摘要：介紹不用于電冰箱模糊控制技術(shù)研究的測(cè)控開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)組成和軟件設(shè)計(jì)思想。該平臺(tái)對(duì)被研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)多路測(cè)度采集、顯示、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)模糊控制,并且能在線修改控制規(guī)則,以獲取電冰箱的最佳控制模型和參數(shù)。

關(guān)鍵詞：開發(fā)平臺(tái) 測(cè)控系統(tǒng) 模糊控制 單片機(jī)

當(dāng)工程師利用單片機(jī)開發(fā)家電的嵌入式微電腦模糊控制器時(shí),控制規(guī)則庫的設(shè)計(jì)一開始主要依靠專家的現(xiàn)有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以及被控制對(duì)象已有的測(cè)試數(shù)據(jù)。由此設(shè)計(jì)的控制品質(zhì)難以即時(shí)得到驗(yàn)證,只有將單片機(jī)控制器通過裝機(jī)運(yùn)行測(cè)試,才能驗(yàn)證控制模型的有效性,有時(shí)甚至要改動(dòng)單片機(jī)軟件結(jié)構(gòu)。而國(guó)外半導(dǎo)體公司推出的模糊控制開發(fā)工具(系統(tǒng))雖然在語言變量和規(guī)則的圖形編輯、離線模擬調(diào)試及目標(biāo)單片機(jī)的匯編代碼生成方面做得較好,但在實(shí)際使用時(shí)有許多不足之處、這樣,用戶在單片機(jī)選型時(shí)會(huì)受到很大局限,對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的系列開發(fā)不利。為此,作者等人研制不適用于電冰箱的模糊控制技術(shù)應(yīng)用 開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及相應(yīng)軟件包。

1 測(cè)控開發(fā)平臺(tái)的系統(tǒng)組成及基本功能

1.1 測(cè)控開發(fā)平臺(tái)的系統(tǒng)組成

開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用主-從機(jī)分布式結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用組成如圖1所示。

主機(jī)是奔騰586微機(jī),應(yīng)用軟件包由面向?qū)ο蟮腣B5程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn),運(yùn)行于Windows環(huán)境下。主要完成控制模型的語言方式輸入、對(duì)實(shí)際測(cè)量值的模糊化、模糊邏輯推理及反模糊化,再將求得的精確輸出量通過RS232標(biāo)準(zhǔn)總線與從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

從機(jī)是以意-法半導(dǎo)體公司的高性能單片機(jī)ST62E32為核心的模擬輸入測(cè)量/輸出控制單元,包括多路8bit溫度采集、4路模擬開關(guān)量輸入、6路功率控制輸出、4路低壓控制輸出及與主機(jī)的RS232通信接口,并有掉電狀態(tài)記憶功能。從機(jī)的電路原理框圖如圖2所示。

溫度感知模塊主要對(duì)冷藏室、冰溫室、菜室、冷凍室以及蒸發(fā)器、環(huán)境等位置進(jìn)行多傳感器分布,以對(duì)被測(cè)冰箱系統(tǒng)的運(yùn)行和溫度變化及分布情況做深入了解,提取能反映冰箱溫度變化的特征。傳感器采用性能穩(wěn)定可靠的高精度熱敏電阻。

開關(guān)信號(hào)檢測(cè)：檢測(cè)冷藏室、冷凍室門的開關(guān)次數(shù)/頻度;利用HT7044進(jìn)行欠壓檢測(cè)、過零檢測(cè)以及通訊狀態(tài)的檢測(cè)。

輸出控制模塊：通過UL2003驅(qū)動(dòng)器及繼電器控制壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、電磁閥、風(fēng)門等控制對(duì)象。

通訊接口模塊：由MAXIM公司的RS232接口IC MAX202E及簡(jiǎn)單的外圍阻容器件實(shí)現(xiàn)主、從機(jī)數(shù)據(jù)通訊。由于ST62E32單片機(jī)的UART的TX端口是反極性的(相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的RS232通訊協(xié)議),因此,從機(jī)的發(fā)射信號(hào)應(yīng)該進(jìn)行一次反相。

1.2 開發(fā)平臺(tái)的主要功能

①用戶通過靈活的菜單界面,定義編輯模糊控制器的前件、后件及其論域和基本的模糊控制規(guī)則集。

②主機(jī)接收從機(jī)發(fā)來的關(guān)于冰箱溫度、開關(guān)等信息,通過分析軟件得到精確的控制量后再發(fā)回從機(jī),對(duì)被測(cè)冰箱進(jìn)行實(shí)時(shí)模糊控制,并對(duì)控制效果進(jìn)行分析評(píng)估,按一定的準(zhǔn)則,自適應(yīng)調(diào)整模糊變量的語言值,以期得到最佳參數(shù)。

③用戶可以方便地用描述語言在線修改模糊子集的數(shù)量和規(guī)則庫。

④實(shí)時(shí)顯示溫度測(cè)量曲線、推理結(jié)果、評(píng)估結(jié)果以及有關(guān)的國(guó)標(biāo)測(cè)量參數(shù)(如冷凍能力、平均儲(chǔ)藏溫度等)并以文件格式存儲(chǔ)。

⑤從機(jī)既可與主機(jī)聯(lián)機(jī)通訊運(yùn)行,又可以脫離主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行控制冰箱。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件主控流程

主機(jī)的系統(tǒng)軟件主要是從從機(jī)獲取測(cè)量信息并進(jìn)行模糊邏輯推理、對(duì)從機(jī)控制以及對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,見圖3。

從機(jī)主要對(duì)冰箱的物理量進(jìn)行測(cè)量并傳遞給主機(jī),同時(shí)獲得主機(jī)的控制指令以對(duì)目標(biāo)實(shí)時(shí)控制,流程圖見圖4。

2.2 模糊控制算法的設(shè)計(jì)

主機(jī)軟件中的模糊控制模塊針對(duì)需要開發(fā)的不同類型的冰箱選用不同的控制算法,由主菜單選擇。下面以風(fēng)冷冰箱的冷藏室風(fēng)門控制為例進(jìn)行說明。當(dāng)一款新型風(fēng)冷冰箱樣機(jī)研制好后,通過平臺(tái)的主菜單選擇控制算法,以確定較佳的模糊算法,并將各種參數(shù)提供給單片機(jī)控制器。算法選擇如下：

前件選用當(dāng)前食品溫度與設(shè)定值的溫差ΔT,其語言值取為大(H)、中(M)、低(L)(即三個(gè)模糊子集);溫差ΔT的變化率為dΔT,其語言值為快(Fd)、中(Md)、慢(Sd);環(huán)境溫度為TAM,其語言值取為太高(HT)、高(H)、低(L)、太低(TL);后件是風(fēng)門開度大小,以FMKB表示,其語言值取為大(FH)、較大(FMH)、中(FM)、較小(FML)、小(FL)。各語言變量的隸屬函數(shù)主要采用梯形和三解形隸屬函數(shù)。對(duì)某一環(huán)溫下的控制規(guī)則表見表 1。

表1 風(fēng)門的模糊控制規(guī)則表

ΔT

dΔT H M L Fd FH FMH FM Md FMH FM FML Sd FM FML FL

根據(jù)環(huán)溫的變化對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行分塊平移處理。

2.3 開放式軟件接口模塊的設(shè)計(jì)

對(duì)于新的冰箱,當(dāng)需要全新的控制算法時(shí),控制設(shè)計(jì)人員可以自行設(shè)計(jì)合適的新算法,通過系統(tǒng)編譯,以函數(shù)的形式(接口傳遞參數(shù)已預(yù)定義)由主程序調(diào)用(通過主菜單選擇),從而極大地增加了平臺(tái)的控制靈活性。

2.4 性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

為了能對(duì)每次設(shè)計(jì)的控制模型的實(shí)際控制效果給出較客觀的評(píng)價(jià),引入了距離逼近函數(shù)：

T0為理想的溫度設(shè)定值,DT(i)為控制模型第i次設(shè)計(jì)后的實(shí)際控制的溫度結(jié)果與T0的差值經(jīng)過N次實(shí)驗(yàn)樣本的算術(shù)平均值,j=1,2,…N。DT(i)越小,說明控制模型的品質(zhì)越好,這也正是我們希望得到的。

作者在研制開發(fā)BCD241D電控冰箱、BCD-278F大容積直冷式變頻模糊控制電冰箱時(shí),就利用了這一開發(fā)平臺(tái),很快地獲取了較合理的模糊控制規(guī)則以及各種參數(shù),與單純地反復(fù)修改單片機(jī)匯編代碼進(jìn)行測(cè)試的方法相比,極大地縮短了開發(fā)周期。