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溫度控制在工業應用領域占有重要的地位，對溫度控制的技術水平高低直接影響到產品的質量。現在對溫度控制的技術方法多種多樣，有PID控制技術、模糊控制技術等。這些控制技術在實際應用中都表現出各自的技術優勢，顯示出對溫度控制的超凡能力。模糊控制相比傳統PID等控制方法，在強時變、大時滯、非線性系統中控制效果有著明顯優勢。然而模糊控制對隸屬函數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，隸屬函數值是一個區間值范圍，比Fuzzy集理論的隸屬函數更易于確定。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，發揮Vague集理論的優點，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造實現，設計一種新型的溫度控制器，并給出實驗結果。 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，關鍵的環節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。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表示： 式中：a為恒定溫度值；m為調節參數，用于控制系統在溫度偏差較大時的輸出量，以縮短系統進入穩態的時間，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值數據 根據溫度偏差按從大到小設置12級控制模式，具體如表1所列。 表中的數據為一個檢測點時，利用式(4)和(5)，調節量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。控制模式級數可以任意設置，級數越大，控制效果在精度、穩定性上越好。輸出量為數字量，并且是清晰量，用于控制外圍的數字化電路，實現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，結構簡單，實現方便。 3 控溫系統結構 3．1 硬件設計 整個系統的硬件結構如圖1所示。數字溫度傳感器DSl8820檢測溫度變化，把溫度的數字量輸送到單片機中。單片機執行計算和進行最佳控制模式匹配，從數據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，使系統維持在恒定溫度當中。整個系統的功能包括：數據存儲、按鍵電路、數據顯示、數據輸入、控溫電路。 (1)數據存儲 存儲電路是用來存儲溫控系統進行工作的溫度和時間，以及Vague集控制模式數據。發生掉電時能及時保存數據，下次重啟時可繼續使用原有數據。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、數據加和數據減鍵，主要是用來設置和修改控制的溫度值。 (3)數據顯示 使用Ampire 128×64液晶顯示器件作為控制系統的數據顯示器。它可以顯示中文信息，方便系統的操作。Ampire 128×64和51系列單片機的連接很簡單，不需要其他的驅動元件。 (4)數據輸入 溫度值檢測由數字溫度傳感器DSl8820獲取，所得數據為數字量，不需要轉換電路。DSl8820的數據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 升溫和降溫構成了控溫電路。升溫，可以利用加熱電阻或加熱絲實現，加熱的變化量可根據控制模式的輸出數字量，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，首先執行本身的初始化處理程序以及接口電路的參數設定，然后進行按鍵掃描。如果有鍵值出現，則執行鍵值處理，完成控制溫度設定；如果沒有鍵值處理，則執行溫度檢測。數字溫度傳感器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，可實現高精度溫度檢測。本文選擇12位，其轉換時間最長為750 ms。程序每隔800ms給DSl8B20發指令讀取數據。系統設定的溫度控制數據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位數字量輸出端口，輸出控制量以驅動控溫電路執行相應的升溫或降溫動作。 4 實驗測量結果 使用加熱電阻作為控制對象，在實驗室環境下多次測量表明：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，無超調量，穩態誤差小。圖3為控制器在200 s內從室溫25℃開始作4次溫度調整的過程中，監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 語 利用Vague集理論設計溫度控制器，系統設計過程簡單。設計系統在穩定性、超調量、魯棒性、穩態誤差、控制精度等方面都有較為理想的控制效果，比其他控制技術實現的溫度控制器要有優越性。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。 |
