空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1設(shè)計(jì)任務(wù)描述1.1設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求：設(shè)計(jì)一個(gè)空調(diào)限制器。能利用單片機(jī)等原理部件模擬溫度的調(diào)控和顯示等功能，空調(diào)器是能限制風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)同時(shí)工作產(chǎn)生調(diào)整溫度的原理。硬件要求能有電路原理圖及各部件完整的實(shí)物分析等，要對(duì)空調(diào)機(jī)有完整的了解。才能達(dá)到此次設(shè)計(jì)任務(wù)的效果。要求：1）硬件電路設(shè)計(jì)，包括原理圖和PCB板圖。2）限制器軟件設(shè)計(jì)。3）要求能夠設(shè)定溫度、測(cè)量溫度、顯示溫度、制冷限制以及風(fēng)機(jī)限制。2設(shè)計(jì)思路2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以說空調(diào)限制器是圍圍著一個(gè)核心部件來架設(shè)外圍部件的設(shè)備，在這里核心部件是大多數(shù)廠家都會(huì)選用的單片機(jī)，因?yàn)楝F(xiàn)在的單片機(jī)擁有很高的集成設(shè)備，包含了大量的存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)等，而且鍵盤輸入及顯示都是在內(nèi)部集成的省卻了擴(kuò)展外圍設(shè)備的麻煩，這樣更能有利于我們著手于功能設(shè)置。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出空調(diào)器的原理和留意事項(xiàng)，能便利的運(yùn)用空調(diào)器來完成我們所想達(dá)到的目的，對(duì)于一般的空調(diào)器來說能自動(dòng)的調(diào)整溫度的變更范圍，可以說這是一種恒溫的效果，但是終歸我們模擬的設(shè)備部能像真實(shí)的一樣細(xì)致。所以我采納燈和電機(jī)等代替采集和設(shè)定的比較結(jié)果，能很好的顯示和明顯的完成任務(wù)。2.2環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、部件選擇及參數(shù)計(jì)算無疑對(duì)于空調(diào)器的設(shè)計(jì)來說，要能人工智能的操作其能限制溫度的調(diào)整和設(shè)定溫度的比較是一個(gè)較大的難題，因?yàn)橥覀兯玫亩际鞘M(jìn)制數(shù)即所說的阿拉伯?dāng)?shù)字，但是像單片機(jī)這種高級(jí)的工具設(shè)備是不能識(shí)別的，它只能識(shí)別機(jī)器碼也就是術(shù)語說的機(jī)器語言，這就為我們采集溫度帶來了一個(gè)很大的難題。對(duì)于我所采集的溫度值來講，把每個(gè)溫度值分為16等份，在每一等份之間我人為的規(guī)定每跳變一個(gè)數(shù)字度即比較一次，當(dāng)然采集的都是模擬信號(hào)這樣的話單片機(jī)是不能用于比較的，所以接入單片機(jī)之前用A/D轉(zhuǎn)換器把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這樣通過單片機(jī)本身的比較器就能計(jì)算出設(shè)定值和采集值的判定工作模式和是否應(yīng)當(dāng)工作電機(jī)和風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)等外部設(shè)備。主要的步驟包括轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)，這其中有一種方法叫按位加權(quán)累加和法，即當(dāng)你把十進(jìn)制數(shù)分別存儲(chǔ)在兩個(gè)存儲(chǔ)單元中，即按十位和個(gè)位的排法，把個(gè)位的數(shù)值乘以16的零次方，并且存儲(chǔ)在原位，這時(shí)可以用另一個(gè)單元的數(shù)乘以16的一次方這樣循環(huán)運(yùn)用把兩者的數(shù)值相加，即能完成一個(gè)數(shù)的十進(jìn)制和十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)化。這樣當(dāng)你的鍵盤有輸入值的時(shí)候，每一個(gè)鍵值會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為每個(gè)存儲(chǔ)單元供顯示作用。2.3各部分部件選擇溫度采集電路中所選用的傳感器是熱電偶，因?yàn)樗鼫y(cè)量精度高，而且輸出的是電壓信號(hào)，與攝氏溫度成正比，同時(shí)又能夠干脆與單片機(jī)的A/D干脆相連，運(yùn)用便利，便于處理。溫度的采集是通過熱電偶的溫度采集電路，將溫度轉(zhuǎn)化成模擬電壓進(jìn)行輸出，作為輸入信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)的A/D最高輸入電壓為，對(duì)應(yīng)于十二位A/D轉(zhuǎn)換器的最大值FFFH,依據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系得到A/D轉(zhuǎn)換后的值，存入固定的存儲(chǔ)單元中打算與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較。在比較之前須要依據(jù)確定的比例值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這個(gè)比例值近似的取為16倍，得到一個(gè)新的十六進(jìn)制數(shù)，由于選用的傳感器每攝氏度對(duì)應(yīng)0.01V，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到每攝氏度對(duì)應(yīng)08H,再通過推斷查表即可得到溫度的十六進(jìn)制數(shù)，再存到相應(yīng)的單元中與設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行制冷，溫度低于設(shè)定值時(shí)加熱，只有溫度處于人體相宜溫度提示燈才不會(huì)亮。溫度設(shè)定是通過鍵盤輸入來完成的，再通過查表得到可以進(jìn)行比較的數(shù)，存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，進(jìn)行顯示。2.4總體功能解析它主要完成的功能就是可以設(shè)定溫度，實(shí)時(shí)采集溫度并在LED上顯示設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度。我設(shè)計(jì)的空調(diào)限制器硬件部分主要有溫度采集傳感器應(yīng)用電路、制冷電路、加熱電路、指示燈電路、C8051F020單片機(jī)，以及單片機(jī)的復(fù)位和晶振電路。2.5設(shè)計(jì)方框圖圖2.1空調(diào)限制器框圖圖2.2空調(diào)限制器程序流程圖3各部分硬件電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算3.1電源電路設(shè)計(jì)圖3.1電源電路單片機(jī)所采納的電源是3.3V，還有復(fù)位電路和其他電路也須要直流電源，而家用電是溝通220V，所以須要進(jìn)行整流、濾波。須要將輸入為5V～9V的電壓值穩(wěn)壓到3.3V須要運(yùn)用兩塊LM7805和1117穩(wěn)壓芯片。其中LM7805的作用是將輸入為5V～9V的電壓穩(wěn)壓為5V，滿足1117穩(wěn)壓芯片的工作電壓(5V),經(jīng)過1117穩(wěn)壓芯片后其輸出的電壓為所需的3.3V電壓。LM7805系列為3端正穩(wěn)壓電路,TO-220封裝，能供應(yīng)多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但運(yùn)用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。主要特點(diǎn)：（1）輸出電流可達(dá)1A（2）輸出電壓有：5V（3）過熱愛護(hù)（4）短路愛護(hù)（5）輸出晶體管SOA愛護(hù)3.2單片機(jī)電路單片機(jī)正常工作時(shí)，除了要加恒壓電源外，還須要設(shè)計(jì)復(fù)位電路和晶振電路，我所設(shè)計(jì)的復(fù)位電路既可以上電復(fù)位，又可以在單片機(jī)非正常工作時(shí)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，晶振采納的是12MHZ外部晶振。通電時(shí)，電容進(jìn)行充電，電路導(dǎo)通，充電結(jié)束后，復(fù)位結(jié)束，充電時(shí)間確定復(fù)位時(shí)間。工作過程中，當(dāng)按下復(fù)位鍵后，電路導(dǎo)通，按鍵時(shí)間確定了復(fù)位時(shí)間。電路中電容的作用是抑制干擾從復(fù)位端進(jìn)入。器件內(nèi)還集成了外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，允許運(yùn)用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。復(fù)位電路和晶振電路圖如下所示：

圖3.2單片機(jī)復(fù)位及晶振電路3.3鍵盤和顯示電路PB和PC口是8255兩個(gè)八位帶鎖存的輸入口，可實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)鎖存。PB口的端口地址為8001H，PC口的端口地址為8002H。PA口未用。用PB口作六個(gè)數(shù)碼管的位選。用8708作顯示器的位選驅(qū)動(dòng)。PC口作字型碼鎖存。8255限制字的端口地址是8003H。8078作數(shù)碼管字型顯示驅(qū)動(dòng)。六位數(shù)碼管采納共陰極方式。鍵盤及顯示電路如下圖所示：圖3.3鍵盤輸入電路圖3.4輸出顯示電路8255擴(kuò)展接口是由高八位地址(A8～A15)通過74LS138譯碼產(chǎn)生的。PA,PB,PC口和8255限制口的地址分別是8000H,8001H,8002H和8003H,它們由低位地址A0和A1區(qū)分。低位地址A0和A1從低位地址鎖存器74LS138的輸出端引出。3.4溫度傳感器的選擇本系統(tǒng)采納鎳鉻-鎳硅熱電偶作為溫度傳感器，由熱電偶的特性可知，進(jìn)入放大器的電壓信號(hào)實(shí)為熱電偶冷熱端溫差引起的熱電勢(shì)信號(hào)，冷端處于設(shè)定溫度，熱端處于外界室溫，單片機(jī)的A/D通道可以干脆采集熱電偶信號(hào)，經(jīng)冷端溫度補(bǔ)償后，在查K分度表則可以得到熱端溫度值，室溫的測(cè)量可以經(jīng)過熱電阻式傳感器變更為電壓信號(hào)，經(jīng)放大后干脆送給單片機(jī)的A/D通道，單片機(jī)程序自動(dòng)完成熱電偶信號(hào)的采集和冷端信號(hào)采集，計(jì)算出實(shí)際的溫度，從而限制限制空調(diào)的外部設(shè)備工作。圖3.5傳感器采集電路3.5外圍部件的選擇在單片機(jī)的程序中須要設(shè)定相宜溫度的范圍，當(dāng)從傳感器接受的溫度電壓信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，室內(nèi)溫度高于或者低于設(shè)定的范圍，那么指示燈亮，通過編寫單片機(jī)的I/O輸出來限制指示信號(hào)的發(fā)出。當(dāng)采集溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，需進(jìn)行制冷，通過程序的設(shè)計(jì)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)；當(dāng)采集溫度低于設(shè)定溫度需利用電機(jī)進(jìn)行加熱。圖3.6外部工作燈電路由于二極管所能承受的最大電流為,而電源電壓為5V，所以應(yīng)串接一個(gè)電阻，其阻值最小為：4主要元器件介紹4.1熱電偶傳感器鎳鉻溫度傳感器是一種電壓輸出型精密溫度傳感器。它工作類似于齊納二極管，其反向擊穿電壓隨絕緣溫度以的比例變更。該器件在工作電流為范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)電阻小于，當(dāng)對(duì)它在校準(zhǔn)后，它在范圍內(nèi)具有小于的典型誤差。熱電偶可應(yīng)用于范圍在內(nèi)的任何形式的溫度檢測(cè)，它的低阻抗和線性輸出訪得其讀出和限制接口電路特別簡潔。熱電偶測(cè)溫范圍分別為。其短時(shí)間運(yùn)用測(cè)溫上限可擴(kuò)寬至。主要特點(diǎn)：(1)

在確定溫度下干脆校準(zhǔn)。(2)

1℃的初始精度(3)工作于400uA~5mA電流范圍。(4)低于1Ω的動(dòng)態(tài)阻抗。(5)

簡潔校準(zhǔn)。(6)-40℃~+1004.28255擴(kuò)展芯片8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個(gè)8位并行I/O口。具有3個(gè)通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。其各口功能可由軟件選擇，運(yùn)用敏捷，通用性強(qiáng)。8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時(shí)的中間接口電路。8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必需供應(yīng)與主機(jī)相連的3個(gè)總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、限制線接口。同時(shí)必需具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程,所以必需具有邏輯限制部分，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分：與CPU連接部分、與外設(shè)連接部分、限制部分。主要特點(diǎn)：8255管腳特性如下：(1)一個(gè)并行輸入/輸出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作為CPU總線與外圍的接口。(2)具有24個(gè)可編程設(shè)置的I/O口,即3組8位的I/O口為PA口,PB口和PC口.它們又可分為兩組12位的I/O口,A組包括A口及C口(高4位,PC4~PC7),B組包括B口及C口(低4位,PC0~PC3).A組可設(shè)置為基本的I/O口,閃控(STROBE)的I/O閃控式,雙向I/O3種模式;B組只能設(shè)置為基本I/O或閃控式I/O兩種模式,而這些操作模式完全由限制寄存器的限制字確定。引腳功能：(1)RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平常，全部內(nèi)部寄存器（包括限制寄存器）均被清除，全部I/O口均被置成輸入方式。(2)CS:芯片選擇信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平常,即/CS=0時(shí),表示芯片被選中，允許8255與CPU進(jìn)行通訊;/CS=1時(shí),8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸.(3)RD:讀信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平常,即/RD=0且/CS=0時(shí),允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。(4)WR:寫入信號(hào)，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平常,即/WR=0且/CS=0時(shí),允許CPU將數(shù)據(jù)或限制字寫入8255。(5)D0～D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，通過它實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，限制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。(6)PA0～PA7:端口A輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。(7)PB0～PB7:端口B輸入輸出線，一個(gè)8位的I/O鎖存器，一個(gè)8位的輸入輸出緩沖器。(8)PC0～PC7:端口C輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個(gè)4位的端口，每個(gè)4位的端口包含一個(gè)4位的鎖存器，分別與端口A和端口B協(xié)作運(yùn)用，可作為限制信號(hào)輸出或狀態(tài)信號(hào)輸入端口。(9)A0,A1:地址選擇線,用來選擇8255的PA口,PB口,PC口和限制寄存器。當(dāng)A0=0,A1=0時(shí),PA口被選擇;當(dāng)A0=0,A1=1時(shí),PB口被選擇;當(dāng)A0=1,A1=0時(shí),PC口被選擇;當(dāng)A0=1.A1=1時(shí),限制寄存器被選擇。4.3C8051F020系列單片機(jī)本系統(tǒng)的核心限制部件采納SiliconLaboratories公司生產(chǎn)的C8051F020單片機(jī)作為限制器。C8051F系列單片機(jī)是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)(SOC)，具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微限制器，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成的數(shù)據(jù)采集和限制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F系列單片機(jī)的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2CC8051F020單片機(jī)是C8051F系列中一個(gè)比較有代表性的型號(hào)，該器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)SCM芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳。主要性能：(1)高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的MCS-51內(nèi)核(可達(dá)25MIPS)。(2)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))。(3)真正12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)。(4)真正8位、500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)。(5)兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式。(6)64KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器。(7)4352(4096+256)B的片內(nèi)RAM。(8)可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口。(9)硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C(10)5個(gè)通用的16位定時(shí)器。(11)具有5個(gè)捕獲/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器陣列。C8051F系列單片機(jī)都可工作在工業(yè)溫度范圍(-45~+85℃)內(nèi)用2.7~3.6V的電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓。C8051F020為100引腳TQFP封裝。5限制算法的探討5.1PID算法的探討PID是一種負(fù)反饋限制，用設(shè)定的限制目標(biāo)值與受控對(duì)象的輸出反饋值相比較，對(duì)其差作比例、微分、積分后用來限制受控對(duì)象。PID限制規(guī)則:u=(3-1) 式中占為比例帶，介為積分時(shí)間，與為微分時(shí)間。傳遞函數(shù)為:G=(3-2)δ、TI、TD的變更對(duì)限制作用影響很大:δ越大，比例調(diào)整的殘差越大，從這一點(diǎn)說，δ越小能使殘差越小。但δ小則使調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)增益加大，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定，系統(tǒng)首先要穩(wěn)定，所以比例帶的設(shè)定必需保證確定的穩(wěn)定裕度TI越大即積分速度越小，積分作用越弱，使過度時(shí)間變長，達(dá)到穩(wěn)定的速度越慢。TI越小積分速度越快，而增大積分速度會(huì)降低限制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程；TD則主要改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，TD增大會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)，降低超調(diào)，增大系統(tǒng)穩(wěn)定性，但TD過大，會(huì)使系統(tǒng)的抗干擾實(shí)力減弱，而且微分環(huán)節(jié)對(duì)純滯后過程無效。PID限制器中，δ、TI、TD的選擇假如合適，則能發(fā)揮它們的特長，從而較好地限制系統(tǒng)，否則，不僅不能發(fā)揮各種調(diào)整作用，反而適得其反。5.2模糊限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模糊限制是一種以模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字限制。模糊限制仿照人的思維通過把精確量模糊化，通過模糊推理，然后經(jīng)過清楚化處理得到限制量。5.2.1模糊限制算法模糊自動(dòng)限制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字限制。尤其是模糊限制和遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及混沌理論等新學(xué)科相結(jié)合，正在顯示出其巨大的應(yīng)用潛力。模糊限制原理①模糊限制的引入隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，自動(dòng)限制理論和技術(shù)獲得了飛躍的發(fā)展，在解決線性或非線性，定常或時(shí)變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題上，獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，采納傳統(tǒng)限制理論來設(shè)計(jì)一個(gè)限制系統(tǒng)，須要事先知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，然后再依據(jù)給定的性能指標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)南拗埔?guī)律，進(jìn)行限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，在很多狀況下，被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立，有時(shí)甚至是不行能的。這樣一來，對(duì)于這類對(duì)象或過程就難以進(jìn)行自動(dòng)限制。與此相反，對(duì)于一些難以自動(dòng)限制的生產(chǎn)過程，有閱歷的操作人員進(jìn)行手動(dòng)限制，卻可以達(dá)到滿足的效果。這是由于作為操作者的人在長期的操作實(shí)踐中獲得了對(duì)系統(tǒng)的相識(shí)，在頭腦中形成了他自己對(duì)該系統(tǒng)的相識(shí)模型，并積累了操作閱歷?？偨Y(jié)人的限制行為，用語言描述人的手動(dòng)限制決策，形成一系列的條件語句和決策規(guī)則，進(jìn)而設(shè)計(jì)一個(gè)限制器，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這些限制規(guī)則，再驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)工業(yè)過程進(jìn)行限制，這就是模糊限制。實(shí)踐表明，模糊限制器具有以下幾個(gè)特點(diǎn):1.它不須要知道被控對(duì)象或過程的精確數(shù)學(xué)模型。2.易于實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定性系統(tǒng)和強(qiáng)非線性系統(tǒng)的限制。3.對(duì)被控對(duì)象或過程參數(shù)的變更有較強(qiáng)的魯棒性。4.對(duì)干擾有較強(qiáng)的抑制實(shí)力。②模糊限制系統(tǒng)的組成模糊限制系統(tǒng)是一種自動(dòng)限制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的學(xué)問表示和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)，采納計(jì)算機(jī)限制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字限制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊限制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1模糊限制系統(tǒng)框圖模糊限制系統(tǒng)一般由四個(gè)部分組成:l.模糊限制器:它是以模糊邏輯推理為主要組成部分，同時(shí)又具有模糊化和去模糊功能的限制器。2.輸入/輸出接口裝置:模糊限制器通過輸入/輸出接口從被控對(duì)象獲得數(shù)字信號(hào)量，并將模糊限制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去限制被控對(duì)象。3.廣義對(duì)象:包括被控對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。被控對(duì)象可以是線性或非線性的、定?；驎r(shí)變的、也可以是單變量或多變量的、有時(shí)滯或無時(shí)滯的以及有強(qiáng)干擾的多種狀況。4.傳感器:傳感器是將被控對(duì)象或各種過程的被限制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類裝置。傳感器在模糊限制系統(tǒng)中占有特別重要的地位，它的精度往往干脆影響整個(gè)限制系統(tǒng)的精度。5.2.2模糊限制的基本概念(1)模糊集合模糊集合用于在無法明確地定義元素是否屬于集合的狀況下，利用一種度量來表示某一元素屬于這一集合的程度，這就是隸屬度，也就是級(jí)別。當(dāng)一個(gè)元素確定屬于這一集合時(shí)，級(jí)別為1，確定不屬于這一集合時(shí)，級(jí)別為0，其余的級(jí)別為0到1的中間值。以論域?yàn)殡x散有限集{xl,x2......,xn}為例，設(shè)A(xi)=ui(i=1,2......n)，模糊集合用扎德法表示如下:A=（3-3）(2)量化因子連續(xù)論域進(jìn)行離散化的過程稱為量化。設(shè)有連續(xù)論域[a,b]，量化后的離散論域?yàn)閧-n，-n+1,…，0,…，n-1,n}，將連續(xù)論域分為2n段，則有系數(shù)K=2n/(b-a)，K稱為量化因子。(3)比例因子偏差的基本論域與偏差的實(shí)際變更范圍的比值稱為比例因子。當(dāng)偏差的實(shí)際變更范圍超出基本論域的范圍時(shí)，采納最大輸出或零輸出。對(duì)于偏差的任何采樣值，乘以比例因子后取整，可以得到相應(yīng)的值。5.2.3模糊限制過程模糊限制過程可以分為以下三個(gè)步驟:模糊化過程、模糊推理過程和反模糊化過程。(1)模糊化過程模糊化(Fuzzification)就是將基礎(chǔ)變量論域上的確定量變換成基礎(chǔ)變量論域上的模糊集的過程。其主要功能就是依據(jù)輸入變量的隸屬度函數(shù)求出精確輸入量相對(duì)于輸入變量各語言值的隸屬度。常規(guī)限制都是用系統(tǒng)的實(shí)際輸出值與設(shè)定值相比較，得到一個(gè)偏差值E，限制器依據(jù)這個(gè)偏差值及偏差值的變更率來確定如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行限制。無論是偏差還是偏差的變更率都是精確的輸入值，要采納模糊限制技術(shù)就必需首先把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。因此，要實(shí)現(xiàn)模糊限制就要先通過傳感器和變送器把被控量變換成電量，再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器得到精確的數(shù)字量。精確輸入量輸入至模糊限制器后，首先要把精確量轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)，這就是精確量的模糊化或者模糊量化。(2)模糊推理過程模糊推理過程就是對(duì)于給定的模糊輸入量，模糊限制器依據(jù)判定的模糊規(guī)則和事先確定好的推理方法進(jìn)行模糊推理，求出模糊輸出量的過程。模糊推理是模糊限制器的核心，它具有模擬人類基于模糊概念的推理實(shí)力，是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的。模糊限制是仿照人的思維方式和人的限制閱歷來實(shí)現(xiàn)的一種限制。依據(jù)有閱歷的操作者或者專家的閱歷制訂出相應(yīng)的限制規(guī)則即是模糊限制規(guī)則，它是模糊限制器的核心。為了能存入計(jì)算機(jī)，就必需對(duì)限制規(guī)則進(jìn)行形式化處理，再仿照人的模糊邏輯推理過程確定推理方法，限制器依據(jù)制訂的模糊限制規(guī)則和事先確定好的推理方法進(jìn)行模糊推理，得到模糊輸出量，即模糊輸出隸屬函數(shù)，這就是模糊限制規(guī)則的形成和推理。其目的是用模糊輸入值去適配限制規(guī)則，為每個(gè)限制規(guī)則確定其適配的程度，并通過加權(quán)計(jì)算合并那些規(guī)則的輸出。(3)模糊量的去模糊模糊量的去模糊(Defuzzification)就是將基礎(chǔ)變量論域上的模糊集變換成基礎(chǔ)變量論域上的確定值的過程。依據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找一個(gè)具有代表性的精確值作為限制量，就是模糊量的去模糊；它要求在推理得到的模糊集合中取一個(gè)最能代表這個(gè)模糊推理結(jié)果可能性的精確量，去限制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。(4)模糊限制器及系統(tǒng)設(shè)計(jì)模糊限制器(FuzzyController)在模糊自動(dòng)限制系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，因此在模糊限制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)和調(diào)整模糊限制器的工作是很重要的。模糊限制器的設(shè)計(jì)包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:1)確定模糊限制器的輸入變量和輸出變量。2)設(shè)計(jì)模糊限制器的限制規(guī)則。3)建立模糊化和反模糊化的方法。4)選擇模糊限制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊限制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子)。5)編制模糊限制算法的應(yīng)用程序。6)合理選擇模糊限制算法的采樣時(shí)間。(5)模糊限制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模糊限制器有兩種組成方式，一種是由模糊邏輯芯片組成的硬件專用模糊限制器，它是用硬件芯片來干脆實(shí)現(xiàn)模糊限制算法；另一種是用微處理器組成硬件系統(tǒng)，用軟件來實(shí)現(xiàn)模糊限制算法，這種模糊限制器的特點(diǎn)是資源開銷小、敏捷性高、通用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣。在一般限制系統(tǒng)中，目前多采納其次種方式。模糊限制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定模糊限制器的輸入變量和輸出變量。模糊限制器的輸入一般有三個(gè):偏差、偏差的變更及偏差變更的變更，輸出變量一般選擇限制量的變更。目前廣泛采納的是二維模糊限制器，這種限制器的輸入變量選偏差及偏差的變更，以限制量的變更為輸出變量。依據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)及限制要求，模糊限制器選用二維結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示圖3.2二維模糊限制機(jī)構(gòu)框圖依據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)及限制要求，模糊限制器采納雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)，分別用偏差e和偏差的變更率△e作為輸入變量，以限制量u作為輸出變量。(6)精確量的模糊化在溫室溫度模糊限制器里，將鍵盤輸入的溫度值作為給定值T，由傳感器測(cè)量得到的溫度值記為t(k)，則誤差e及誤差的變更△e為:e(k)=T-t(k)(3-2)△e(k)=e(k)-e(k-1)(3-3)將e(k)和△e(k)作為溫度模糊限制器的輸入變量，輸出變量為加熱器及風(fēng)扇的通斷狀態(tài)。依據(jù)溫室的實(shí)際工作狀況，從溫帶植物三基點(diǎn)溫度如表2-1所示，可以看出其相宜溫度變更值在10℃左右，考慮到實(shí)際檢測(cè)條件和適當(dāng)?shù)南拗凭?，將溫度誤差的基本論域定為[-5℃～+5℃],溫度誤差變更的基本論域定為[-1℃～+1℃]。為提高限制精度和響應(yīng)速度，將溫度的限制范圍分為模糊限制區(qū)和確定限制區(qū)，以溫度設(shè)定值的±5℃為界。溫度在設(shè)定值的±5'C以內(nèi)為模糊限制區(qū)，以外為確定限制區(qū)。在確定限制區(qū)，系統(tǒng)將進(jìn)行強(qiáng)制冷卻或加熱，并發(fā)出溫度超標(biāo)報(bào)警信號(hào)。而在模糊限制區(qū)，將溫度偏差、偏差變更率的模糊集合分為7個(gè)模糊子集，分別為PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，Z(零)，NS(負(fù)小)，NM(負(fù)中)，NB(負(fù)大)。選取語言變量e,△e的論域均為:x={-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4}溫度偏差、偏差變更率的隸屬函數(shù)賦值表如表3.1所示表3.1△e的隸屬度函數(shù)賦值表論域-4-3-2-101234NB10.50000000NM0.20.610.60.20000NS000.510.50000Z0000.510.5000PS00000.510.500PM00000.20.610.60.2PB00000000.51控量的隸屬函數(shù)形態(tài)可以是三角形、梯形、單點(diǎn)或其它形態(tài)。采納單點(diǎn)為限制量在實(shí)際處理時(shí)較為便利，因?yàn)檫@時(shí)只要知道限制量的模糊量也就知道了實(shí)際用于限制的論域元素。本系統(tǒng)限制量的模糊劃分采納單點(diǎn)，分為7個(gè)模糊子集，分別為PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，Z(零)，NS(負(fù)小)，NM(負(fù)中)，NB(負(fù)大)。選取語言變量u的論域?yàn)?{-3，-2，-1,0,1,2,3}。限制量的隸屬函數(shù)如圖4.3所示。圖3.3U的隸屬度函數(shù)(7)模糊限制規(guī)則模糊限制規(guī)則事實(shí)上是總結(jié)有閱歷的操作者或?qū)＜业南拗茖W(xué)問和閱歷制定出的一條條模糊條件語句的集合，通常簡寫成一個(gè)表，即模糊限制規(guī)則表。確定模糊限制規(guī)則的原則必需是系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)特性達(dá)到最佳。當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇限制量以盡快消退誤差為主;而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇限制量要留意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要?jiǎng)由睃c(diǎn)。(8)模糊限制算法設(shè)計(jì)限制算法是模糊限制的關(guān)鍵，可依據(jù)不同的系統(tǒng)狀況選用不同的限制算法，常用的有查表和公式法。本系統(tǒng)采納查表法實(shí)現(xiàn)模糊限制算法。查表法是依據(jù)模糊限制規(guī)則表，求出輸入量論域元素和輸出量論域元素之間的關(guān)系，形成一個(gè)表