即热式电热水器模糊温度控制器的研制.txt

智能家用电热水器控制器设计参考资料~~！！

势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期
修正信号，抑制误差的变化趋势，增大微分控制作用可以加快系统响应，使系统
超调减小，增强系统稳定性。它的缺点是对干扰同样敏感，使系统抑制干扰的能
力降低。
3.1.2数字HD控制算法
在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PDI控制算法通常又
分为位置式PID控制算法和增量式PDI控制算怯
1.位置式PID控制算法
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控
制量，因此式(3一1)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。
按模拟PID控制算法的算式(3一)l，现以一系列的采样时刻点Tk代表连续时间t，
以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换:
t臼kT(k=0，1，2…)浙江工业大学工程硕士学位论文
k艺间T工。(‘)dt二犷k艺。(j’T)=J=O
，
些丝二e(kJt一妙世T]=e(k)一“(k一l)dtTT
式中T=采样时间
显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，
为书写方便，将e(Tk)简化表示成e(k)等，即省去
规律可得离散的PID表达式为:
(3一3)
才能保证有足够的精度。
T。将上式带入PID控制
·(‘，一，{·(‘)(3一4)、月杖盯」‘、产曰.1一k了t召一、、户，尤了砚、r份‘几一T十、、户犷了廿了.、召，一﹄U.史︸﹄2.二，‘，少T一兀十
或u(k)一K，e(k)+凡艺e(了)+K。〔e(k)一e(k一，)](3一5)
J二0
式中k一采样序号，可=O，1，..2·;
u(k)一第k次采样时刻的计算机输出值;
e你)一第k次采样时刻输入的偏差值;
e你一)l一第k(一)l次采样时刻输入的偏差值:
K了一积分系数，凡=KpT/兀;
K。一微分系数，K。==Kp几/T·
式(3一4)、(3一5)即为位置式PID控制算法。
这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计
算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的U(k)
对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，U(k)的大幅度变化，会引
起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场
合，还可能造成重大的生产事故。因而，产生了增量式PDI控制算法。
2.增量式PID控制算法
当执行机构需要的是控制量的增量时，可由式(3一5)导出增量式PDI控制
算式。根据递推原理可得
k一l
u(k一l)一K，e(k一l)+K，艺e(了)+K。[e(k一l)一e(k一2)](3一6)
j=O
用式(3一5)减去(3一6)，可得
△u(k)=K，[e(k)一e(k一l)]+K，e(k)+K。[e(k)一Ze(k一l)+e(k一2)]浙江工业大学工程硕士学位论文
=K，△e(k)+K，e(k)+K。[△e(k)一△e(k一1)](3一7)
式中△e(k)=e(k)一e(k一l)
可以将式(3一7)进一步改写为
△u(k)=Ae(k)一Be(k一l)+Ce(k一2)(3一8)
式中A=K，(l十TTn、—十任于)界T’
。一尤、(一十2互、
T
C二Kp几/T
它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数
可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了KP，
Kl，KD，只要使用前后三次侧量值的偏差，即可由式(3一7)和式(3一8)求出
控制增量。增量式控制，虽然只是算法上作了一点改进，却带来不少优点:
()l由于计算机输出增量，所以误动作是影响小，必要时可用逻辑判断的方
法去掉。
(2)手动咱动切换时仲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故
障时，由子输出通道或执行装置具有信号的锁存功能，故仍能保持原值。
(3)算式中不需要累加。控制增量么u(k)的确定仅与最近k次的采样值有
关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。
但增量式也有其不足之处:积分截断效应大，有静态误差;溢出的影响大。因
此在选择时，不可一概而论。一般说来，以晶闸管作为执行器或在控制精度要求
较高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电机或电动阀门作为执行器的
系统中，则可采用增量式控制算法【’2][’31[’4]。浙江工业大学工程硕士学位论文
3.2模糊控制系统原理
.32.1模糊控制系统的概述
模糊数学和模糊控制的概念由美国加利福尼亚大学著名教授(L.AZadeh)
札德在他的((FuzzySets))、(FuzzyAlgorit知m)和《ARetionnaleofrFu卿Conrtol》
等名论著中首先提出。由于人的思维是极其粗俗的，语言的表达是暖昧的，他的
逻辑是定性的，不可避免的容纳着许多的矛盾，因此“模糊概念”更适合于人们
的观察、思维、理解与决策，这也更适合于客观现象和事物的模糊性。例如:水
流Y太大，马上减小水阀的开启度U。这里水流太大的现象本身是一个模糊量，
因而阀开启度减小也是一个模糊决策。
1974年英国伦敦大学的教授马丹尼(Por.fMmad耐)首先把模糊集理论用于
锅炉和蒸汽机的控制，效果良好。这一开拓性的工作标志着模糊控制工程的诞生。
随后在英国、丹麦、荷兰等国先后对热交换过程、烧结工厂原料混合渗透率以及
压力容器等进行了模糊控制，也都取得了良好的效果。
进入了80年代，模糊控制的应用在世界全面兴起，“模糊控制工程的时代正
在到来”(日本((钻石))周刊)。在美国，有的学者认为:“模糊逻辑”将是“下
一代工厂自动化系统的基础”。模糊控制之所以一经产主就得到了高速的发展，是
因为它具有以下的特点:
1.在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型。模糊控制是利用直接对被
控过程参数现状及其发展趋势观测和判断所产生的定性感觉，夹构成控制算法。
因此，模糊控制器的基本出发点便是对现场操作人员或者有关专家的经验、知识
以及操作数据加以总结和归纳，形成一定的规则参与控制过程。
2.适应性强。经研究结果表明，对于确定的过程对象，用模糊控制与PID控
制的效果相当;但是对于非线性和时变等一类不确定系统，模糊控制却有较好的
控制作用，同时对于非线性、噪声和纯滞后有较强的抑制能力，在这方面传统控
制往往显得无能为力。
3.系统的鲁棒性较强，对参数变化不敏感。由于模糊控制采用的采用的不是浙江工业大学工程硕士学位论文
二值逻辑，而是一种连续多值逻辑，所以当系统参数变化时，能比较容易实现稳
定的控制，尤其是适合于非线性、时变、滞后系统的控制。
4.系统的规则和参数整定方便。只要通过对现场的工业控制进行定性的分析，
就能比较好的建立语言变量的控制规则和系统的控制参数，而且参数的适用范围
较广。
5.结构简单。系统的软硬件实现都比较方便。硬件结构一般无特殊要求，在
软件方面其算法也比较简捷。对于基本模糊控制在实际运行时只需进行简单的查
表运算，其它的过程可离线进行。因此这种控制方法很容易被现场工程人员和操
作者所掌握。
但是模糊控制无论在理论上还是在实用上都是一门年轻的科学，正处于不
断发展和完善中不象经典调节理论和近代控制理论己形成了较完善的理论体系。
模糊控制虽有其独特的优点，但并不能取代传统的控制方法。而是作为后者的补
充和改进。现在已经有人把两者结合起来，构成了一种新型的调节器。目前，比
较有代表性的理论包括:控制规则可调整的模糊控制器(龙升照1982)复合Fuzzy
一PID控制器(涂象初汪培庄1985)、三维模糊控制(李士勇1989)、SMITH一FUZZY
控制(李士勇1989)、自适应模糊控制(罗安1986)自组织模糊控制
(x.J.PRoeYK，E.H.MAMoANI1979)。这种取长补短的思路是值得学习的，同时也
说明模糊控制的前景十分广阔。
.32.2模糊控制系统的组成
模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识
表示和模糊逻辑的规则推理为基础;采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通
道的闭环结构的数字控制系统。因此，模糊控制系统的组成具有常规计算机控制
系统的结构形式，如图3一2所示。由图可知，模糊控制系统通常由模糊控制器、
输入/输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等五个部分组成。模糊控制系
统组成框图如图3一2所示。浙江工业大学工程硕士学位论文
r(t)
一冬~
过过程程程精精精模糊控制器器器过程程程执执执被控控
输输入入入确确确确确输出出出行行行对象象
通通道道道姿趋趋趋趋趋通道道道机机机机
构构构构构构构构构构构构构
检检测装置置
图3一2模糊控制系统组成框图
1.被控对象:被控对象是一种设备或装置或是若干个装置或设备组成的群体，
他们在一定的约束下工作以实现人们的某种目的。这些被控对象可以是模糊的、
单变量或多变量的、有滞后或无滞后的，也可以是线性的或非线性的、定常的或
时变的，以及具有强祸合和干扰等多种情况。对于那些难以建立数学模型的复杂
对象，更适合采用模糊控制。
2
.
执行机构;执行机构是模糊控制向被控对象赖以施加控制作用的装置，如
工业控制中应用最普遍最典型的各种调节阀。执行机构实现的控制作用常常表现
为使角度、位置发生变化，因此它往往是由伺服电动机、步进电动机、气动调节
阀、液压阀等加上驱动装置组成。
3.模糊控制器:是各类控制系统中的核心部分。在模糊控制系统中，采用基
于模糊知识表示和规则推理的“语言型”模糊控制器。这也是模糊控制系统区别
于其他控制系统的特点所在。
4.输入输出接口:在实际系统中，由于多数被控对象的控制量及其可观测状
态量是模拟量。因此模糊控制系统与其它全数字控制系统一样，必须具有模/数、
数/模转换单元，不同的只是在模糊控制系统中，还应有适用于模糊逻辑处理的
“模糊化”与“解模糊化”环节。
5.检测装置:它是将被控对象的各种非电量，如流量、温度、压力、速度、
浓度等转换为电信号的一类装置。它在模糊控制系统中占有十分重要的位置，其
精度往往影响整个系统的性能指标，因此要求其精度高、可靠且稳定性好。
在模糊控制系统中，为了提高控制精度，要及时观测被控制量的变化特性及
其与期望值之间的偏差，以便及时调整控制规则和控制量的输出值，因此，往往
将测量装置的观测值反馈到系统输入端，并与给定输入量相比较，构成具有反馈
通道的闭环结构形式。浙江工业大学工程硕士学位论文
3.2.3模糊控制器的组成及原理
1.模糊控制器的组成
模糊控制器的组成如图3一3所示。它包括有:输入量模糊化接口、数据库、
规则库、推理机和输出解模糊接口。
知识库
匣巫〕巨画}
输色日模糊化接口推理机解模糊接口卜臀
图3一3模糊控制器组成
2.模糊控制器的原理
一、模糊化接口
模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制输出的求解，因此，它
实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实的精确量输入转换成一
个模糊矢量。它的过程可简单的分成两部分:模糊语言变量的确定及确定语言值
的隶属函数。
在实际系统中，对观察量的测量要做到十分精确是困难的。它通常包括种种
噪声，如传感器、指示仪表、环境温度干扰等，用模糊量比精确量表示更为合理，
它能表示的信息量也更大，而且随着模糊化等级的总数增多和隶属函数的确切描
述，模糊量同样能反映相应的精确量与其特征、但模糊化等级数不宜分得过细、
过密，否则它不仅会失去某些信息。体现不出模糊量的长处，而且会大大增加运
算与推理过程的工作量，使之计算机实现更为困难。
)l
·
模糊语言变量的确定
根据模糊语言的定义，它由语法规则、语言值、语意规则(也称句法规则)
和论域等几部分组成。因此模糊语言变量的确定，包含了根据语法规则生成了
适当的模糊语言值，根据语意规则所确定语言值的隶属函数以及确定语言变量
的论域等。在确定模糊变量时首先要确定其基本语言值，例如:在确定液位高
度时，先要给出三个基本语言值:“高”、“中”、“低”然后根据需要，生成若干浙江工业大学工程硕士学位论文
个语言子值，如:“很高”、“较高”或“较低”、“很低”等。一般说来，一个语
言变量的语言值越多，对事物的描述就越准确，可能得到的控制效果就越好。
因此，应根据具体情况而定。通常情况下，象误差和误差变化等语言变量的语
言值一般取
e={负大、负中、负小、零、正小