（微电子学与固体电子学专业论文）高精度恒量pwm变频控制器软件系统设计.pdf

摘要 摘要 本课题根据传统供水中存在的不足和缺点，将模糊p i d 摔制技术应用 丁小区高楼供水系统中，实现恒压供水。该系统不但解决了传统城市小区 高楼供水中，占用面积大、建设费用高、管理维护复杂困难，而目也克服 了传统供水中水质二次污染、水电浪费等缺点。 本课题根据模糊控制和p i d 控制的特点及其原理，把模糊控制和p i d 控制结合起来，形成模糊p i d 控制，有效的克服了它们的缺点而发挥了它 们的优势。本文详细阐述了该系统中模糊p i d 控制器的实现方法、系统的 各利t 控制、故障检测以及状态显示。本系统经过实验调试最终形成产品， 达到预定功能要求，并成功应用于实际恒压供水系统中。 关键字：模糊p i d 高精度恒压供水变频控制单片机 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e p a p e r h a sa c h i e v e dw a t e r s u p p l y w h i tc o n s t a n t p r e s s u r eb y f u z z y p i d c o n t r o l l e ri nt h ew a t e rs u p p l y s y s t e mo ft h ec i t y a n dt h e h i g h b u i l d i n g d u et ot h es h o r t c o m i n go f t h et r a t i o n a lw a t e rs u p p l y ，t h es y s t e mh a s t h em e t h o d so fl o wc o s t ，e a s yt ob eu s e d ，a n ds a v i n gs u p p l ye n e r g y ，a n ds oo n t h e f u z z y - p i d c o n t r o l l e rc o n s t i t u t e d b yf u z z y c o n t r o l l e ra n dp i d c o n t r o l l e rw i t ht h e i rc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e o r y e f f e c t i e v e l yg e t s o v e rt h e i r d i s a d v a n t a g e ，a t t h es a m et i m e ，p r e s e r v i n gt h e i rm e r i t s t h em e t h o d so ft h e f u z z y - p i d c o n t r o l l e r ，s y s t e m c o n t r o l l i n g ，f a i l u r e d e t e c t i n g ，s t a t e s d i s p l a y i n g a r ed e s c r i b e di nd e t a i l s a c c o r d i n gt ot e s tr e s u l t s ，t h i sc o n s t a n t p r e s s u r ew a t e r c o n t r o l s y s t e m m e e tt h ed e m a n d so fc u s t o ma n dc a nb eu s e di nw a t e r s u p p l y i n gs y s t e ms u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：f u z z y p i d ，w a t e rs u p p l y i n gu n d e ra c c u r a t ec o n s t a n t p r e s s u r e ， v a r i e d - f r e q u e n c y c o n t r o l l i n g ，m c u u 独创性声明 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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 日期： 导师签名：砂霉，才导师签名：鲨堑4 年月e t 第一章引言 11 变频调速技术概述 第一章引言 针对目前国内民用建筑行业的发展，特别是卫星城和小区建设的发展，给 各个技术行业带来的许许多多的研究课题。小区供水系统的设计与研究，从工 程| _ f | j 言是成熟的，己有规范的设计和施工标准，但从多方面的综合技术指标来 说，还远远没能达到用户的要求。 从目前的供水行业调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术， 其节电率很高，可达到2 0 4 0 ，几年内就能将因设计冗余和用量变化而浪费 的电能全部节省下来，又由于其具有调速精度高，功率因数高等特点，使用它 町以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声， 改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。因此利用单片机与交流电机变频调速 技术对管网供水进行自动控制，近几年在国内得到了极大发展。从目前情况看， 微机控制变频调速自动供水技术可分为恒水压控制与恒水流控制两种主流。前 者强调对水泵出口压力进行给定值跟踪控制，使出口水压基本保持恒定，而出 门流量则依用户需求随时可变。这种控制方法的优点是供水品质优良，可在任 何情况下同时满足全网各用户对供水流量与扬程的不同要求。不足之处是过于 强调恒压指标，对小区低层用户扬程指标订得太高，水压过高，用户不得不用 阀门限流，造成能源浪费，且由于水压过高，管网耐压水平必须提高，造成材 料浪费。恒水流控制则强调对出口流量进行宏观总量控制，对水压与扬程指标 则放松，其优点是在满足用户对用水量的基本要求前提下，可最大限度节能。 但缺点也是显然的，其一是仅控制用水总量，而无法分配水流去向，势必造成 分配不均，特别在低层用水量大时，造成高层断水。 变频技术是利用大功率半导体器件及其相应的控制与保护电路来实现电能 频率参量的控制与变换，以实现控制的某些使用目的，并提高其使用质量与效 率的一种技术。变频技术早期应用电子管，到6 0 年代开始使用晶闸管整流器。 在晶体管变频技术渐趋成熟的基础上，7 0 年代进而又发展到使用集成电路技术。 变频技术一方面受益于电子技术和微电子技术的进步，同时又推进了微电子技 术迅猛发展。从8 0 年代开始，电力电子技术和微电子技术保持着平行的发展势 头，使新型电力电子器件层出不穷，并出现了电力电子器件与微电子电路在同 一芯片上集成于机电一体化的功率集成电路l l 】。电力电子技术的发展也相应促 第一章引言 进了同期变频技术的发展。 变频调速技术在国民经济和r 常生活中占有重要地位：应用面广，是工业 企业和同常生活中普遍需要的新技术；是节约能源的高新技术；是国际上技术 更新换代最快的领域；是高科技领域的综合性技术【2 】。交流变频调速技术，已 成为国内外公认的最理想、最有发展前途的电机调速方式【3 】。电机采用变频调 速技术运行后，一般可节电2 0 一4 0 t 3 1 ，因此这项技术具有广阔的推广前景， 可被广泛应用于改造锅炉、风机、水泵、制冷机等设备的运行方式，以用来降 低压差损耗以及起停电机的电耗。我国现有1 0 0 万k w 以上的大型电厂6 0 多 座，装机容量约1 亿k w 左右，每套3 0 万k w 的发电厂，一般都配备3 0 - 3 5 台辅机驱动用电动机。装机容量1 0 0 万k w 以上的电厂，辅机电动机多达2 5 0 台左右【4 】。火力发电厂用电动机驱动的辅机主要是风机水泵、给水泵、循环水 泵、空压机和磨煤机等。我国现有风机、水泵约4 0 0 0 万台左右( 其中风机约1 0 0 0 万台1 ，用电量占总发电量的2 5 3 0 。据初步调查，5 0 6 0 的风机、水泵 可以改为调速运行。如果这些设备都实现变频调速运行，按节电2 0 计算，年 节电可达2 0 0 亿k w h ，相当于装机4 0 0 万k w 容量的发电设备【5j 。因此，应用 电力电子的交流变频调速装置以及相关高新技术来改造传统的产业，就可以获 得很好的社会效益和经济效益。 近十年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展， 电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控 制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势f 6 】。电机交流变频调速技术已经逐渐 发展成为当今世界节电、改善工艺流程以提高产品质量、改善环境以及推动技 术进步的一种主要手段【l j 。 1 1 1 国内变频调速技术进展状况 电气传动系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成1 7j 。电气传 动关系到如何合理地使用电动机，以节约电能和有效控制机械的运转状态( 位 置、速度、加速度等) ，实现电能到机械能的高效转换，最终达到优质、高产、 低耗的目的。电气传动分成不调速传动和调速传动两大类，调速又分交流调速 和直流调速两种方式1 7 】。不调速就是传动电动机直接由电网供电，而没有经过 电力变换过程的传动方式。随着电力电子技术的发展，为了节约电能( 节约 1 5 2 0 或更多) 、改善产品质量、提高产量，这类原本不调速的机械越来越 多的改用调速传动方式运行。在我国，6 0 的发电量是通过电动机消耗掉的州。 第一章引言 因此，如何利用电机调速技术进行电机运行方式改造以节约电能一直得到国家 重视 4 】。目前，电机调速技术已具备比较完备的技术和实践基础。 近年来，交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术【i 】。变频调速 是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易， 从而造就了。个庞大的电力行业。但长期以来，交流电的频率却一直固定而不 能受人为控制。变频调速技术的出现使频率变成可以利用的资源。 现在，我国已有很多的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的研究开发 工作。但自行开发生产的变频调速产品，和国际上的同类产品相比还有比较人 的技术差距 2 】。随着改革开放和经济的高速发展，变频调速己形成了个巨人 的市场。为适应社会经济和社会建设的高速发展，我国采取要么直接从发达国 家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，国内的相关部门在自行设计制造 的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，然后自己丌发应用软 件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法， 适应了社会的需要j 。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是 总体上来说因内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖 性还很严重。当前国内变频调速行业的主要特点有【3 】： ( 1 ) 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力， 但由于分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 ( 2 ) 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 ( 3 ) 相关配套产业及行业落后。 ( 4 ) 产品可靠性及工艺水平不高。 1 12 国外交流变频调速技术高速发展的特点 1 市场的大量需求 随着工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频器越来越广泛地 应用在机械、纺织、供水、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得最著 的经济效益。尤其在水泵、风机方面的应用，取得了显著的节能效果。 2 功率器件的发展 近年来高电压大电流的s c r 、g t o 、工g b t 、i g c 等器件的生产以及并联、 串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 3 控制理论和微电子技术的发展 矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变 第一章引言 频器提供了理论基础。1 6 位、3 2 位高速微处理器以及信号处理器( d s p ) 和专用 集成电路( a s i c ) 技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬 件手段吼 4 套部件生产的社会化、专业化 基础工业和各种制造业的高速发达，为变频器相关配套部件生产的社会化、 专业化提供了可靠保证。 1 13 变频调速技术的发展方向 交流变频调速技术是强、弱电混合，机电一体的综合性技术。既要处理巨 大电能的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输。因此它的共 性技术必定是分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术 问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决( 基于现代控制理论的控 制策略和基于智能控制策略问题) 硬、软件开发问题( 在目前状况下主要是全数 字控制技术) 。其未来主要的发展方向有 1 0 】： 1 实现高水平的控制 基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控 制和机械扭振补偿等：基于现代控制理论的控制策略，有滑模变结构技术、模 型参考白适应技术、采用微分几何理论的非线性解祸、鲁棒观察器、在某种指 标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的 控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化自诊断技 术等。 2 开发清洁电能的变频器 所谓清洁电能变频器是指变频器的功率因数为1 ，网侧和负载侧的谐波分 量尽可能低对电网的公害和电动机的转矩脉动减小到很低的变频器f 4 。新型 通用变频器除了采用高频载波方式的正弦波s p w m 调制实现静音化外，还在通 用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路a p f c ，而在逆变电路 中采取s o f t p w m 控制技术等，以改善输入电流波形、降低电网谐波，在抗干 扰和抑制高次谐波方面符合e m c 国际标准，实现所谓的清洁电能的变换。 如三菱公司的柔性p w m 控制技术，实现了更低噪音运行。对中小容量变流器， 提高开关频率的p w m 控制是有效的。对大容量变流器，在常规的丌关频率下， 可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。 3 缩小装置的尺寸 4 第一章引言 紧凑型变频器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功 率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造 的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变( o n 水冷、蒸发冷 却和热管) 对缩小装置的尺、j 也很有效。现在主回路中占发热量5 0 7 0 的 i g b t 的损耗已大幅度减少，集电极一发射极的饱和电压大为降低，现已开发出 了第四代i g b t 。 4 系统化 变频技术的发展与其相关技术的发展是分不开的，变频技术的发展是将电 网、整流器、逆变器、电动机生产机械和控制系统等作为一个整体，从系统上 进行考虑。通用变频器除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集 成化、系统化方向发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于 一体的“全集成自动化”( t i a ) 平台概念，可以使变频器、伺服装置、控制器及通 讯装置等集成配置，甚至连自动化和驱动系统、通讯和数据管理系统等都可以 像驱动装置那样嵌入“全集成自动化”系统那样运行，目的是为用户提供最佳的 系统功能。 1 2 模糊控制技术及其在恒压供水系统中的应用 1 2 1 模糊控制技术的发展 1 9 6 5 年美国加州大学伯克利分校电气工程系的l a z a d e h 教授发表了模 糊逻辑相关的著名论文，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊 控制等方面的内容，创立了模糊集合理论的数学基础。z a d e h 在论文中首次提 出了表达事物模糊性的重要概念一隶属函数，从而突破1 9 世纪末笛卡尔的经典 集合理论中属于或不属于的绝对关系，奠定了模糊理论的基础。1 9 6 6 年， r n m a r i n o s 发表模糊逻辑的研究报告，1 9 7 4 年，l a z a d e h 发表模糊推理的研 究报告。从此，模糊理论成了一个热门的课题 1 。 1 9 7 4 年，英国的m a m d a n i 及其同事首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世 界上第个实验性的蒸汽机控制，并取得了比传统的直接数字控制算法更好的 效果，从而宣告模糊控制的诞生。1 9 8 0 年丹麦的h o l m b l a d 和o s t e r g a a r d 将模糊 控制器成功地安装在水泥窑炉上，这是第一个商业化的有实际意义的模糊控制 器。事实上，模糊理论应用最有效、最广泛的领域就是模糊控制，模糊控制在 各种领域出人意料的解决了传统控制理论无法解决的或难以解决的问题，并取 第一章引言 得了一些令人信服的成就1 2 1 。 1 9 8 5 年，a t & t 贝尔实验室的t o g a i 和w a t a n a b e 设计出第一。块模糊逻辑芯 片。进入9 0 年代，日本推出了大量采用模糊控制的家用电器产品，引发了场 波及全球的“模糊热”，使模糊控制技术得到了加速发展，同时也促使西欧和美 国等加大了对模糊控制技术开发和应用的投入。 1 22 我国模糊控制技术的现状及研究模糊控制技术的意义 目前，我国在模糊技术研究和应用领域冲锋在前的是北京航空航天大学计 算机系刘增良教授主持的模糊技术研究室。该室用单片机研制了通用工业模糊 控制机p f c 5 1 0 和p f c 9 8 0 1 ，开发了专用模糊控制电路和模糊推理芯片，泼高 速并行模糊推理讨1 算机系统和模糊控制计算机系统，把我国模糊工程和模糊逻 辑技术推向了一个新的高度，为我国模糊产品和系统开发奠定了峰实的基础【i 3 1 。 研究和开发模糊逻辑控制技术具有重要的现实意义。传统控制理论( 经典 的和现代的) 有一个基本的共同点，就是理论和方法都是建立在对象的数学模 型基础上的。而许多现代军事和工业领域所涉及的被控过程和对象都难以建逻 精确的数学模型，有的甚至根本无法建立数学模型。因而传统控制理论面临着 强有力的挑战，人们不得不开辟控制理论的新途径，避开数学模型，直接用机 器模仿人的思维，利用模糊理辑控制技术来解决问题。有的采用模糊控制的产 品，并不是用传统控制方法不能解决，而是比较复杂，对要用的微处理器和传 感器要求较高。用模糊逻辑控制方法可以降低对微处理机和传感器的要求，并 且价格便宜，可以实现低成本和高利润的统- - 1 4 。 应用模糊逻辑控制技术可以给人们带来一些好处： 1 简化设计，因为模糊逻辑用非常接近人的直观理解的方式思考，所以 它避开了传统控制方式建立系统数学模型时所遇到的难题。 2 模糊控制器结构简单，易于实现，成本低廉。 3 模糊逻辑是并行处理，只要规则设置合理，可以给系统提供更好的性 能。 从目前世界范围内掀起的一股模糊逻辑旋风来看，模糊逻辑工程己不再是 单独学科，而是一种跨学科的信息处理工具或技巧。但是，模糊逻辑控制技术 是一项正在发展中的技术，还存在许多不足，例如无法证明运用模糊逻辑的控 制系统的稳定性等，这就更加促使科学家们在模糊逻辑控制领域进一步地探索 和追求。无论怎样，模糊逻辑控制技术是模仿人的大脑思维的技术，是简单而 6 第一章引言 有效的控制技术，被有关专家评价为2 l 世纪的核心控制技术。 第二章模糊控制 第二章模糊控制原理及其实现方法 模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一 种计算机控制。从线性与非线性控制的角度分类，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，而且它已成为目前实现 智能控制的一种重要而有效的形式，尤其是模糊控制和神经网络，遗传算法及 混沌理论等新学科的相融合，正在显示其巨大的应用潜力。本章分部分介绍了 模糊控制原理，模糊控制核心部件一模糊控制器及其实现过程。 2 1 模糊控制原理 2 11 模糊控制的基本思想 在自动控制技术产生以前，人们在生产过程中只能采用手动控制方式。手 动控制过程首先是观测被控对象的输出，其次是根据观测结果作出决策判断， 然后手动调整输入。操作工人就是这样不断地观测一决策一调整，从而实现对 生产过程的手动控制，这三个步骤分别由人的眼一脑一手来完成。后来，由于 科学和技术的进步，人们采用各种测量装置代替人的眼睛，完成对被控量的观 测任务；利用各种控制器部分地取代人脑的作用实现比较，综合被控制量与给 定量之f h j 的偏差，控制器所给出的输出信号相当于手动过程中的人脑的决策： 使用各种执行机构对被控对象施加某种控制作用，这就起到了手动控制中手的 调整作用，这就是人们所熟悉的常规负反馈控制系统。 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慌定常系统的控 制问题是很有效的，然而经典控制论对于非线性时变系统难以奏效。随着计算 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， 获得了广泛的应用。例如在阿波罗的姿态控制宇宙飞船和导弹的精密制导以及 在工业生产过程控制等方面得到了成功的应用。但是无论采用经典控制论还是 现代控制论设计一个控制系统，都需要事先知道被控对象( 或生产过程) 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，然而在许多情况下被控对象的精密的数学模型很难建立，过 程变量多，且各种参数存在不同程序的时变性，这种过程数学模型难以建立， 甚至根本办不到。在这样的事实面前，人们又重新研究和考虑人的控制行为的 第二章模糊控制 特点，能否对无法构造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式，进行拉制 决策。 在这种情况下，人们总结了自身的控制行为，正是遵循反馈及负反馈控制 的思想，人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列条件语句一控 制规则。利用微机程序实现这些控制规则，微机就起到了控制器的作用，于是 利用微机取代人可以使被控对象进行自动控制。这样，模糊控制技术相应而生 了。模糊控制技术是一种出模糊数学，计算机科学，人工智能，知识工程等多 门学科领域相互渗透，理论性很强的科学技术。 综上所述，相对于传统的控制方法，从被控对象的数学结构七去考虑进行 控制，模糊控制的基本思想就是：从人类智能活动的角度和基础上去考虑实施 控制。 2 1 2 模糊控制系统组成 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理论为理论基础，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学控制系统，核心是具有智能型的模糊控制器。模糊 控制系统的组成如图2 1 。 图2 1 模糊控制系统组成图 模糊控制系统一般可分为四个组成部分： ( 1 ) 被控对象：可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是个生产 的，自然的，社会的，生物的或其他各种的状态转移过程，这些被控对象j 以 是确定的或模糊的，单变量的或多变量的，有滞后的或无滞后的，也可以是线 性的或非线性的，定常的或时变的以及具有强藕合和干扰等多种情况，对于那 些难以建立精确数学模型的复杂对象更适合采用模糊控制。 ( 2 ) 执行机构：电气的可以是交直流电机，伺服电动机，步进电机等；其它 气动的或液压的，如各类气动调节阀和液压马达，液压阀等均可。 9 第二章模糊控制 ( 3 ) 控制器：模糊控制系统的核心部分，由于被控对象不同以及对系统的静 态、动态特性的要求和所用的控制规则相异，可构成各种类型的控制器：经典 控制论中，采用p i d 控制器：现代控制论中，状态观测器；智能控制论中，则 采用模糊知识表示和规则推理的语言型的模糊控制器，这是模糊控制系统区别 于其它自动控制系统的特点所在。实质上一台微型计算机，根据控制系统的需 要既可以采用系统机也可采用单片机或单板机。 ( 4 ) 输入输出接口装置：实际模糊控制系统中，由于被控对象的控制量以及 可观测的状态量是模拟量，因此，模糊控制系统与通常的全数字拉制系统或混 合控制系统一样，也必须具有模数，数模转换单元。模糊控制器通过输入输出 接口从被控对象获得数字量信号，并将模糊控制器决策的输出信号经过数模变 换，将其转换为模拟信号送给执行机构去控制被控对象，不同的是在模糊控制 系统中，还应该具有模糊逻辑处理的“模糊化”与“去模糊化”环节这部分，通常 也被看作是模糊控制器的输入输出接口。 ( 5 ) n 量装置：将被测对象的的各种非电量如温度、压力、速度、浓度等转 换为电信号的一类装置。通常由各类数字的或模拟的测量仪器，检测元件或传 感器等组成。它在模糊控制系统中占据十分重要的地位，其精度往往影响整个 系统的性能指标，因此要求其精度高，可靠性强且稳定性好。 2 1 3 模糊控制的基本原理 在此仅以一步模糊控制系统为例，简要的介绍一下模糊控制的基本原理 如图2 2 所示：核心部件模糊控制器。 给 图2 2 模糊控制原理框图 21 3 1 模糊控制的工作原理 模糊控制就是在控制中应用模糊集合理沦、模糊语言、模糊逻辑的知识来 模拟思维方法，用计算机实现与人相同的控制。模糊控制原理框图如图2 2 所 示。 1 0 第二章模糊控制 ( 1 ) 模糊化 将精确量转化为合适的模糊量，主要包括：论域的划分、模糊予集的划分 以及隶属函数的选取，有时并不是按数学函数给出隶属度，而是根据实际情况 直接给出隶属度。 ( 2 ) 模糊计算 包括控制规则的获取及模糊推理。控制规则是根据控制对象的实际情况以 及熟练操作人员的实际经验确定的。不过，有的系统采用形如( 2 - 1 ) 式的解析式 作为控制规则。 u = 一 a e + ( 1 一a ) e c 口 0 ，1 ( 2 _ 1 ) 模糊推理是根据模糊输入量e 和e c ，按照模糊合成算法求出模糊控制量 的过程。 ( 3 ) 模糊判决 模糊计算的结果是一个模糊向量即模糊子集，反映了控制语占的不同取值 的一种组合，用于控制时需要将模糊量转化为精确量，判决出一精确的控制量， 这个过程称为模糊判决，也即为反模糊化。其常用的方法有最大隶属度法、加 权平均法和中位数法等。 模糊控制的基本方法是将操作者的经验总结成若干条模糊控制规则，经过 模糊处理存储在计算机中，仿照人脑的推理过程来确定推理规则。计算机根据 推理规则确定推理法则，并根据数据按照控制规则和推理法则做出相应的模糊 决策，完成控制动作。 22 模糊控制器 模糊控制理论应用通过模糊控制器来实现，是模糊控制的核心部件，它具 有以下特点： ( 1 ) 不需要建立被控过程的数学模型，控制指标和参数都是模糊概念。这 样，我们不至于为建立数学模型雨陷入死区。 ( 2 ) 理论基础是模糊理论，采用模糊语言和知识，描述过程比较接近实际， 便于获取和表示所需要的知识，模糊逻辑最适宜作知识的表达，连续变量有效 地被压缩。 ( 3 ) 模糊控制具有良好的鲁棒性。 ( 4 ) 模糊i c 卡及其开发系统的实现有利于推动模糊控制的发展。 这一节主要介绍了模糊控制器的结构、数学模型、及模糊控制器设计。 第二章模糊摔制 2 2 1 模糊控制器的结构 如图2 _ 3 所示： 图2 3 模糊控制器的结构 由图可知模糊控制器可划分为：模糊输入接口，模糊推理判决机构，模糊 输出接口三大部分，它们构成了模糊控制器的控制机理和算法结构。 ( 1 ) 模糊输入接口的主要功能是实现精确量的模糊化，即将被控系统输入 变量的偏差和偏差的变化量的精确值转化为模糊量，以便进行模糊推理和决策。 ( 2 ) 模糊推理判决机构主要功能是模仿人的思维特征，根据总结人工控制 策略取得的语言控制规则进行模糊推理，并决策出模糊控制量。 ( 3 ) 模糊输出接口的主要功能是对经模糊推理决策得到的模糊控制量进行 模糊判决，把输出模糊量转化为精确量后，施于被控对象。 据此，实际应用中，模糊控制器有两种组成形式：一种是由模糊逻辑芯片 组成的硬件专用模糊控制器，它是用硬件芯片来直接实现模糊控制算法。这种 模糊控制器特点是推理速度快，控制精度高，但价格昂贵，输入和输出二级模 糊规则均有限且灵活性差，实际中较少使用，另一种组成方式是采用与数字控 制器相同的硬件结构。目前多用单片机组成硬件系统而在软件上用模糊控制算 法取代原来的数字控制器的数字控制算法，这样即把原来的数字控制器改成了 模糊控制器，组成了一个单片机模糊控制系统，这种模糊控制器在本质上只是 一种模糊算法而己，是在单片机上用软件来实现模糊化，模糊推理决策和反模 糊化过程而构成的。特点是控制器资源开销少，灵活性强，适用性强，应用范 围广，是目前在过程控制和家用电器中模糊控制的主流。 2 2 2 模糊控制器功能及实现 综上分析，从模糊控制器结构可以看出模糊控制器的三大功能： 把系统的偏差从数字量转化为模糊量； 根据模糊量的语言控制规则进行推理； 1 2 第二章模糊控制 把推理的结果从模糊量转化为可实用于实际控制的数字量( 精确量) 。 对应于以上的三大功能，模糊控制器的实现需要三大过程： ( 1 ) 模糊化过程：通过传感器把受控对象的相应物理量转换成电量，若传 感器的输出量是连续的模拟量，还要通过模数转换器转换成数字量，作为计算 机的输入测量值，接着再将此输入测量值做标准化处理，即把其变化范围映射 到相应的沦域中，再将论域中的该输入数据转换成相应语言变量的术语，并构 成模糊集合，这样就把输入的精确量转换为由隶属函数表示的某一模糊变量的 值，由此才能用检测到的输入量作为模糊控制规则中的条件来运用模糊控制规 则进行推理。 ( 2 ) 模糊逻辑推理：根据事先定好的一组模糊条件语句构成的模糊控制规则 进行计算推理，实际上根据模糊控制规则对输入的一系列条件进行评估，以得 到一个定性的用语言表示的量，这个结果只告诉你某一个确定的输出范围，即 模糊输出量。 ( 3 ) 精确化计算：模糊输出量是不能直接控制执行部件的，在确定的输出范 围中，必须要确定一个认为最具有代表性的值作为真正的输出控制量。 因此，模糊拉制器的最终设计问题就是上述三个过程的设计问题，在详细 讨论系统设计之前，我们先定性的分析一下三大部件的设计。 ( 1 ) 模糊化过程 测量输入变量的值并将以数字的形式表示的输入量转化为通常用语言表示的某 。限定码的序数，每一限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属度函数 来定义。对于某一个输入值，它必定与某个特定限定码的隶属程度相对应。 ( 2 ) 模糊推理过程设计 模糊推理过程设计主要考虑模糊控制器的规则基和知识基的设计。所谓规 则基指的是所有条件语句，即控制规则的全体。所谓知识基指的是数据基和规 则基合起来。在模糊拉制器中，规则基是关健的知识，因为它不仅包含有数据 基的成分，例如模糊变量的值，而且，还表明了模糊控制器的控制机理。规则 基中条件语句的条数，完整性，优化程度都直接影响到控制品质。所以，设计 时，在模糊控制系统中，较多考虑的是条件语句的一敛性、交互性、完整性及 它的条数。 ( 3 ) 精确化过程设计 相对而言，此过程设计是三过程中最简单的。设计。对于精度要求1 i 高的 系统，可采用最大隶属度法求取控制值；对于精度要求较高的系统，可采用一 第二章模糊控制 些复杂的反模糊算法来求控制值，比方晚，重心法、加权平均法、t s u k a m o t o 算法、t a k a g i 算法、s u g e n o 算法等，在本设计中，考虑小区供水的实际情况， 采用最大隶属度法求取控制值。 2 3 模糊控制器设计 模糊控制系统中，模糊控制器是整个系统的核心，它的硬件结构与数字控 制器相同，一般由微型计算机或单片机组成，但在软件上采用模糊控制算法， 也就是采用模糊控制方式来实现控制。因此，模糊控制器设计实质上是设计模 糊控制算法。根据模糊控制原理，简单模糊控制器的设计可以概括为以下几个 方面： ( 1 ) 确定输入量( 误差e ，误差变化率e c ) 和输出量( u ) ，并划分其论域： ( 2 ) 确定e 、e c 和u 的若干个模糊子集，同时根据控制对象的特点，给 _ 各 自模糊子集的隶属度； ( 3 ) 确定模糊控制规则，本系统采用了根据控制对象的实际情况以及熟练操作 人员的实际工作经验所确定的控制过程的控制规则，并对其进行了一定的修改 和校正； ( 4 ) 确定模糊控制规则表，控制规则表是根据输入量和输出量的隶属度函数和 控制规则，应用模糊推理合成算法计算所得，模糊控制器只需根据不同的e 和 e c 对从该表中查出相应的控制量。 基于以上的设计步骤，在实际应用中，往往是根据实际系统的动态和静态 特性的要求，尽量简化算法，努力提高模糊控制器的实时性及自适应能力。 根据供水系统的模糊控制算法，其简单模糊控制器设计的具体步骤如下： ( 1 ) e 、e c 和u 的论域划分： e 、e c 和u 的论域被划分为1 3 个等级，即为 e 2 一6 ，一5 ，- 4 ，一3 ，一2 ，- 1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 e c = - 6 ，一5 ，- 4 ，一3 ，一2 ，1 ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 u 2 一6 ，一5 ，一4 ，- 3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 【2 ) 模糊子集的划分及其赋值： 确定描述e 、e c 和u 的模糊语言变量为：负大、负中、负小、零、正小、 丁f 中、正大。 用符号表示为：n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b 。即 e 2 n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b 1 4 第二章模糊控制 e c 2 fn b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b u = f n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b ) ( 3 ) 控制规则的获取 模糊控制规则采用“i f t h e n ”的形式表示，如： i fe = n ba n de c - 1 q bt h e nu = p b 也可以用表格的形式给出，形成控制规则表。 在确定模糊控制规则时采用了两种方法，并对这两种方法作了比较。第一， 通过史验和手动控制的经验来确定模糊控制规则，这种方法是模糊控制器设计 t 确定模糊控制规则的一般方法，它难于借鉴别人的成果，没有一定的舰律l ，j j 循，而且实验难以实现。第二，借鉴其它控制对象相似的模糊控制系统的控制 舰则，对其进行修改和校f 之后在恒压供水系统中使用。 ( 4 ) 模糊控制表的建立 应用模糊推理合成算法，求出模糊控制量u ，再经过模糊判决，即可以求 出精确控制量，从而构成模糊控制表。则系统模糊控制表如表3 5 所示。 24 变频恒压控制系统模糊控制器的设计 241 模糊控制器结构设计 手动控制过程中，人所能获取的信息量有误差，误差的变化，误差的变化 的变化，所以模糊控制器的输入输出变量一般有三个：误差，误差的变化，误 差的叟化的变化，输出变量一般选择控制量的变化。据此，常见模糊控制器有 i 利幢 构，如图2 5 、2 6 、2 , 7 ： e 一 。 跏卜：i 模糊控栅； + a ：! l i _ 一维模糊控制器：用r 被控列象输入 变量只墩误差一个，动态降能小佧。 一：维模糊控制器：输入变量有两个 误差和误差的变化量，比较常1j 。 三维模糊控制器：输入变量有三个， 误差和误差的变化，误差的变化的变 化。 第一章模糊控制 图2 7 三维模糊控制器 理论上讲，模糊控制器维数越高，控制越精细，但是维数越高，模糊控制 规则变的越复杂，控制算法实现相当困难，据以上分析，本设计采用二维模糊 控制器，输入量为误差量和误差的变化量，输出量为控制量的变化。 2 4 2 模糊控制规则的设计 根掘实践经验总结，模糊控制规则可用下述模糊条件语句来描述 f 1 ) i fe = n b o rn ma n de c = n bo rn mt h e nu = p b o r ( 2 ) i fe = n bo r n ma n de c = n so rot h e nu = p b o r f 3 ) i fe 2 2 n bo r n ma n de c = p st h e nu = p m o r ( 4 ) i fe 2 n b o rn ma n de c = p mo rp bt h e nn u = o o r ( 5 ) i fe = n s a n de c = n bo rn mt h e nu = p m o r ( 6 ) i fe = n s a n de c = n so rot h e nu = p m o r ( 7 ) i fe = n s a n de c = p st h e nu = o o r ( 8 ) i f e = = n s a n d e c = p m o r p b t h e n u = n s o r ( 9 ) i fe = p s a n de c = - n bo rn mt h e nn u = p s o r ( 1 0 ) i fe = p sa n d e c = n st h e nu = o o r ( 1 1 ) i f e = ps a n d e c = o o r p s t h e n u = n m o r ( 1 2 ) i f e = p s a n de c = p mo rp bt h e nu = n m o r ( 1 3 ) l fe = p mo r p ba n de c = n bo rn mt h e n u = 0 o r ( 1 4 ) i f e = p mo r p ba n de c 爿n s ，t h e n u _ 1 、m 1 6 第二章模糊控制 o r f 15 ) i f e = p mo rp ba n de c = oo rp st h e nu 2 i n b o r ( 16 1i f e = p mo rp ba n d e c = p m0 rp bt h e n u = n b 2 4 3 确定模糊变量的赋值表 在这一节中，确定模糊语言变量的隶属函数，即对模糊变量赋值。确定论 域内元素对模糊语言变量的隶属程度。如 p b e = 0 1 3 + o 4 4 + 0 8 5 + 1 0 6 模糊变量e ，e c ，u 的赋值表分别如下表2 1 ，表2 2 ，表2 3 所示，它们 是根据本系统的实际情况而定的。 表3 - 1 模糊变量e 的赋值表 忒 65 一d 321o+ 1+ 2+ 3“+ 5+ 6 p boooo0o00oo 10 ，40 81 0 p m0oo00oooo 2071 o0 702 p s00o0ooo 3o 81 o0 5o 1oo o00o0o01 00 60 1o0o0 n s0oo 1o 51 0080 30oo0oo n m0 2o 71 o0 7o2o0oo0ooo n b1 00 8o 40looooo0ooo 1 7 第二章模糊控制 表3 2 模糊变量e c 的赋值表 惑 一6543210+ l+ 2+ 3 + 4 + 5+ 6 p bo0ooo00oo01o 4o81o p mo0ooo0o0o2071o07o2 p soooo0ooo 91 oo 7o 2oo o0000o0 51 005 000o0 n s0oo 2o 71 oo 90oo0000 n mo 2o 71 0o 70 2o0oo0000 n b1 o0 8o 40 10o0oo oo0o 表3 - 3 模糊变量u 的赋值表 惑 654321o+ 1+ 2+ 3 + 4 + 5+ 6 p booo ooooo00o 1o 40 8 p m00o0o 0ooo 2o 71 00 7o 2 p s00o00oo 4 1 oo 80 40 1o0 o0oo0oo 51 o o 5ooooo n soo0 10 40 - 81 oo 4 o00000 n mo 20 71 00 7 0 20o00000o n b0 8o 40 10 o0o000000 1 8 第二章模糊控制 2 4 4 精确量的模糊化 将精确量( 数字量) 转化为模糊量的过程称为模糊化。计算机计算出的控制 变量均为精确量，须经过模糊量化处理，变为模糊量，以实现模糊控制算法。 模糊化一般有两种方法： ( 1 ) 精确量离散化，如把 _ 6 ，+ 6 】区间变化的连续量分为七个档次，每 一档次对应一个模糊子集，这样处理使模糊化过程简单。如果精确量x 的实际 变化范围为 a ，b 】，将 a ，b 区间的精确变量转换为【一6 ，+ 6 】区间变化的变量y ， 采用如f 公式 y 21 2 x 一( a + b ) 2 ( b a )( 2 - 3 ) 由上式计算的y 值若不是整数，可以把它归纳入最接近的整数。例如： - 4 8 一- 5 ，2 7 3 ，o 4 0 。若区间对称为【n ，+ n ，则 y 2 2 n x - ( a + b ) 2 ( b - a )( 2 - 4 ) 这样做是为了使模糊推理合成方便，若区间不对称，女l l - n ，+ m l ，则 y 2 ( m + n ) x - ( a + b ) 2 ( b - a )( 2 - 5 ) ( 2 ) 第二种方法更为简单，它是将在某区间的精确量模糊化成这样的一个模 糊子集，它在x 点处的隶属度为1 ，除x o 点外的其余各点的隶属度为0 。 在本设计中，模糊化采用第一种方法。 2 4 5 模糊推理及其模糊量的非模糊化方法 模糊推理及模糊量的非模糊化方法很多，比如说：重心法，模糊加权型推 理法，最大隶属度法等。本设计采用