模糊控制的概念、类型及应用

模糊控制的概念、类型及应用

0基于模糊控制理论的电阻温度控制器温度控制器是工业过程控制、数据处理等行业最常用的系统工程之一。通常采用传统的pid控制计算方法。模糊控制理论作为智能控制理论的一个重要分支,在工业生产中已经开始得到广泛应用。本文提出基于模糊控制理论所实现的电炉温度控制器,该系统的核心硬件结构采用以8位数/模转换器ADC0809和可编程逻辑器件GAL等为核心的数据采集卡,软件实现是运用模糊控制理论,基于ISA总线,在普通PC机上,对现场的过程温度来进行实时控制。该方法弥补了以往采用常规PID控制算法的不足。它主要用在计算机过程控制的教学和科研实验中,也可应用在实际热处理等行业需要实时温度控制精度要求较高的场合。1系统组成和控制过程本系统所采用的是以PC机为平台的温度控制系统,能同时对两个被控对象进行控制,其组成主要有:PC机、数据采集卡、数字显示仪、热传感器、固态继电器和电热炉等,系统组成框图如图1所示。在控制过程中,数字显示仪上显示出电热炉中的温度,同时,热传感器把电炉温度转换为电信号。该信号经过放大后被送入数据采集卡进行A/D转换,转换后的数据读入内存,计算机通过模糊控制算法对数据进行处理后输出脉冲信号给固态继电器,改变固态继电器的接通时间,从而控制电炉的加热时间,实现对电炉的温度调节。2中断源保护和数据采集图2为自行设计的基于ISA总线的数据采集卡的电路图。ADC0809是逐次比较型多通道8位数/模转换器,能对8路模拟信号进行采集与转换,在本系统使用了两路模拟信号,分别接到ADC0809的通道0和通道1上(图中只画出一路)。当在其引脚START端加上一个有效电平时,启动A/D转换。转换结束,引脚EOC端出现高电平,此信号可作为微机中断或查询信号。在数据采集卡上,共使用了3片可编程计数/定时器芯片8254,其中一片用作设定采样时间,另外两片分别接固态继电器,为固态继电器发送脉冲,对两个电热炉的温度进行控制。8254内部有3个相互独立的16位计数器T0、T1、T2,每个计数器可编程为6种不同的工作方式。3个内部定时器采用级联方式,定时器T0、T2设定为工作方式3,即为方波方式,其输出端OUT将输出对称的方波。定时器T1设定为工作方式0,即计数结束中断方式,当计数单元CE的内容为零时,其输出OUT信号变为高电平,可以把OUT由低电平到高电平的变化作为计数/定时的中断请求信号。定时器T1和T2的门控端GATE接高电平,允许计数器对CLK脉冲进行计数。定时器T0的门控端受定时器T1输出端OUT1的控制,当OUT1输出高电平时禁止计数。定时器T2的时钟信号由数据采集卡上的晶振得到,其频率为1.8MHz,T2的输出信号OUT2作为定时器T0的时钟信号。定时器T1工作于方式0,其时钟输入端由定时器T0的输出OUT0来提供。由于第一片8254和第二片8254用来控制固态继电器的通断,因此对这两片8254中的T1计数结束所产生的中断系统并没有响应。内部定时器T1的输出经过一个反相器后接到定时器T0的门控端GATE0,当定时器T1计数到时,OUT1输出高电平,反相后成为低电平加到定时器T0的门控端GATE0,使TD禁止计数,不再给固态继电器发送脉冲,这样强电就被切断。因此,通过对定时器TI置入不同的计数初值,就可方便地控制固态继电器输出端接通时间的长短,从而控制了电热炉的功率,达到了温控的目的。采集卡上第三片8254用来设定采样时间。置入初值后开始计数,计数结束时,其输出一方面经反相器反相后控制T0的门控端GATE0,使T1禁止计数,另一方面通过中断管理器8259A向CPU申请中断,在中断服务程序中,进行数据采集。因此,对第三片8254装入不同的计数初值即可得到不同的采样时间。本系统采用一片8259A可编程中断优先级管理(PIC)来对中断进行管理。中断源主要有两个:采样时间定时中断和A/D转换结束所产生的中断。这两个中断源分别接到8259A的IR2和IR3两个中断请求线上。数据采集卡上8259A的中断请求信号INT通过跳线和ISA总线的中断请求信号相连,共有IRQ3、IRQ5、IRQ7、IRQ9、IRQI0、IRQ1I、IRQ12、IRQ15等8个中断源可供选择。本系统中,数据采集卡的地址译码是由8位比较器74LS688和可编程PLD器件GAL16V8共同完成的。在ISA总线上参与地址译码的地址线为A0～A9,其中A5～A9通过比较器LS688用于全局地址译码,A0～A4通过GAL芯片用于端口地址译码。3温度实时控制软件3.1中断和数据的获取本系统中,中断请求通过跳线和ISA总线的IRQ5相连,使用的是PC机的硬中断IRQ5,因此对PC机主板上8259A的编程为:在数据采集软件中,为了编程方便,只使用了一个中断,该中断用来设置采样时间,其他的中断都被屏蔽掉。采集卡只有一片8259A,因此不用级联方式。中断程序结束时,要发送EOI命令,即使用自动结束方式。根据以上要求,采集卡上的8259A的初始化例程可编写为:本系统中,8254内部定时器T0和T1设定为工作方式3,定时器T2设定为工作方式1,因此,其控制字分别为:将控制字写入到8254控制寄存器之后,在启动8254计数器之前,还要对计数器赋一个设定的初值。在本系统中,采用二进制计数,先送低字节,后送高字节,例如对计数器T0赋值的格式如下,其中low表示低字节,high表示高字节:3.2中断信号的读取当采样时间到而产生中断时,系统中止正在执行的程序,跳转到中断服务程序去执行。在中断服务程序中,采样实际温度值并求出它与给定温度值的偏差,然后根据控制规则对偏差进行处理,得到输出控制量来控制固态继电器。在本系统中,没有利用A/D转换结束时所产生的EOC中断信号,而是用了一条无语句的for循环来进行延时,待转换结束后再读取转换结果。中断服务程序结束后,要发送硬中断结束命令,为下次中断作好准备。可由以下语句来实现:在数据采集过程中,为了消除和抑制干扰源的影响,采用程序判断滤波方法对采集量进行滤波。其算法为:即用本次采样值减去上次采样值,其增量的绝对值与设定的最大允许偏差相比较,如小于或等于ΔX,即取本次采样值为滤波器的输出,否则把上次采样值作为本次的滤波器输出。在进行控制时,给定值是温度值,但在数据采集程序中,计算机采集到的是经过A/D转换后大小为0～255的数字量。为了便于显示、运算,必须把这些无量纲的数字转化为实际的温度值,其标度变换按下面的公式进行:式中:A0——次测量仪表的下限;这样就可以把设定的温度值转换为数字量,再和采集到的实际温度值的数字量进行比较,求出偏差,进行控制。3.3模糊变量的特性由于温度控制系统的精确数学模型难以获得,除了采用数字PID进行控制外,还可以采用模糊控制。本系统采用二维模糊控制器,如图3所示。在控制过程中,根据温度偏差E以及偏差变化率EC进行决策,模糊控制器的输出量U为一个采样周期中固态继电器的接通时间。本系统把输入变量E语言值的模糊子集确定为:负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、负零(NO)、正零(P0)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。输入变量EC语言值的模糊子集确定为:负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(0)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。输出控制量U为固态继电器的导通时间,功能相当于一个阀门,其语言值的模糊子集可以确定为:全开(PB)、中开(PM)、小开(PS)、微开(PT)、全关(PO)。在把输入量转换为模糊量的过程中,取变量的模糊子集论域为:{-n,-n+1,…,0,…,n-1,n}。实际应用中,变量的基本论域[AB,]和模糊子集论域[-N,N]往往不一致,需用公式把实际论域中的值映射到模糊子集论域中:确定论域中的每个元素对各个模糊语言变量的隶属度,以实现模糊化。根据温度控制的实验数据和操作经验,结合控制精度的要求,可以给出模糊变量E、EC、U的赋值表。本系统中E和EC的基本论域均为[-6,6],因此其量化因子为1,输出变量U的论域取为,其量化因子为8。模糊温度控制的控制规则如表1所示。根据模糊控制规则,将模糊语言控制规则表述为模糊关系矩阵R后,就可进行模糊关系的运算了。由于这些计算比较繁琐,因此,模糊关系、模糊推理以及模糊判决的运算一般离线进行。经过处理后,最后得到模糊控制器输入量E、EC与输出量U之间的确定控制关系表。由控制表得到的输出量不能直接控制执行机构,还必须将其转换到控制对象所能接受的基本论域中去。在实际控制过程中,把控制表存放到内存中,便可以实现在线实时控制。在采样周期内,计算机对炉温进行采样,并将实际温度值Y与给定值S相比较,得到温度的偏差E=Y-S,经过计算机处理可以取得偏差变化的数字量EC=E(k)-E(k-1)。E和EC经过量化转换并查询模糊控制表的控制量,再乘以量化因子得到实际控制量,用来控制固态继电器的接通时间,达到控制目的