王文涛
【摘要】对于室内空调、汽车空调这类强非线性系统，智能控制系统更加适用。本文利用模糊控制原理，对其在温度控制系统的控制进行详细介绍，结果表明具有较高的控制精度，分别从硬件及软件设计两个方面进行了阐述，对控制系统的控制单元进行了设计，采用PIC单片机作为控制单元处理器，对控制规则进行了设计。系统具有电路简单、可靠性高、抗干扰能力强等。
【关键词】模糊控制;温度控制;PIC
1.引言
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。同时，模糊控制在温度控制中的作用也越来越成熟，而且大大提高了控制精度和电子产品的运行效率。
本文就是利用模糊控制对其进行了研究，硬件上选用了Microchip的PIC单片机，最大的优点是引脚少、功能强、可直接驱动LED负载;具有低功耗工作方式，外围配置简单提高了整机的可靠性;并且具有较强的抗干扰性，极大地调高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力。系统具有电路简单、可靠性高、抗干扰能力强等优势。
2.模糊控制理论介绍
2.1 模糊理論简介
模糊系统理论是由美国自动控制理论专家L.A.Zadeh于1965年创立的。[1]随着模糊控制系统在工业界得成功应用，越来越多的学者都对模糊系统及其理论进行了广泛的研究和应用，使其在各个领域取得了迅速的发展。如今，因其简单而有效地控制功能，模糊控制（Fuzzy Control）已经得到了广泛应。由于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种体系理论方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确数学模型系统的控制问题，所以它是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性的一种有效方法。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制策略。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也是只能控制的重要组成部分。一般说来，模糊器有三个主要的功能模块。将变量的实际变化范围化分成若干等级，这些等级的全体成为变量的论域。
2.2 模糊化[2]
事实上，模糊化是将模糊控制器输入量的确定值转换为相应的模糊语言变量值的过程，而模糊语言变量值是一个模糊集合，所以模糊化方法应给出从精确量到模糊集合的转变方法。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，即输入变量个数越多，控制越精细。但维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法实现相当困难。[3]所以选择温度的偏差E，和偏差变化率EC作为模糊器的输入，输出变量为控制量U即温度控制量，温度控制量越大，温度就上升得越快。
模糊控制器的确定量输入必须经过模糊化接口进行模糊化，这样转化成模糊矢量，模糊化等级是可以设定。例如将[a，b]之间的连续量x可以经过变化后就可转化成模糊化等级，若连续变量x的值在[a，b]之间，可以由公式：
就变为连续的变量y，且y的取值范围在[-m/2，m/2]之间，输入输出变量的状态划分为“正大、正中、正小、零、负小、负中、负大”七个档次来描述，分别用英文字母PL，PM，PS，NO，PO，NS，NM，NL表示之。
温度设定值的范围定为15℃到28℃，定义温度偏差E的论域为[-20，20]，温度偏差变化率EC的论域为[-4，4]，风门电机的输出量U的论域为[0%，100%]（0%表示最大制冷，100%表示最大采暖）。对E，EC和U的模糊状态E，EC和U的整数论域分别定义如下：E和EC的论域为：{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}U的论域为：{-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5}。因此，量化因子Ke=4/20=0.2，Kc=4/4=l，Ku=l/10=0.1。E和EC的模糊集均为：{NB，NS，ZE，PS，PB};U的模糊集为：{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}。
隶属度函数的建立有一定的原则，模糊控制过程对于语言变量值的隶属度函数形状并不敏感，只是对隶属度数的范围有一定的敏感，所以在控制中选用三角形或梯形的隶属函数是较为合适的，有利于计算隶属度。经过分析本设计输入和输出的隶属度均采用三角函数。
经过以上的分析，通过MATLAB对其进行仿真后得到模糊控制输出曲面如图1，由图可以看出，其输出比较平滑，不会带被控制量发生太大的变化从而导致温度的大起大落。
图1 模糊控制输出曲面
2.3 模糊控制推理及控制规则
模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，手动控制过程一般是通过对被控对象的一些观测，操作者再根据己有的经验和技术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使系统达到预期的目标。可以采用微机完成这个任务，从而代替人的手动控制，实现所谓的模糊自动控制。采用IF A and B then C为模糊控制规则，其中A为温差E的模糊子集，B为温差变化率EC的模糊子集，C为温度控制增量U的模糊子集。根据温度变化的参数特点和现场实际操作经验及专家的知识理论总结出模糊控制规则表例如：
IF E=NB and EC=NB then U=NB，IF E=NB and EC=NS then U=NM
……
2.4 精确化
模糊控制器的推理结果是模糊量，由于模糊量是一个模糊子集，而实际被控对象所需的控制信号是精确值，所以模糊控制器的推理输出是不能直接用作实际控制的，为了从推理结果中取得用于控制的精确量，需要对模糊推理结果进行一定的处理。
因为论域为离散的，模糊控制规则集可以表示为一个模糊矩阵R[4]：
由模糊器输入模糊矢量E/和EC/以及模糊矩阵R可求出输出模糊矢量U/：
根据重心法原则：
对输出模糊量进行判决，式中是的隶属度。在实际控制u/中往往要乘上比例因子Ku以后去控制输出即u=k×u/。利用以上原理计算得到的控制表。[5]
图2 硬件电路设计图
图3 系统软件设计图
3.硬件设计
控制器选用Microchip公司推出的8位单片机PIC16F877A，PIC系列单片机采用哈佛总线结构，彻底将芯片内部的数据总线和指令总线分开，大大提高了CPU的执行指令速度和工作效率;其采用高性能的RISC CPU核心;优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令，采用控制逻辑为主的设计理念。采用更为简单的寻址方式，功耗低，驱动能力强，采用了低功耗、高速CMOS Flash/EEPROM技术;支持中断处理;引脚可吸入或提供电流高达25mA;三个定时计数器可供使用;2个集捕捉、比较、脉宽调制功能于一身的CCP模块等强大功能。[6]硬件结构设计如图2所示。温度传感器采用数字传感器DS18B20，独特的单线結构，不需外部元件，不需备份电源，测量范围广，9位数字值方式读取温度，克服了模拟式传感器与微机接口需要的A/D转换电路及其复杂的外围电路使得外围测控电路特别简单，成本低、体积小、可靠性高。驱动器采用TB6560HQ驱动芯片制成的驱动器，可以直接输入PWM形式的脉冲，具有正转、反转和停止功能，通过软件控制运作形式即可控制电动机功能。
4.软件设计
软件部分主要设计了模糊控制部分。主要有系统温度采集、模糊化、查表、精确化四部分。软件部分首先判断温差是否在模糊控制的范围之内，如果大于最大的，就令其为最大的，相反如果小于最小的就令其为最小的;其次判断温差变化率，温差变化率的判断和温差是相同的。判断完成后，进入查表，查表后输出模糊控制量，对控制量进行存储。
5.结语
本文对模糊理论在温度控制系统进行详细介绍，对控制系统的硬件和软件部分分别作了设计，具有较高的控制精度，控制系统工作稳定。
参考文献
[1]余永权，曾碧.单片机模糊逻辑控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995：146-174.
[2]章正斌.模糊控制[M].重庆：重庆大学出版社，1995.
[3]窦振中.模糊逻辑控制技术及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995：99-105.
[4]李友善，李军.模糊控制理论及其在过程控制中的应用[M].北京：国防工业出版社，1993：80-95.
[5]刘克.汽车空调系统中温度和气流调节的控制[J].机电技术，2007，2.
[6]张明，刘岑俐.基于PIC单片机和DS18B20的温度测量系统设计[J].电子测试，2010（04）：54-57.
