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。
关键词:模糊控制;单片机;开关控制;温度控制;太阳能热水器
" l3 J* V, |$ h太阳能热水器冬天及阴天使用，需要电辅加热，
* L2 U1 L  R2 U# \# Q: g) E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.
7 E0 K% T# W5 |4 l8 Z# Y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
家用电器常用的控制器件,把二者结合起来，可使控.
制器的性能指标达到最优的目的。基于模糊控制技术
1 e9 f3 _/ o# b的单片机控制的太阳能热水器是对电热水器传统的
/ b  q8 B: ~% Y- R开关控制的改造，具有达到设定温度的时间短、稳态
+ R# u. V& v: ?' R温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优.
  R7 `6 M& f5 ]1 U9 e点。
. W- r! ]1 k! V4 i( R1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
  Q: N' c5 Y9 S6 y2 N2 v4 E9 m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
( {  c3 p7 Y& [  ]% y5 B器本身而不是被控现象。所以这种系统对系统参数变
& Q( h0 g/ Y! M% b化不敏感,具有很强的鲁棒性,适用于对不同对象的
* H7 ~$ s4 a0 P' j3 P) L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。
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
' E+ R3 `. f: `; X" `) ]& ?# r2 I6 z集合的隶属函数,表示某一模糊变量的语言值,即模
% e# o; b8 F7 \+ i( `
' i0 @! |6 u& F# I糊输入;第二阶段是“模糊推理”，即把模糊输入加到
0 k0 X" a5 X: r+ D! I) p. V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.
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。
$ w4 e4 n  X/ A( L- A' `由于温度场具有较大的惯性,温度变化一般不可
% q7 n! }6 m; A5 R- g能很快,温度采样时间间隔为5s。模糊控制器的输入
$ C+ M0 G$ F* M为设定温度与实际测得温度的偏差E (E=to-t ;t为设
% A6 T4 Y0 S! J定的温度,t为实际测得的温度。), 以及偏差的变化量
1 W0 R8 A& m8 ~+ D$ KOE (OE =E*-E前=(o-t)本<(to-t )前=t前-t本,其中E前
- w# }4 x! Y, s- |% @. ~; d1 ^$ I$ a为前次测量得到的温度偏差,E*本为本次测量得到的温
9 ~) t: N5 b. B* K( j度偏差; t为前次测量得到的温度,t *为本次测量得
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 .
# X: K9 J( t% d5 {(中)、S (小)、N (负),对应温度的偏差为:to-t>TM.C、
5 M2 l3 t5 J: `9 j2 _( Y0 NTM2C<to t<TMC、0C<b-t<TM2C、to-t<0C(TM >TM2>
9 x/ H9 T0 P) X4 G) ~) @) \0;TM、TM2为根据实际确定的两个温度偏差的阈值);
5 P  D. v5 u8 f0 y$ g△E分为三个模糊子集: P(正)、Z(零)、N(负),对应的偏
! F2 S. \! J7 ~/ ^  O; c0 ]差变化量为:t前-t*>Ao、-Ao<t前-t本<Ao、t 前-t本<-Ad(
* g: [; f- ^. u( `; E+ D2 EAp>0, Ao为根据实际确定的一个不大的温度偏差变化
量阈值);电热水器电热丝加热量U分为四个模糊子
集:B(大)、M(中)、S(小)、Z(零),对应于二根电热丝的四
, [  u5 l8 g9 l# O/ v; z6 L种状态的组合:电热丝1电热丝2都加热、电热丝1
2 `( Y2 x) p4 Y2 ~- o$ s& u5 H加热、电热丝2加热、电热丝1电热丝2都不加热(其.
9 n, m6 v4 G! A# y- T- a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

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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