基于單片機的動物居室溫濕度監控系統本科畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 用語言型控制規則，出發點是現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確的數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。 由工業過程的定性認識出發，比較容易建立語言控制規則，因而模糊控制對那些數學模型難以獲取，動態特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。 基于模糊的控制算法及系統設計方法，由于出發點和性能指標的不同，容易導致較大差異，但一個系統語言控制規則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優于常規控制器。 模糊控制是基于啟發性的知識及語言決策規則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統的適應能力，使之具有一定的智能水平。 模糊控制系統的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統的控制。 因此，模糊控制被廣泛的應用于工業鍋爐、煤炭生產過程、金屬冶煉 、石油化工等方面，并取得了較為理想的效果。 模糊控制的基本原理 模糊控制的基本原理可由圖 31 表示，它的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線部分所示。模糊控制器的控制規則由計算機的程序實現，微機通過采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號 (在此取誤差反饋 )。一般誤差信號作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號的精確量進行模糊化變成模糊量，誤差的模糊量可用相應地模糊語言表示。至此，就得廣西大學畢業論文 基于單片機的動物居室溫濕度監控系統 11 到了誤差的模糊語言集合的一個子集，再由該子集和模糊控制規則根據推理的合成規則做出控制決策，得到模糊控制量。為了 對被控對象施加精確的控制，還需要將模糊量轉換為精確量，這一步在圖 31 中稱為非模糊化處理 (也稱為去模糊化或清晰化處理 )。得到了精確的數字控制量后，經數模轉換，變為精確的模擬量后送給執行機構，對被控對象精確控制，然后，進行下一次信號采樣，如此循環，從而實現了被控對象的模糊控制。 計算機控制變量模糊量化處理模糊化控制規則模糊化推理決策非模糊化處理D/A轉換A / D 轉 換 檢 測 放 大 被 控 對 象 執 行 器給 定 值模 糊 控 制 器 圖 31 模糊系統原理圖 模糊控制系統的組成 模糊控制系統和常見的負反饋控制系統很相似，唯一不同之處是模糊控制裝置是由模糊控制器來實現，模糊控制器通常由下列幾個部分組成。如圖32 所示。 輸入、輸出量的規范化。輸入輸出量 的規范化是指將規范化的控制器的輸入輸出限制在規定的范圍內，以便于控制器的設計和實現。 輸入量的模糊化。模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于模糊控制器輸出的求解，模糊化的主要作用是將輸入量規范化后的確定量轉換成一個模糊矢量。 語言控制規則。模糊控制器的控制規則是基于專家知識或手動操作熟練人員長期積累的經驗，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。模糊規則通常由一系列的關系詞連接而成，如 ifthen、 or、 also、 and 等，關系詞必須經過“翻譯”，才能將模糊控制規則數值化。 廣西大學畢業論文 基于單片機的動物居室溫濕度監控系統 12 規范化模糊化規范化非模糊化模 糊 規則 推 理規 范 化輸入輸出 圖 32 模 糊系統的組成 模糊邏輯推理。模糊推理是控制器中根據輸入模糊量，由模糊控制規則完成模糊推理來求解模糊關系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考慮到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法。 輸出量的非模糊化 (解模糊化 )。模糊推理結果的獲得，表示模糊控制的規則推理功能己經完成。但是，至此所獲得的結果仍是一個模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次轉換，求得清晰的控制量出，即為解糊化。 本溫室溫濕度模糊解 耦 控制算法的實現 溫濕度模糊解 耦 器設計 采用模糊解 耦 控制實際上就是加進 一個合適的補償器，以消除 耦 合回路對主回路的影響，使各主回路能分別獨立控制，達到解 耦 控制的目的。在溫濕度 耦 合中，主回路是溫度控制回路，副回路是濕度控制回路。由于模糊解耦 器有其本身的因素，所以不可能做到而且也沒有必要做到使溫度回路和濕度回路完全獨立，實際上只需將濕度 耦 合對溫度回路產生的影響降到最低程度，使它不至于影響溫度主回路的正常調節就可以了。模糊解 耦 器如圖 33所示。 廣西大學畢業論文 基于單片機的動物居室溫濕度監控系統 13 K 1K 2模糊化模糊推理清晰化a 1a 2C tC h溫 度 偏 差e t濕 度 偏 差e h 圖 33 溫濕度模糊解 耦 算法原理圖 圖 33 中 Kl、 K2 為量化因子， al、 a2 為解 耦 補償系數， eT、 eH為溫度偏差和濕度偏差，分別等于 測量值減去設定值， cT、 cH 今為溫度回路補償量和濕度回路補償量。 模糊解 耦 器是個兩輸入兩輸出的模糊解 耦 器。解 耦 器的輸入為溫度偏差和濕度偏差。解 耦 器的輸出為對溫度回路的補償和濕度回路的補償值。在模糊控制算法中，把溫度偏差和濕度偏差的實際變化范圍叫做輸入變量的基本論域，基本論域常用區間表示，通用公式為 [x， x]。根據實際情況和實踐經驗，在本課題中，溫度偏差的量化范圍 ： 最大值 5℃，最小值 5℃，濕度偏差的量化范圍為 ： 最大值 20%，最小值 20%。與基本論域對應的是模糊集的論域，通用公式表示為 [n， n+l， ....， 0， ....， n1， n]，可以通過量化因子 (常用 K 表示 )將基本論域中的偏差轉化到模糊集的論域上。由于 n 值過大會使控制規則變得復雜，太小會使模糊處理結果粗糙而破壞控制性能，同時根據實際控制情況，將溫度偏差分為七檔 ： 負大（ NB)，負中 (NM)，負小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)。與此對應將偏差分為： [5， 4， 3，2， l， 0， l， 2， 3， 4， 5]。同樣，將濕度偏差也分為七檔 ： 負大 (NB)，負中 (NM)，負小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正 大 (PS)。與此對應將濕度偏差分為： [5， 4， 3， 2， l， 0， l， 2， 3， 4， 5]。為了簡化計算，在滿足系統控制精度的前提下，定義輸入采用三角隸屬函數 ； 根據溫室實際控制經驗的總結，其隸屬函數曲線如圖 34 所示。 廣西大學畢業論文 基于單片機的動物居室溫濕度監控系統 14 圖 34 對應 eT、 eH隸屬函數 由此可確定溫度偏差 eT、濕度偏差 eH各語言變量的隸屬度賦值如表 31所示。 量化因子 K 反映了輸入變量的基本論域元素值與模糊集的論域元素值之間的比例關系可用公式 K=n/x 表示，因此此處溫度偏差量化因子Kl=5/5=1，濕度偏差量化因子 K2=5/20=。溫度偏差和濕度偏差的量化域如表 32 所示。 表 31 溫度偏差 eT 和濕度偏差 eH隸屬度賦值表 ET/EH 變量 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 NM 1 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 0 Z 0 0 0 0 1 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 1 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 1 PB 0 0 0 0 0 0 0 1 廣西大學畢業論文 基于單片機的動物居室溫濕度監控系統 15 表 32 溫度偏差 eT 和濕度偏差 eH量化域表 eT、 eH 量化等級 eT 量化域 (單位 ： ℃ ) eH 量化域 (單位 ： %RH) 5 5??Te 20??He 4 45 ???? Te 1520 ???? He 3 34 ???? Te 1015 ???? He 2 23 ???? Te 510 ???? He 1 12 ???? Te 05 ???? He 0 11 ??? Te 50 ??? He 1 21 ?? Te 105 ?? He 2 32 ?? Te 1510 ?? He 3 43 ?? Te 20xx ?? He 4 54 ?? Te 2520 ?? He 5 Te?5 He?20 將對溫度回路補償量分為七檔 ： 負大 (NB)，負中 (NM)，負小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)。濕度回路補償量也分為七檔。與此對應將補償量分為 (補償系數 al、 a2 都取 2)： [5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4，5]。定義輸出也采用三角隸屬函數；參照實際控制經驗，其隸屬函數曲線如圖 35 所示。 廣西大學畢業論文 基于單片機的動物居室溫濕度監控系統 16 圖 35 cT、 cH隸屬函數 溫度補償量 cT、濕度補償量 cH 各語言變量的隸屬度賦值如表 33 所示。 表 33 隸屬度賦值 cT/cH 變量 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 NM 1 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 0 Z 0 0 0 0 1 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 1 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 1 PB 0 0 0 0 0 0 0 1 表 34 溫度補償 cT 模糊規則表 ET EH NB NM NS Z PS PM PB NB PS PS Z NS NB NB NB NM PM PS PS Z NM NM NM NS PB PM PS Z NS NM NM Z Z Z PM Z PM M PB PS NS Z Z Z PS PM PB PM NM NS Z Z PS PS PM PB NB NM NS Z Z PS PS 在這里對溫度回路補償量、濕度回路補償量所分七檔：負大 (NB)，負中(NM)，負小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)作以說明。正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)表示補，就是加大控制量；零 (Z)表示不補；負大 (NB)，廣西大學畢業論文 基于單片機的動物居室溫濕度監控系統 17 負中 (NM)，負小 (NS)表示減，就是減小控制量。 根據實際經驗得出解耦溫度補償 cT 規則表如表 34 所示，解耦濕度 cH補償規則表如表 35 所示。 表 35 濕度補償 cH模糊規則表 ET EH NB NM NS Z PS PM PB NB PB PS PS Z NS NM NB NM PB PS PS Z NS NM NB NS PM PS Z Z NS NM NB Z PM PS Z Z NS NM NB PS PS PS Z Z NS NM NB PM PS PM Z Z NS NM NM PB PS PM Z Z NS NM NB 從 表 34 和表 35 中取一條規則來分析，例如 ： 如果 eT = NB AND eH = NS，那么 cT = PB AND cH = PM；從此條規則可以看出當溫度偏差為負大且濕度偏差為負小，那么溫度補償量 大補 ， 進行 補償，而濕度補償量為中 補。 即當溫室溫度比設定值小很 多 為負大， 同時溫室內濕度有點低為負小，因為溫度太低，所以要全力使 溫度上來，不必考慮有點低的濕度，這時因為溫度回路的閉環控制會有一個 開大 溫度的制量，這個控制量的施加會使得溫室快速上升。這樣以來溫度上來了，所以相對濕度會有所下降，相對濕度可能會更低，所以需要對濕度回路控制量進行 中 補。由上面總結出來的模糊規則，經過模糊推理，然后再清晰化，清晰化后乘以補償系數，就得到了補償量。至此溫濕度 的耦 合關系己清晰。從理論上看，模糊解 耦 器能有效的解除溫濕度之間的 耦 合。 清晰化處理 由模糊控制規則表求取模糊控制查詢表步驟如下 (以溫度為例 ) 以第一條模糊控制規則為例， 可表示 ： If eT = NB and e