環境實驗室溫、濕度模糊控制系統設計

?傳統的溫、濕度閉環控制通常采用開關控制或PID控制，前者實現簡單但精度差，后者精度高，但需建立數學模型，參數整定要求較高，而在溫濕度非線性復雜變化的環境下，不易精確建模。模糊控制理論是能夠模擬人腦智能，隨環境變化的自適應控制技術，適合于非線性系統和難以用數學模型精確描述的復雜系統。進一步可以采用神經網絡與模糊推理結合的控制新模式。

1 環境實驗室溫濕度監控系統結構

??? 環境實驗室溫、濕度監測控制機構見圖1。溫、濕度傳感器測得的信號經過調理，輸入到模糊控制算法模塊，產生決策信號控制驅動件(加熱器、制冷器、加濕器、除濕器)，保持環境實驗室溫、濕度恒定在設定值。

2 控制系統模糊控制機理

??? 典型的模糊邏輯控制由模糊化、模糊推理和清晰化三部分組成。下面以溫度控制為例來具體說明。依據傳統模糊控制模型，本設計中溫度模糊控制系統原理如圖2所示。

??? 模糊控制器選用雙輸人單輸出控制方式，以溫度誤差e和誤差變化率ec作為輸入變量，以u作為輸出變量。模糊子集為E=EC=U={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}={負大，負中，負小，零，正小，正中，正大)，其論域為：e=ec=u=[-3，3]={-3，-2，-1，0，1，2，3}。隸屬度函數采用三角分布函數，如圖3所示。

??? 根據控制系統的輸入／輸出特性，以消除溫度偏差為控制目標，制訂控制規則如表1所示。

??? 由模糊規則進行推理可以得出模糊控制器語言規則的輸入輸出關系，其關系是一個非線性的關系曲面。當偏差較大時，控制量的變化應盡力使偏差迅速減小；當偏差較小時，除了要消除偏差外，還要考慮系統的穩定性，防止系統出現過沖，甚至引起系統振蕩。由隸屬度函數及規則表，使用Mamdani推理方法和面積重心法進行清晰化，可得到控制查詢表。

??? 對應輸出量U實際意義如表3所示。

??? 注：√表示啟動；×表示不啟動
??? 工作機理：依照模糊控制查詢表建立的二維常數數組，將輸入偏差E和偏差變化率EC量化到其基礎變量論域，作為數組的行和列實時檢索該查詢表，得到實時輸出U，依照輸出量U的實際意義控制加熱器或制冷器，從而驅使溫度穩定在設定值。

3 控制系統程序設計

??? 采用ST語言進行程序設計，包括主程序、模糊控制算法、中斷服務程序、操作命令與報警程序，其中模糊控制算法程序流程圖如圖4所示。

4 應用效果

??? 外部環境溫度從16℃降溫到-20℃，應用效果如圖5所示，從開始到基本穩定(與設定值相差±1℃)用時510 s，系統穩定后波動范圍在±O．8℃以內。收斂速度、系統穩定性與量化因子、比例因子有關，合理選擇量化因子、比例因子，在收斂速度與穩定性之間取得平衡。

5 結 語

??? 本設計采用基于模糊控制理論的控制策略，實現了環境實驗室的溫度、濕度的可靠測量和控制，具有精度高、穩定性好、收斂速度快等優點，與傳統開關控制系統相比，具有精度、速度、穩定優勢；與基于預測的模糊控制方式、雙模糊控制策略、參數自學習模糊控制策略相比減少了運算復雜度。對于溫、濕度具有明顯耦合效應的環境，可以采用溫、濕度解耦合運算后，再分別進行控制。