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
3 z3 l! V$ E6 {0 M6 s8 _% L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
& j9 ]2 {! P% [  J值。
关键词:模糊控制;单片机;开关控制;温度控制;太阳能热水器
太阳能热水器冬天及阴天使用，需要电辅加热，
0 g2 h1 q' s9 }% x8 f0 T传统的开关控制或PID控制效果并不好。模糊控制比
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' \) d- X  A1 m, X+ {# z家用电器常用的控制器件,把二者结合起来，可使控.
& J8 R+ d1 f1 O) W; H) b制器的性能指标达到最优的目的。基于模糊控制技术
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
* V# |8 g8 _; ^: _温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优.
$ V$ i, @+ I# g6 q2 f( e点。
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
模仿人的思维方法,运用不精确不确定的模糊信息来
: _8 J) f  T/ A2 {9 p0 D决策实现成功的控制。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
6 c# ]$ K; D) E# G) r4 _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
断,实现升温并使温度恒定。
# z: c1 }- F+ D7 K& _4 `3 [5 b模糊逻辑控制器的工作过程分为三个阶段。第一
9 m( C/ F  B  @) H* |; O) C/ X; |阶段是“模糊化”,就是把精确的输入量转换成用模糊
6 Q8 ]# \5 n  U; C; ?集合的隶属函数,表示某一模糊变量的语言值,即模

' Y! R) V* _( y% ^. q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
; Z. q' h6 k) w' V/ Q所产生的结果“加”到一起,产生一个“模糊输出"集.
& ~8 g' a0 }1 a/ q: M! Q# F合;第三阶段是对这些模糊输出进行解模糊判决，即
* \/ Q$ T  i6 F- p) G; ~在一个输出范围内找到一一个最具有代表性的、可直接
5 h& q* T+ v$ E# G0 D' D驱动执行机构的、确切的输出控制量。
/ Q; ?' r) B1 B由于温度场具有较大的惯性,温度变化一般不可
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
OE (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
# o( f: C; J9 g. N0 A度偏差; t为前次测量得到的温度,t *为本次测量得
" w$ }7 D  ^( g: \7 C$ P. `到的温度,设定温度to不变),输出为加热器的加热量
1 y3 }7 W1 _4 H$ O4 h; r4 JU。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、
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);
% V4 I9 i4 j+ V( s# x△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(
. G& N+ H% j' @( T. X& y& FAp>0, Ao为根据实际确定的一个不大的温度偏差变化
4 j- {" J5 d- W1 [; t+ ?8 Q5 ?量阈值);电热水器电热丝加热量U分为四个模糊子
3 o6 m' X' I& B2 z1 z; o( U$ k# I集:B(大)、M(中)、S(小)、Z(零),对应于二根电热丝的四
- L( V$ a+ D! g' _$ [! C种状态的组合:电热丝1电热丝2都加热、电热丝1
加热、电热丝2加热、电热丝1电热丝2都不加热(其.
! m9 |& a8 S$ ?- O" k+ b" W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
  i7 o8 G9 j1 W1 l4 k+ p( b


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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