基于单片机的模糊控制器的设计

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摘要:对模糊控制规则进行整合,以温度偏差及其变化量为输入、加热量为输出通过模糊控制算法就可达到水温自动调节
的目的。将偏差及偏差的变化量经过数字化处理后相加,得到了和与控制输出量的关系,这样的算法简化了模糊推理及单
片机程序设计。温度传感器及有关电路将温度转化为电脉冲的脉宽,单片机将测得的脉冲宽度的值转化为与之对应的温度
值。
0 I9 Y9 c, W% ~$ v, }  P, K; A关键词:模糊控制;单片机;开关控制;温度控制;太阳能热水器
! L; `' c! [+ n太阳能热水器冬天及阴天使用，需要电辅加热，
传统的开关控制或PID控制效果并不好。模糊控制比
8 Z5 F- C; d, c. N; B传统的PID等控制方法在强时变、大时滞、非线性系.
统中的控制效果有着明显的优势。将模糊控制技术应
用的于家电产品在国外已是很普遍的现象,单片机是
' O' [9 ]/ X+ Z9 r* V9 c家用电器常用的控制器件,把二者结合起来，可使控.
$ q4 D# B9 v& B1 n5 L制器的性能指标达到最优的目的。基于模糊控制技术
0 I% H, r0 o( P的单片机控制的太阳能热水器是对电热水器传统的
开关控制的改造，具有达到设定温度的时间短、稳态
温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优.
( b8 b* d9 m7 ?4 e点。
" s+ H& r3 E  z% l% ~1模糊控制的原理
模糊逻辑控制技术作为一种新的控制技术，可以
2 P0 ~/ P+ Q* r( e; Q' \2 p模仿人的思维方法,运用不精确不确定的模糊信息来
0 A4 Q  |3 w* g+ _. S# c6 u决策实现成功的控制。用模糊逻辑实现控制,只需要
( Z5 g' K1 X$ P% c- v' U关心功能而不是系统的数学模型,研究的重点是控制
器本身而不是被控现象。所以这种系统对系统参数变
化不敏感,具有很强的鲁棒性,适用于对不同对象的
控制。本系统的模糊逻辑控制是调整控制加热丝的通
( v! b0 u" t' i6 s3 {0 Q  t3 [断,实现升温并使温度恒定。
模糊逻辑控制器的工作过程分为三个阶段。第一
阶段是“模糊化”,就是把精确的输入量转换成用模糊
集合的隶属函数,表示某一模糊变量的语言值,即模
7 A, E5 i/ P6 t, `& l. _
糊输入;第二阶段是“模糊推理”，即把模糊输入加到
一个“IF-THEN"控制规则库中,并把激活的各个规则
所产生的结果“加”到一起,产生一个“模糊输出"集.
+ F/ d# T2 _# C/ J4 E* R! L合;第三阶段是对这些模糊输出进行解模糊判决，即
在一个输出范围内找到一一个最具有代表性的、可直接
驱动执行机构的、确切的输出控制量。
0 I" [+ q1 A' V/ r! d$ D由于温度场具有较大的惯性,温度变化一般不可
$ H" X* E7 {* z: k, z8 M: m能很快,温度采样时间间隔为5s。模糊控制器的输入
为设定温度与实际测得温度的偏差E (E=to-t ;t为设
定的温度,t为实际测得的温度。), 以及偏差的变化量
3 Y8 V) }4 f7 q$ H2 G7 UOE (OE =E*-E前=(o-t)本<(to-t )前=t前-t本,其中E前
为前次测量得到的温度偏差,E*本为本次测量得到的温
度偏差; t为前次测量得到的温度,t *为本次测量得
4 j5 J0 k2 c% {6 p* C到的温度,设定温度to不变),输出为加热器的加热量
U。根据实际情况将E分为四个模糊子集:B (大)、M .
(中)、S (小)、N (负),对应温度的偏差为:to-t>TM.C、
! b! N2 j( X1 r+ `TM2C<to t<TMC、0C<b-t<TM2C、to-t<0C(TM >TM2>
0;TM、TM2为根据实际确定的两个温度偏差的阈值);
7 b* ]$ u( B3 _; a2 }8 S△E分为三个模糊子集: P(正)、Z(零)、N(负),对应的偏
差变化量为:t前-t*>Ao、-Ao<t前-t本<Ao、t 前-t本<-Ad(
Ap>0, Ao为根据实际确定的一个不大的温度偏差变化
3 y+ ?% R4 c6 N6 D, p, ], M量阈值);电热水器电热丝加热量U分为四个模糊子
1 t! U  [( X2 f( S集:B(大)、M(中)、S(小)、Z(零),对应于二根电热丝的四
' F' b$ l7 Z9 V1 Y种状态的组合:电热丝1电热丝2都加热、电热丝1
! c3 A2 ^6 X2 B, Y5 k( j加热、电热丝2加热、电热丝1电热丝2都不加热(其.
( z1 A% u# i; s. ^中电热丝1的功率大于电热丝2的功率)。E及△E对
应的模糊子集如图2所示。由于，只是为实现简单的
( X  E' e; r- ~9 N0 k. N

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用模糊逻辑实现控制,只需要关心功能而不是系统的数学模型,研究的重点是控制器本身而不是被控现象