的一般化测量 系统增加了一个数值符号转换元件，使得测量系统输出可以是以数值测量 为基础的符号化测量结果。特别，当数值符号转换元件功能是恒等映射时， 这个系统就蜕变到通常意义下的测量系统。 测量结果符号化表示原理主要讨论数值符号转换的原理、方法和准 则。测量结果符号化表示的理论基础是由l f i n k e l s t e i n 创造的。 1 5 苎生盔兰：生堂堡主堂垡丝苎 设q 为数值域和s 为语言域，在各自的论域上有若干个元素q 。，j ，且 表示为： q = q ，q ( 2 1 ) s = s 。s ( 2 - 2 ) 同时，在论域q 和s 上可分别定义一组关系族： 冗= r 。q q x 9 p = p 。s x s x s 在此基础上，定义 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) q = ( 2 - 5 ) l = ( 2 - 6 ) 这里q 为对象关系系统和l 为符号关系系统。对象关系系统描述了数 值域元素及其相互间的关系，符号关系系统描述了符号域元素及其相互问 的关系。 设有两个映射：m ：q s 使得墨= m ( q ，) ；f ：r p 使得只= f 佤) 成立。且 m q x s 和( g ，毛) m 那么，可以称是吼的一个符号。 对于一个三元组， f = ( 2 7 ) 可称为符号化，吼是在s ，下的含意。一个四元组，a = ， 对于给定s ，就能表示吼的信息。 同样可以定义六元组的符号化 f = ( 2 8 ) 如果f 映射是一对一映射，而肘映射是同态映射，那么一定存在逆映 射： f 1 ，) = r ； ( 2 9 ) m 。0 ，) = q 。 (