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[導讀]針對模糊變量隸屬度函數(shù)難以確定,描述信息包含不夠準確、全面這一問題,利用Vague集理論知識,設計一種新型的溫度模糊控制器。控制器對溫度的控制根據(jù)溫差設置為12級控制模式,利用Vague集的相似度量推理方法,匹配最佳控制模式??刂破鬏敵龅目刂屏繛閿?shù)字量。實驗結(jié)果表明,整個系統(tǒng)設計過程簡單,模糊隸屬度區(qū)間值容易確定,控制過程效果較好,有很好的應用價值。

引 言
    溫度控制在工業(yè)應用領域占有重要的地位,對溫度控制的技術(shù)水平高低直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量?,F(xiàn)在對溫度控制的技術(shù)方法多種多樣,有PID控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)等。這些控制技術(shù)在實際應用中都表現(xiàn)出各自的技術(shù)優(yōu)勢,顯示出對溫度控制的超凡能力。模糊控制相比傳統(tǒng)PID等控制方法,在強時變、大時滯、非線性系統(tǒng)中控制效果有著明顯優(yōu)勢。然而模糊控制對隸屬函數(shù)的選擇具有一定的難度,不易確定。自從1993年Gau和Buehrer提出了Vague集理論(Fuzzy集理論的擴展和推廣),便在模式識別、人工智能、故障診斷等領域迅速得到應用,并且取得顯著成果。Vague集用一個真隸屬度和一個假隸屬度表示,這比Fuzzy集描述的信息容量要更大些。將Vague集理論應用于溫度控制,隸屬函數(shù)值是一個區(qū)間值范圍,比Fuzzy集理論的隸屬函數(shù)更易于確定。Vague集理論的模糊推理精度比Fuzzy集理論要精確得多。本文將Vague集理論應用于溫度控制器設計中,發(fā)揮Vague集理論的優(yōu)點,以簡化溫度控制器的設計過程。選用AT89S51單片機作為核心部件,DSl8B20數(shù)字溫度傳感器作為溫度檢測器,單片機的軟件算法以Vague集理論的模糊推理方法構(gòu)造實現(xiàn),設計一種新型的溫度控制器,并給出實驗結(jié)果。

1 Vague集理論知識
    定義1  設論域U={u1,u2,u3,…,un},其中元素ui(i=1,2,3,…,n)為討論對象。U上一Vague集A由真隸屬度tA和假隸屬度fA所描述。其中tA(ui)是由支持ui的證

    (ui)]/ui表示Vague集B中ui的隸屬度值,則Vague集A和B的相似程度可由函數(shù)T進行計算:


    T(A,B)∈[0,1],該值越大,說明Vague集A和B越相似。
    Vague集在模式識別中,使用相似度來判別,設P1,P2,P3,…,Pn是n個Vague集,它們分別代表著n個模式。有一個待測樣本B,其特征使用Vague集描述,要確定B對應屬于哪一個Pi(i=1,2,3,…,n)模式,分別計算T(B,Pi),選取max{T(B,Pi)},則樣本B屬于對應的模式。

2 基于Vague集的控制器
2.1 溫度檢測值的Vague值化

    使用Vague集理論設計溫度控制器,關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是將測量的溫度精確量進行Vague值化,再利用這個Vague值和設定好的控制模式進行相似性度量,尋找匹配控制模式,選擇最佳輸出量以控制溫度的恒定。
    設溫度檢測點U為論域,U={u1,u2,u3,…,un},n為溫度傳感器的個數(shù)。A是論域上的一個Vague集表示檢測溫度與恒定溫度的距離程度,那么A的真隸屬度和假隸屬度可由以下函數(shù)表示:


式中:a為恒定溫度值;m為調(diào)節(jié)參數(shù),用于控制系統(tǒng)在溫度偏差較大時的輸出量,以縮短系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)的時間,取值為1~4倍的恒定溫度值。
    為了討論和計算方便,文中只討論一個溫度檢測點,即只使用一個溫度傳感器檢測溫度。當使用2個或更多溫度傳感器時,將涉及模糊矩陣運算,計算量偏大,控制器的軟件設計也將變得復雜。因此Vague集A為:

   
2.2 控制器的控制模式Vague值數(shù)據(jù)
   
根據(jù)溫度偏差按從大到小設置12級控制模式,具體如表1所列。

    表中的數(shù)據(jù)為一個檢測點時,利用式(4)和(5),調(diào)節(jié)量m設定為100時,預先計算所得。如果是多個檢測點,那么Vague集特征值將使用矩陣描述??刂颇J郊墧?shù)可以任意設置,級數(shù)越大,控制效果在精度、穩(wěn)定性上越好。輸出量為數(shù)字量,并且是清晰量,用于控制外圍的數(shù)字化電路,實現(xiàn)控制對象的升溫或降溫。因此,此種方法設計的溫度控制電路無需模糊判決,結(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)方便。


3 控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.1 硬件設計
   
整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)字溫度傳感器DSl8820檢測溫度變化,把溫度的數(shù)字量輸送到單片機中。單片機執(zhí)行計算和進行最佳控制模式匹配,從數(shù)據(jù)存儲中尋找最佳輸出量。當檢測到的溫度和預設定的溫度差值為正時,輸出升溫量;為負時輸出降溫量,使系統(tǒng)維持在恒定溫度當中。整個系統(tǒng)的功能包括:數(shù)據(jù)存儲、按鍵電路、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸入、控溫電路。
    (1)數(shù)據(jù)存儲
    存儲電路是用來存儲溫控系統(tǒng)進行工作的溫度和時間,以及Vague集控制模式數(shù)據(jù)。發(fā)生掉電時能及時保存數(shù)據(jù),下次重啟時可繼續(xù)使用原有數(shù)據(jù)。使用EEFROM芯片作為存儲器。
    (2)按鍵電路
    按鍵電路設置4個按鍵,分別是設置鍵、確定鍵、數(shù)據(jù)加和數(shù)據(jù)減鍵,主要是用來設置和修改控制的溫度值。
    (3)數(shù)據(jù)顯示
    使用Ampire 128×64液晶顯示器件作為控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示器。它可以顯示中文信息,方便系統(tǒng)的操作。Ampire 128×64和51系列單片機的連接很簡單,不需要其他的驅(qū)動元件。
    (4)數(shù)據(jù)輸入
    溫度值檢測由數(shù)字溫度傳感器DSl8820獲取,所得數(shù)據(jù)為數(shù)字量,不需要轉(zhuǎn)換電路。DSl8820的數(shù)據(jù)可以直接輸入單片機中,兩者直接相連,電路極其簡單。
    (5)控溫電路
    升溫和降溫構(gòu)成了控溫電路。升溫,可以利用加熱電阻或加熱絲實現(xiàn),加熱的變化量可根據(jù)控制模式的輸出數(shù)字量,利用可控硅或其他電路控制加熱功率,使對應溫差較大時,能夠大幅度加熱,而溫差較小、或接近恒定溫度時微調(diào)升溫。降溫,可以利用風扇或制冷片,改變了自然降溫的方式。降溫變化量的控制電路和升溫變化量控制電路相同。
3.2 軟件程序設計
    單片機軟件程序流程如圖2所示。當AT89S51單片機上電后,首先執(zhí)行本身的初始化處理程序以及接口電路的參數(shù)設定,然后進行按鍵掃描。如果有鍵值出現(xiàn),則執(zhí)行鍵值處理,完成控制溫度設定;如果沒有鍵值處理,則執(zhí)行溫度檢測。數(shù)字溫度傳感器DSl8820為串行輸出溫度值,分為9位、10位、11位和12位,不同位對溫度的分辨精度不同。12位的分辨精度為O.062 5,可實現(xiàn)高精度溫度檢測。本文選擇12位,其轉(zhuǎn)換時間最長為750 ms。程序每隔800ms給DSl8B20發(fā)指令讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設定的溫度控制數(shù)據(jù)和當前檢測的溫度值,由Ampire 128×64液晶顯示器件顯示;接著將檢測所得的溫度值進行Vague值化,并分別和表1中每一種模式的Vague值計算Vague集相似度,尋找匹配最佳控制模式。把單片機的P3端口分為2個4位數(shù)字量輸出端口,輸出控制量以驅(qū)動控溫電路執(zhí)行相應的升溫或降溫動作。

4 實驗測量結(jié)果
    使用加熱電阻作為控制對象,在實驗室環(huán)境下多次測量表明:測量范圍為25~100℃,控制器控制精度在±O.1℃左右。在溫差較大時(10℃以上)升溫動作速度快,無超調(diào)量,穩(wěn)態(tài)誤差小。圖3為控制器在200 s內(nèi)從室溫25℃開始作4次溫度調(diào)整的過程中,監(jiān)控軟件實時檢測到的溫度變化曲線。這4次溫度變化分別為90℃、50℃、90℃、40℃。

結(jié) 語
    利用Vague集理論設計溫度控制器,系統(tǒng)設計過程簡單。設計系統(tǒng)在穩(wěn)定性、超調(diào)量、魯棒性、穩(wěn)態(tài)誤差、控制精度等方面都有較為理想的控制效果,比其他控制技術(shù)實現(xiàn)的溫度控制器要有優(yōu)越性。Vague集理論在溫度控制中的應用是一種新的嘗試,有很大的研究和應用空間。

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