基于模糊理論的冷庫控制系統(tǒng)的研究

1、摘 要在工業(yè)生產(chǎn)中，冷庫的溫度濕度精確自動控制越來越重要，控制要求也在不斷提高。結(jié)合金針菇培育冷庫工程的實際情況，本文從原理和實現(xiàn)上提出了一種冷庫控制方法：模糊控制，并設(shè)計了模糊控制器加以實現(xiàn)，最后給予simulink仿真，對控制結(jié)果進行了驗證和改良。制冷系統(tǒng)具有明顯的非線性熱力學(xué)耦合特性，其控制的難點在于如何消除各自由度之間的耦合程度?；谙到y(tǒng)部件數(shù)學(xué)模型的控制方法難以獲得精確、完整同時又可解的控制方程組，此種控制難以獲得優(yōu)良的實際效果。模糊控制方法不依賴與被控對象的精確模型，尤其對冷庫制冷系統(tǒng)多變量多輸入強耦合系統(tǒng)模糊控制方法的優(yōu)點更為明顯。本論文采用模糊控制原理對一個培育室房間的溫度和濕

2、度進行恒定控制，以風(fēng)機盤管流量閥和房間加濕器的流量閥為調(diào)節(jié)對象，通過對系統(tǒng)各輸入量的模糊化和給定系統(tǒng)控制表的模糊運算規(guī)則，得到系統(tǒng)模糊控制查詢表，固化在控制計算機中。在實際系統(tǒng)運行中只需要采樣獲得冷庫環(huán)境溫度，通過查表的形式得到系統(tǒng)的輸出值，從而完成系統(tǒng)的自動控制過程。通過對模糊控制器仿真運行實驗的結(jié)果表明，本研究提出的多變量模糊控制方法能夠適應(yīng)冷庫制冷系統(tǒng)變負(fù)荷和變工況的控制要求，跟蹤性能良好、控制精度高、超調(diào)小和魯棒性強的優(yōu)良特性，其實際應(yīng)用前景廣闊。關(guān)鍵詞：冷庫制冷系統(tǒng)，多變量，耦合，模糊控制， simulink仿真abstractin refrigerating industry, s

3、torage temperature and humidity automatic control precision are more and more important, control requirements are also rising. based on the actual situation of the project of cold storage of flammulina nurturing, this article applied a new refrigerator control method: fuzzy control, and designed a f

4、uzzy controller. finally given the simulink simulation, the control results proved verified and improved. refrigeration system has obviously nonlinear coupling characteristics of thermodynamics; the difficult of the control is eliminating the coupling between the degree of freedom. based on the math

5、ematical model of the system to obtain precise control method, but also can complete the control equations, the solution to obtain good control effect. with the method of fuzzy control is not rely on the precise model charged object, especially for storage refrigeration system multivariable multi-in

6、put strong coupling method of fuzzy control system is more obvious advantages.this paper adopts the fuzzy control theory to room temperature and humidity control, with constant fan-coil unit discharge valve and room for regulating the flow valves humidifier, based on the fuzzy system input and fuzzy

7、 control system of the form, system operation rules, the fuzzy control in the control computer lookup cured. in the actual system operation process only needs to get cold environment temperature, sampling check through the form of the system output values obtained, thus complete system of automatic

8、control process.the results of simulation of fuzzy controller to run the experiment show that the study of multi-variable fuzzy control method can adapt to variable load of cold storage refrigeration system and variable conditions of the control requirements, a good tracking performance, control and

9、 high precision, small overshoot and excellent robustness characteristics.key words: cold storage refrigeration systems, multi-parameter, coupled, fuzzy control, simulink simulation目錄第1章 緒論41.1課題研究背景及題目來源41.2本課題主要研究內(nèi)容4第2章 金針菇培育要求及培育室冷庫工藝流程62.1 金針菇培育環(huán)境要求62.2 冷庫運行工藝流程8第3章 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計103.1系統(tǒng)概述103.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)103

10、.3系統(tǒng)主要功能123.4系統(tǒng)設(shè)備14第4章 系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計及仿真1615.1 模糊數(shù)學(xué)與模糊控制理論164.2模糊控制原理164.3 模糊控制器設(shè)計174.4 金針菇培育室的模糊控制器設(shè)計214.5 模糊控制器的實現(xiàn)374.6 simulink下的模糊控制器仿真實驗37參考文獻43致 謝44附錄1.模糊規(guī)則計算過程在matlab下的c語言編程結(jié)果45第1章 緒論1.1課題研究背景及題目來源冷庫的作用在于獲取低溫儲存環(huán)境，用于冷凍，冷藏和制造人工低溫環(huán)境。采用自動控制可以保證庫溫穩(wěn)定，避免溫度超標(biāo)或不必要的低溫，還可以使冷庫制冷系統(tǒng)運行中的溫度、壓力、液位等狀態(tài)參數(shù)保持在要求的范圍內(nèi)，保證

11、系統(tǒng)的安全和高效。另外，制冷系統(tǒng)的自動控制還是節(jié)能和提高制冷品質(zhì)的最有效手段之一。本課題來自于長春某生物技術(shù)有限公司的金針菇培育環(huán)境工程，需要依據(jù)金針菇的生長需求對其生長環(huán)境進行低溫控制。在實際運行中，以傳統(tǒng)控制方法設(shè)計的控制器在同時應(yīng)對環(huán)境溫度、濕度、co2含量等多種控制要求時，控制方式經(jīng)常互相交叉影響，導(dǎo)致控制結(jié)果常常發(fā)生波動，難以獲得精確的最佳冷庫環(huán)境1。在控制方法上和控制器設(shè)計上需要一種新的方法。傳統(tǒng)的冷庫制冷控制系統(tǒng)一般以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，針對組成系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件如壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等逐個作為單獨對象分別建立數(shù)學(xué)模型，并對其運行中的有關(guān)參數(shù)分別作必要的調(diào)節(jié)，構(gòu)成單閉環(huán)

12、并聯(lián)控制系統(tǒng)2 3。但是，由于此類控制系統(tǒng)并沒有把整個冷庫視作自動控制的調(diào)節(jié)對象，并且忽略了制冷系統(tǒng)各部件之間的耦合關(guān)系，因此往往難以達到更高精度的調(diào)節(jié)要求，特別是難以適應(yīng)冷庫這樣負(fù)荷變化和工況變化大的系統(tǒng)4 5。本課題從控制器對制冷裝置各參數(shù)進行綜合優(yōu)化控制的目標(biāo)出發(fā)，應(yīng)用模糊控制的原理研究冷庫這一多輸入多輸出、強耦合、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，研究其制冷性能在受到諸多干擾因素的影響下的控制精度的提高，對系統(tǒng)的多變量智能控制方法進行一定的研究11。1.2本課題主要研究內(nèi)容本課題來自于長春某生物技術(shù)有限公司的金針菇培育環(huán)境工程，對金針菇培育冷庫的溫濕度控制進行研究。首先，搜集了金針菇的生物特性資

13、料，了解金針菇的人工培育生長過程，獲得金針菇生長所需的溫度、濕度、co2含量、光照等需求，對培育冷庫的工藝流程進行了分析和整理。在得到控制要求后，進行硬件系統(tǒng)搭建，參考已有的冷庫控制系統(tǒng)，選擇了適合本論文所要采用控制的硬件設(shè)備，作為實現(xiàn)控制的感應(yīng)器和處理器。在執(zhí)行器方面，由于金針菇冷庫的濕度要求達到75%以上，所以采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)處理冷負(fù)荷，采用專用加濕器專門加濕，溫濕度控制系統(tǒng)以風(fēng)機盤管水量閥和加濕器的水量閥為對象進行控制。作為本論文的主要部分，接下來重點介紹了模糊控制原理，依據(jù)成熟的模糊推理計算方法，結(jié)合實際冷庫操作經(jīng)驗總結(jié)，給出溫濕度控制模糊規(guī)則，構(gòu)成基本專家系統(tǒng)，以此設(shè)計基本模糊控制

14、器。對于模糊推理過程，本文給出了c語言程序及其計算結(jié)果。對于整個模糊控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，在matlab環(huán)境下利用fuzzy模塊設(shè)計了模糊控制器。最后，利用simulink對設(shè)計的基本模糊控制器設(shè)計了仿真模型，分析了仿真結(jié)果，以此對模糊控制器做了必要修正和改進。第2章 金針菇培育要求及培育室冷庫工藝流程2.1 金針菇培育環(huán)境要求2.1.1 工業(yè)培育金針菇生長要求金針菇（flammulina uelutipes），又名冬菇，另有構(gòu)菌、樸菇、毛柄金錢菌等俗稱。是我國最早進行人工栽培的食用菌之一，大約有1500多年的栽培歷史。歷史上多采用段木栽培金針菇，產(chǎn)量低而不穩(wěn)。金針菇的營養(yǎng)極其豐富。分析結(jié)果表明，金

15、針菇中含有18種氨基酸，每百克干菇中，氨基酸的總含量為20.9克，其中人體所必需的8種氨基酸占氨基酸總量的44.5%，高于一般菇類。尤其富含賴氨酸和精氨酸，有益于兒童腦細(xì)胞的發(fā)育，日本人稱其為“增智菇”。金針菇還含有原黃素，具有抗癌、降血脂、保肝等食療功能，在國際市場上被譽為“超級保健食品”。此外，金針菇還具有多種藥療作用，經(jīng)常食用金針菇，可以預(yù)防高血壓和治療肝臟及腸胃道潰瘍病6。金針菇由菌絲體和子實體兩部分組成。成熟的子實體由菌蓋、菌褶、菌柄三部分組成。野生品種菌蓋大，柄短粗，黃褐色商品價值較低。為培育商品價值高的小菌蓋，細(xì)長柄，白色品種需要對生長環(huán)境進行氣調(diào)處理。金針菇的菌絲和子實體的正常

16、生長需要的環(huán)境條件包括：溫度、濕度、光照、空氣、基質(zhì)的酸堿度等6。（1）溫度：菌絲生長的溫度范圍是3-34之間，最適宜的溫度是232，菌絲對低溫有一定的忍耐能力，在21保持138天后仍能存活，在34以上菌絲便會很快死亡。子實體生長需要的溫度范圍是3-20，最適溫度是8-10；其中，原基形成的溫度范圍是10-15，適宜溫度是13，菇蕾馴養(yǎng)階段的溫度是4-6（3-5天），當(dāng)溫度在3以下易引起菇體變色和畸形。在降溫時應(yīng)注意兩點：一要配合通風(fēng)透氣，使二氧化碳濃度降至0.050.1%，促使菇蕾大量生成；二是基料表面不能太濕，應(yīng)保持相對干燥，以防止生理性凍害的發(fā)生。經(jīng)低溫馴化后，恢復(fù)出菇時所需的溫度，保持

17、在10左右，即可有效抑菌促進子實體生長。 （2）濕度：水份（指基質(zhì)含水量）和濕度（指空氣中相對濕度）是金針菇菌絲和子實體生長不可缺少的因子。金針菇為喜濕性的菌類，抗干旱能力較弱。 菌絲培育室空氣相對濕度應(yīng)控制在60左右。 子實體生長期需要的空氣濕度范圍8090。原基分化時空氣相對濕度保持在 8085；子實體發(fā)育階段，要求較高的空氣相對濕度，除依靠本身的水分來滿足菇體生長發(fā)育外，空氣相對濕度應(yīng)提高到 8595。（3）空氣：金針菇子實體在生長期間，需要較多的氧氣，必須保持適度通風(fēng)。但是，實驗表明適度的二氧化碳濃度有利于子實體生長發(fā)育，有助于提高菇品的商品質(zhì)量。（4）光照：菌絲生長階段在黑暗的條件下

18、生長正常，曝曬會死亡。（5）酸堿度：金針菇在ph值38.4的范圍內(nèi)，菌絲皆可生長，最適宜的ph值為47，一般拌料的控制值為ph6左右，滅菌后ph值還要有所下降。2.1.2 培育室布置圖該工程中，金針菇培育室分兩層，按照金針菇生長的不同階段，分三類培育室，共有18個培育房間。本論文選擇培育室（三）進行研究，其布置為：將金針菇菌體培育基置于培育房間床架，每支床架分六層，結(jié)構(gòu)相同，置放培育基，其基本布置結(jié)構(gòu)如圖2-1和圖2-2。圖2-1 金針菇培育室立面圖（一）圖2-2 金針菇培育室立面圖（二）2.2 冷庫運行工藝流程2.2.1 制冷原理及技術(shù)制冷是指用人工的方法將物體冷卻至低于環(huán)境溫度，并保持其低

19、溫狀態(tài)。制冷方法有很多，基本原理都是應(yīng)用一種專門的裝置，消耗外部能量來是熱量從高溫物理或物體的高溫部分傳遞給低溫物體或物體的低溫部分，從而使目標(biāo)物體獲得所需低溫。壓縮式制冷、熱電制冷、吸收式制冷是三種主要的制冷方法。本論文的冷庫制冷系統(tǒng)采用氟利昂制冷劑蒸汽壓縮式制冷。壓縮式制冷循環(huán)過程包括：壓縮、冷凝、截流和膨脹四個階段，其中的有效制冷過程發(fā)生在蒸發(fā)階段，利用制冷劑的膨脹熵增和相變吸熱來獲得低溫環(huán)境。四個過程遵循質(zhì)量守恒定律，熱力學(xué)第一定律，動量守恒定律和熱力學(xué)第二定律5。逆卡諾循環(huán)，蒸汽制冷理論循環(huán)和實際循環(huán)圖：4ts3 可逆等溫冷凝可逆絕熱膨脹 4可逆等溫蒸發(fā) 12 可逆絕熱壓縮圖2-3

20、逆卡諾循環(huán)圖2-4 無過熱和過冷蒸汽制冷循環(huán)圖 2-5 無過熱和過冷蒸汽制冷循環(huán)圖2-6 實際過程蒸汽制冷循環(huán)制冷實際循環(huán)特性：實際壓縮過程不是絕熱過程，是先吸熱后放熱的多變過程；傳熱過程有傳熱溫差；制冷劑流經(jīng)壓縮機進、排氣閥時有節(jié)流損失；制冷劑流經(jīng)管道、換熱器時有阻力、并與外界有熱交換。2.2.2 冷庫設(shè)備布置圖 圖2-7 培育室冷庫設(shè)備布置圖第3章 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)概述 該冷庫硬件系統(tǒng)搭建借鑒了皓琛電子公司arw-scada自動控制系統(tǒng)軟硬件平臺，實現(xiàn)集中監(jiān)控系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的增值集成、控制和管理過程的智能化，基本達到了以智能化和網(wǎng)絡(luò)化為標(biāo)志的第四代集中監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)。該溫室

21、及其環(huán)境自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了分散的溫室及其環(huán)境設(shè)施集中監(jiān)測、控制，溫室及其環(huán)境設(shè)施運行過程自動控制。該系統(tǒng)由以下部分組成：自動控制子系統(tǒng)溫室及其環(huán)境參數(shù)分析與采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)視頻傳輸子系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)報警子系統(tǒng)自動化辦公子系統(tǒng)萬維網(wǎng)web服務(wù)子系統(tǒng)。3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)為三級，監(jiān)控現(xiàn)場、企業(yè)監(jiān)控中心系統(tǒng)、集團監(jiān)控中心（遠程監(jiān)控中心）軟件平臺。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：圖3-1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）集團監(jiān)控中心軟件平臺集團監(jiān)控中心（遠程監(jiān)控中心）軟件平臺，主要供大型企業(yè)集團總部使用。該系統(tǒng)實時接收各個監(jiān)測點上報的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過與地理信息系統(tǒng)集成，可以方便主管部門管理，生動顯示各地的設(shè)備運

22、行狀況，提高管理效率與水平。該系統(tǒng)還集成有辦公自動化系統(tǒng)，方便主管部門日常辦公。（2）企業(yè)監(jiān)控中心系統(tǒng)企業(yè)監(jiān)控中心主要用于企業(yè)對自身的設(shè)備運行情況進行監(jiān)控，提高管理效率、提升管理水平。該系統(tǒng)實時收集企業(yè)各個監(jiān)測點的運行數(shù)據(jù)，并進行有效的處理與分析，及時產(chǎn)生預(yù)警。該系統(tǒng)對于采集的數(shù)據(jù)進行永久保存，系統(tǒng)提供多種高效數(shù)據(jù)查詢分析手段，方便用戶進行數(shù)據(jù)的提取與統(tǒng)計。該系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)與發(fā)往集團監(jiān)控中心（遠程監(jiān)控中心）的數(shù)據(jù)同步，方便企業(yè)掌握可靠的實時數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還配有企業(yè)辦公自動化系統(tǒng)，方便企業(yè)有效的對各種設(shè)備及設(shè)施進行管理，提高企業(yè)管理水平。（3）監(jiān)控現(xiàn)場監(jiān)控現(xiàn)場實現(xiàn)對現(xiàn)場運行設(shè)備的自動控制以及數(shù)據(jù)

23、的實時采集功能。該系統(tǒng)由兩大部分組成，一部分是設(shè)備自控與數(shù)據(jù)采集部分，該模塊安裝于各個監(jiān)測點的監(jiān)控現(xiàn)場，由多參數(shù)監(jiān)測儀、各種傳感變送器、電控柜和各種自控設(shè)備組成rs485工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)各個監(jiān)測點自動運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測、設(shè)備的控制、與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸與通信；另一部分由網(wǎng)絡(luò)攝像頭組成的以太網(wǎng)視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)監(jiān)測現(xiàn)場的視頻傳輸?，F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-2所示。 圖3-2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)圖3.3系統(tǒng)主要功能（1）溫室及其環(huán)境控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意，圖3-3。圖3-3 現(xiàn)場示意圖（2）溫室及其環(huán)境控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸對于溫度、濕度以及co2傳感器的數(shù)據(jù)由多參數(shù)監(jiān)測儀實時采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)實時發(fā)往現(xiàn)場顯示

24、屏并在本地存儲。同時，由監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)服務(wù)器輪詢多參數(shù)監(jiān)測儀來完成采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的輪詢周期可由用戶自行設(shè)置。監(jiān)控軟件所有采集到的數(shù)據(jù)，都在數(shù)據(jù)服務(wù)器中進行存儲，當(dāng)監(jiān)視終端發(fā)起數(shù)據(jù)查詢請求時，數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)請求，對本地存儲的數(shù)據(jù)進行檢索，將檢索結(jié)果發(fā)往請求監(jiān)視終端。（3）溫室及其環(huán)境設(shè)施的自動控制監(jiān)控軟件根據(jù)系統(tǒng)事先設(shè)定的控制策略，向多參數(shù)監(jiān)測儀發(fā)送控制策略，多參數(shù)監(jiān)測儀對采集到的數(shù)據(jù)作分析處理，根據(jù)用戶設(shè)定的控制策略，向多參數(shù)監(jiān)測儀的控制單元發(fā)送控制指令，由該控制單元根據(jù)控制指令，驅(qū)動相應(yīng)控制設(shè)備動作，完成自動控制。數(shù)據(jù)服務(wù)器還可以接收遠程的控制請求。當(dāng)數(shù)據(jù)服務(wù)器，接收到遠程控制請求，首先對控

25、制權(quán)限進行驗證，如果驗證通過，將向控制設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的控制命令；如果驗證不通過，將控制請求丟棄。（4）其他功能：【數(shù)據(jù)報警】【污水處理的數(shù)據(jù)顯示】【工藝流程模擬】【歷史數(shù)據(jù)查詢與分析】【報表統(tǒng)計與輸出】【視頻數(shù)據(jù)采集傳輸】3.4系統(tǒng)設(shè)備（1）多參數(shù)監(jiān)測儀及控制箱該系統(tǒng)是以多參數(shù)監(jiān)測儀為核心的自動控制箱。它是一項集監(jiān)測與控制為一體，有軟、硬件組成的精密儀器。該系統(tǒng)包括以下部分：hc7002多參數(shù)監(jiān)測儀：自動監(jiān)測溫室及其環(huán)境中的co2、溫度和濕度的數(shù)值，并存儲數(shù)據(jù)，如圖3-4；系統(tǒng)控制單元：根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略，對各種設(shè)備進行控制；超標(biāo)報警單元：根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)上、下限，進行本地聲音報警；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：

26、傳輸由多參數(shù)監(jiān)測儀自動監(jiān)測到的溫室及其環(huán)境中的co2、溫度和濕度的數(shù)據(jù)。（2）co2及溫濕度在線監(jiān)測傳感器傳感器以co2在線自動監(jiān)測為核心的co2及溫濕度一體傳感器，是一項集co2監(jiān)測和溫濕度監(jiān)測為一體，由硬件、軟件組成的精密傳感器。如圖3-5。該傳感器的構(gòu)成和具體功能如下：co2監(jiān)測：可檢測0-2000ppm/0-5000ppm的co2環(huán)境濃度；溫度檢測：可檢測0-50攝氏度的環(huán)境溫度；濕度檢測：可檢測0-95%的環(huán)境相對濕度；圖3-4 hc7002多參數(shù)監(jiān)測儀圖3-5 co2及溫濕度在線監(jiān)測傳感器圖3-5澳普瑞超聲波工業(yè)加濕機xh-812c圖3-6霍尼韋爾ml7420電動閥門執(zhí)行器（3）霍

27、尼韋爾(honeywell)ml7420a電動線性閥門執(zhí)行器溫度范圍:環(huán)境溫度-10 至 +50攝氏度 濕度 5 至 95% rh存儲溫度-40 至 +70攝氏度 濕度5 至 95% rh閥門介質(zhì)溫度可承受最高+130攝氏度信號: 輸入電壓范圍010vdc或者210vdc信號輸入 輸入阻抗ri = 100 k（4）超聲波霧化加濕機-澳普瑞超聲波工業(yè)加濕機xh-812c 超聲波霧化原理是采用電子超頻震蕩（震蕩頻率為1.7mhz，超過人的聽覺范圍，對人體及動物絕無傷害），通過霧化片的高頻諧振，將水拋離水面而產(chǎn)生自然飄逸的水霧，不需加熱或化學(xué)劑。加濕量12kg消耗功率1200w 外形尺寸（長*高*寬

28、）cm 70x56x22循環(huán)風(fēng)量（m3 /h）350第4章 系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計及仿真15.1 模糊數(shù)學(xué)與模糊控制理論 4.1.1模糊數(shù)學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)代各種控制系統(tǒng)的基本核心是決策系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和運籌。一般來說，決策是通過系統(tǒng)的模型來實現(xiàn)的。模型通?？梢苑譃閿?shù)學(xué)模型和非數(shù)學(xué)模型。一些非數(shù)學(xué)模還可以表達“思想和概念”模型。模型的建立往往需要兩個相互依存的條件：其一是系統(tǒng)狀態(tài)和環(huán)境的數(shù)據(jù)收集，其二是模型建立者的概念、知識和經(jīng)驗。而決策是建立在這個模型上的一系列判據(jù)的映射和結(jié)合7。模糊數(shù)學(xué)是建立非數(shù)學(xué)模型，表達和實現(xiàn)決策方式的一種很好的工具9。模糊數(shù)學(xué)是研究模糊邏輯的科學(xué)。20實際60年代美國加利福尼亞

29、大學(xué)系統(tǒng)工程科學(xué)家l.a.zadeh教授首先提出模糊集合的概念，為模糊集合的運用和模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。近年來，模糊數(shù)學(xué)得到了極大發(fā)展，已經(jīng)滲透到社會科學(xué)和自然科學(xué)的許多分支中，在理論上和實際運用上都取得了令人矚目的成果8。模糊邏輯也是一種簡單的將一空間的輸入映射到另一空間的輸出的一種規(guī)則。這種映射關(guān)系是模糊邏輯一切其他應(yīng)用的基礎(chǔ)和起點。模糊邏輯強調(diào)的重點是應(yīng)用的簡單和方便，這也是模糊邏輯被廣泛應(yīng)用的原因15。模糊性反映事物的不確定性和不精確性，確定性和不確定性也可歸結(jié)為相對的概念，在某種條件或范圍內(nèi)是確定和精確的，在另一種條件或范圍內(nèi)就是不確定和不精確的。 模糊控制方法應(yīng)用與工業(yè)控制領(lǐng)域

30、，已經(jīng)解決了許多實際問題，如各種家用電器：洗衣機的fuzzy洗滌，空調(diào)的fuzzy溫控，微波爐的fuzzy烹飪模式控制。與經(jīng)典的pid控制相比，模糊控制融入解耦思想，抗干擾能力強，適合制冷系統(tǒng)控制的使用要求 10 15。4.2模糊控制原理模糊控制的基礎(chǔ)和核心是模糊算法，它完全根據(jù)人的經(jīng)驗知識，“直接的” “人性化的”進行控制，特別是對于對象是非線性的環(huán)節(jié)，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，解耦合嚴(yán)重，難以精確描述系統(tǒng)過程11。模糊控制就是由設(shè)定的隸屬函數(shù)，求出控制輸入的隸屬度，據(jù)此進行模糊規(guī)則的判斷，得出模糊的控制輸出，在進行模糊量的運算，得出精確的輸出，實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的控制，控制被調(diào)量。其中隸屬函數(shù)的設(shè)置和模糊

31、控制規(guī)律的擬定，由控制對象及控制精度決定13。模糊控制基本原理圖如圖4-1。+-給定值模糊控制器傳感器被控對象執(zhí)行機構(gòu)計算控制變量模糊量化處理模糊控制規(guī)則反模糊化處理模糊決策d/a轉(zhuǎn)換a/d轉(zhuǎn)換圖4-1 模糊控制原理框圖4.3 模糊控制器設(shè)計模糊控制器是直接實現(xiàn)模糊推理算法的專用設(shè)備?？梢圆捎密浖陀布煞N方式完成一個模糊控制器的功能。當(dāng)計算量較小時，可以采用軟件實現(xiàn)模糊控制器。對于計算了較大、實時要求高的控制系統(tǒng)，需要用硬件設(shè)備直接實現(xiàn)模糊推理，以達到計算迅速、使用簡便的目的。4.3.1模糊控制器設(shè)計步驟與模糊推理過程相對應(yīng)，模糊控制器的設(shè)計主要涉及以下幾個內(nèi)容和步驟14:（1）模糊化模糊化

32、與反模糊化過程可被視為模糊規(guī)則與真實世界之間的窗口。一個實值輸入必須表示為模糊集的形式，才能進行推理計算。而模糊輸出集的信息必須被轉(zhuǎn)換為一個單值，這就是模糊推理的輸出實值。用一個模糊集表示實值信號的過程叫模糊化。在一個模糊系統(tǒng)處理實值輸入事，這個過程是必須的。實現(xiàn)一個模糊器有多種不同的方法，通常最多的是單值化，他將輸入轉(zhuǎn)化為一個二值的或是具有如下隸屬度的確切的單值變量模糊集a 4-1(2)建立模糊推理規(guī)則模糊規(guī)則表示為“ifthen”條件語句。更清楚的表示是，對多個變化條件的前提經(jīng)推理產(chǎn)生一個決策結(jié)果。在應(yīng)用中，通常將采用的模糊規(guī)則用模糊控制規(guī)則表的形式表示出來，在下表中給出一個模糊控制規(guī)則表

33、的例子。兩個輸入e和ec各7個模糊語言變量，由此生成49調(diào)模糊規(guī)則。為方便起見，按自左至右，自上而下的順序編號解釋其規(guī)則，如表4-1。表4-1 模糊控制規(guī)則表ecuenbnmnszopspmpbnbpbpbpbpbpmzozonmpbpbpbpbpmzozonspmpmpmpmzonsnszopmpmpszonsnmnmpspspszonmnmnmnmpmzozonmnbnbnbnbpbzozonmnbnbnbnbrule1: if e is nb and ec is nb then u is pb rule2: if e is nm and ec is nb then u is pbrule

34、3: if e is ns and ec is nb then u is pb 其中幾個常用的模糊語言變量的符號表示如下： nb（negative big）：負(fù)大 nm（negative medium）：負(fù)中 ns（negative small）：負(fù)小 zo（almost zero）：幾為零 ps （positive small）：正小 pm（positive medium）：正中 pb（positive big）：正大 模糊規(guī)則可以通過相關(guān)領(lǐng)域的專家指出，也可一通過大量試驗給出。無論哪種，達到的模糊規(guī)則都是近似的，因而還需要解決這些規(guī)則的協(xié)調(diào)問題。既要保證模糊規(guī)則的完整性，即對于任何模糊輸入

35、狀態(tài)，都必須產(chǎn)生一個模糊控制器輸出，又要保證模糊規(guī)則的相容性問題，即模糊規(guī)則之間不能得到相互矛盾的結(jié)論。解決這兩個問題，往往需要一定的工作經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)。在模糊推理系統(tǒng)中，模糊規(guī)則一模糊語言的形式描述人類的經(jīng)驗知識，規(guī)則是否正確地反映人類專家的經(jīng)驗和知識，是否能反映對象的特性，直接決定 了模糊推理系統(tǒng)的性能。通常模糊規(guī)則的形式是“if-then”規(guī)則，前提由對模糊語言變量的語言值描述構(gòu)成，如“溫度較高，壓力較低”，結(jié)論有對輸出模糊語言變量的語言之描述構(gòu)成。模糊規(guī)則的這種形式化表示符合人們通過自然語言對許多知識的描述和記憶習(xí)慣。模糊規(guī)則的建立是構(gòu)造模糊推理系統(tǒng)的關(guān)鍵，其建立方法主要有三種12：a

36、.總結(jié)操作人員、專家的經(jīng)驗和知識。操作人員在長期從事儀器設(shè)備的操作中，積累了大量的經(jīng)驗，這些經(jīng)驗往往具有模糊性的特點?？偨Y(jié)這些經(jīng)驗對構(gòu)造模糊規(guī)則有重要的指導(dǎo)意義：某個領(lǐng)域的專家則對該領(lǐng)域的各種過程及理由較深刻的認(rèn)識，對過程的運行特性能夠通過理論分析給出定性的結(jié)論以幫助簡歷模糊規(guī)則；b.基于過程的模糊模型。被控過程的動態(tài)特性可以用模糊模型來描述，被稱為過程的模糊模型?；谶^程的模糊模型可以產(chǎn)生一組模糊控制規(guī)則來使被控過程到達期望的性能。這種方法存在的困難就是難于獲得足夠充分反映被控過程特性的模糊模型及其參數(shù)。c.基于學(xué)習(xí)的方法。當(dāng)被控過程存在時變的特性或難以直接構(gòu)造模糊控制器時，可以通過設(shè)計具有

37、組織、自學(xué)習(xí)能力的模糊控制器來自動獲得模糊規(guī)則。procyk和mamdani首先提出了自組織模糊控制器的一種分級結(jié)構(gòu)，包括兩級控制規(guī)則：第一級直接用于控制對象，第二級根據(jù)測量數(shù)據(jù)和評價準(zhǔn)則在線修改第一級模糊規(guī)則。 在這三種方法中，第一種方法是最基本的，也是應(yīng)用最廣泛的方法。本論的模糊控制器該種方法，實際應(yīng)用中，初步建立的模糊規(guī)則往往難以達到良好的效果，必須不斷加以修正和試湊，并保證規(guī)則的完備性和相容性。 (3)確定權(quán)和規(guī)則信度 明確地建立模糊規(guī)則的權(quán)力和知識庫模糊規(guī)則信度之間的關(guān)系是相當(dāng)重要的。除了模糊表示的隱含關(guān)系常常沒有被完全考慮之外，有幾位研究者對上面的描述已經(jīng)提出非常相似的結(jié)論。例如，

38、考慮規(guī)則置信矩陣式二值的，即，對每一個輸入集，只有一個規(guī)則的信度是非零的，且為1。這個限制意味著，權(quán)值只能是有限個值中的一個。對每一個模糊輸入隸屬函數(shù)，允許超過一個規(guī)則的信度為有效，應(yīng)用位于單位區(qū)間內(nèi)的信度，允許相應(yīng)的權(quán)去估計任何位于模糊輸出集支集中的值。(4)選擇才適當(dāng)?shù)年P(guān)系生成方法和推理合成算法設(shè)計模糊控制器需要選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)系生成方法和推理合成算法。最常用的簡便方法是mamdani 方法。模糊推理算法和模糊規(guī)則直接相關(guān)。他的復(fù)雜性依賴于模糊規(guī)中的模糊集的隸屬函數(shù)的確定。選擇一些簡單的又能反映模糊算法推理結(jié)果的隸屬函數(shù)可以大大簡化模糊推理的計算過程。通常高斯隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)和三角形隸屬

39、函數(shù)是使用最多的隸屬函數(shù)。(5)反模糊化當(dāng)推理過程的輸出構(gòu)成一個模糊輸出集時，就有必要最終產(chǎn)生一表達模糊輸出的單值輸出。這個過程就是反模糊化，它的實現(xiàn)有多種方法。最常用的是最大值平均和重力中心算法，這兩種方法又可以歸屬于截斷法和代數(shù)法。因前者輸出值是在上具有最大隸屬度的值，它是基于對一段信息或多段信息的均值盡心輸出的估計，故稱截斷法。重心法使用輸出分布上每一點上的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)值分別進行輸出估計，又稱代數(shù)法。本論文在應(yīng)用c語言計算時采用簡便的截斷法，而使用matlab的fuzzy模塊時應(yīng)用重心法自動生成。由于當(dāng)輸入變化時，規(guī)則之間有更漸變的轉(zhuǎn)移，理論上，重力中心反模糊化易于產(chǎn)生一個更平滑的曲面。重力中

40、心反模糊化算法過程定義如下： 4-2工程應(yīng)用中對于多輸出系統(tǒng)，要求各輸出之間是各自獨立的，并且要求輸出不影響輸入及系統(tǒng)是解耦的。如果系統(tǒng)不能達到這個要求就需要對系統(tǒng)進行解耦處理。另外，系統(tǒng)在簡化之后還應(yīng)當(dāng)使得系統(tǒng)的各個輸入之間也是獨立的11。4.4 金針菇培育室的模糊控制器設(shè)計本論文以培育室三的溫濕度為控制對象，設(shè)備布置圖如圖2-7。分溫度控制和濕度控制兩個系統(tǒng)。溫控系統(tǒng)采用溫度誤差和溫度誤差變化率雙輸入，風(fēng)機盤管水量調(diào)節(jié)電動閥單輸出。濕控系統(tǒng)采用濕度誤差單輸入，加濕器水量閥單輸出。4.4.1溫控系統(tǒng) 本論文研究的前提是 ，認(rèn)為冷庫空調(diào)系統(tǒng)在正常運行后，溫度波動范圍在5-10，而本文做作的模糊

41、控制器的意義在于使5-10的庫溫集中到7.5附近，達到精度控制的目的。溫度要求：適宜溫度范圍5-10， 以7.5為中心進行控制。溫度測點布置：分散布置，每臺機組四周布置4個測點，對各測點采集值進行平均獲得溫度值輸入?？刂茍?zhí)行器:控制風(fēng)機盤管水流量調(diào)節(jié)閥。a.模糊控制器的語言變量模糊控制器的輸入語言變量選為冷庫環(huán)境實際溫度y與溫度給定值yg之間的溫度誤差e=y-yg及其變化率ec，而其輸出語言變量選為控制風(fēng)機盤管電動水閥開度。這樣，為溫控系統(tǒng)選定了一個雙輸入單輸出的模糊控制器。b.輸入輸出語言變量賦值表輸入語言變量誤差e賦值：誤差e的基本論域為5-10，選定e的論域為x=-6,-5，-0，+0，

42、+5，+6，則的誤差e的量化因子ke=6/2.5=2.4。為語言變量e選取8個語言值：pb,pm,ps,p0,n0,ns,nm和nb。通過操作者的實踐經(jīng)驗總結(jié)，確定出在論域x上用以描述模糊子集pb,，nb的隸屬度函數(shù)(x）,并據(jù)此建立語言變量e的賦值表,即表4-2。 表4-2 溫度誤差e賦值表隸屬度e-6-5-4-3-2-1-0+0+1+2+3+4+5+6語言值pb000000000000.20.71.0pm0000000000.20.71.00.70.2ps00000000.10.71.00.70.100p000000001.00.70.10000no00000.10.71.00000000

43、ns000.10.71.00.70.10000000nm0.20.71.00.70.2000000000nb1.00.70.200000000000誤差變化ec賦值表：設(shè)誤差變化率ec，基本論域為-2，2,選定ec的論域y=-6,-5，-0，+0，+5，+6，則的誤差e的量化因子ke=6/2=3。為語言變量ec選取pb,pm,ps,zo,ns,nm和nb 7個語言值。通過操作者的實踐經(jīng)驗總結(jié)，確定模糊子集pb,，nb的隸度函數(shù)(x）,并據(jù)此建立語言變量ec的賦值表,即表4-3。表4-3 溫度變化率ec賦值表隸屬度ec-6-5-4-3-2- 1+0+1+2+3+4+5+6語言值pb0000000

44、0000.20.71.0pm000000000.20.81.00.80.2ps00000000.81.00.80.200zo000000.51.00.500000ns000.20.81.00.80000000nm0.20.81.00.80.200000000nb1.00.70.20000000000輸出語言變量u的賦值表：控制量閥開度u的基本論域為0-90，選定u的論域為x=-6,-5，-0，+0，+5，+6，則的u的量化因子ke=90/12=7.5。同樣，為語言變量u選?。簆b,pm,ps,zo,ns,nm和nb7個語言值。通過操作者的實踐經(jīng)驗總結(jié)，確定模糊子集pb,，nb的隸度函數(shù)(x）,

45、并據(jù)此建立語言變量u的賦值表。表4-4 風(fēng)機盤管水閥開度u賦值表隸屬度u-6-5-4-3-2-1+0+1+2+3+4+5+6語言值pb00000000000.20.71.0pm000000000.20.81.00.80.2ps00000000.81.00.80.200zo000000.51.00.500000ns000.20.81.00.80000000nm0.20.81.00.80.200000000nb1.00.70.20000000000c.模糊狀態(tài)表：基于操作者手動控制策略的總結(jié)，給出以一組由56條模糊條件語句構(gòu)成的控制規(guī)則，將這些模糊條件語句加以歸納，可建立反映培育室溫控系統(tǒng)控制規(guī)則

46、的模糊控制狀態(tài)表。各語言值意義如表4-5.獲得的控制狀態(tài)表如表4-6.表4-5 溫控系統(tǒng)語言值實際意義溫差e語言變量意義：溫度變化率ec語言值意義：水閥開度u語言值意義：pb:溫度比起設(shè)定值相當(dāng)高；pm:溫度比起設(shè)定值比較高；ps:溫度比起設(shè)定值略高；po:溫度比起設(shè)定值稍高；no:溫度比起設(shè)定值稍低；ns:溫度比起設(shè)定值略低；nm:溫度比起設(shè)定值比較低；nb:溫度比起設(shè)定值相當(dāng)?shù)?；pb:正溫度變化趨勢相當(dāng)大；pm:正溫度變化趨勢比較大；ps:正溫度變化趨勢略大；zo:溫度變化趨勢為0；ns:負(fù)溫度變化趨勢略大；nm:負(fù)溫度變化趨勢比較大；nb:負(fù)溫度變化趨勢相當(dāng)大；pb:水閥正向開度相當(dāng)大；

47、pm:水閥正向開度比較大；ps:水閥正向開度略大；zo:水閥開度不變；ns:水閥負(fù)向開度略大；nm:水閥負(fù)向開度比較大；nb:水閥負(fù)向開度相當(dāng)大；表4-6水閥開度模糊控制狀態(tài)表uepbpmpsp0n0nsnmnbecpbpbpbpbpbpmpmpszopmpbpbpbpbpmpmzonspspbpmpmpmpmzonsnszopmpmpszozonsnmnmnspspszonmnmnmnmnmnmpszonmnbnbnbnbnbnbzozonmnbnbnbnbnb模糊控制狀態(tài)表包含的每一條模糊條件語句都決定一個模糊關(guān)系，他們共有56個。自上而下，從左到右，這些控制規(guī)則為：rule1: if e

48、 is pb and ec is pb then u is pb;規(guī)則1:如果溫度相當(dāng)高，并且溫度升高趨勢相當(dāng)大，則風(fēng)機盤管水量閥門正向開度相當(dāng)大；rule2: if e is pb and ec is pm then u is pb;規(guī)則2:如果溫度相當(dāng)高，并且溫度升高趨勢比較大，則風(fēng)機盤管水量閥門正向開度相當(dāng)大；rule3: if e is pb and ec is ps then u is pb;規(guī)則3:如果溫度相當(dāng)高，并且溫度升高趨勢略大，則風(fēng)機盤管水量閥門正向開度相當(dāng)大；rule4: if e is pb and ec is zo then u is pm;規(guī)則4:如果溫度相當(dāng)高，并

49、且溫度升高趨勢幾乎為0，則風(fēng)機盤管水量閥門正向開度比較大；rule5: if e is pb and ec is ns then u is ps;規(guī)則5:如果溫度相當(dāng)高，并且溫度降低趨勢略大，則風(fēng)機盤管水量閥門正向開度略大；rule6: if e is pb and ec is nm then u is ps ;規(guī)則6:如果溫度相當(dāng)高，并且溫度降低趨勢比較大，則風(fēng)機盤管水量閥門正向開度略大；rule7: if e is pb and ec is nb then u is z0;規(guī)則7:如果溫度相當(dāng)高，并且溫度降低趨勢相當(dāng)大，則風(fēng)機盤管水量閥門開度不變； 其余規(guī)則按同理解釋。通過這56個關(guān)系ri

50、(i=1,2,，55，56)的“并”運算，可獲取表征培育室溫控系統(tǒng)控制規(guī)則的綜合模糊關(guān)系r=r1r2r55r56=ri其中，模糊關(guān)系ri(i=1,2,，56)及r的計算均可離線進行，本論文采用matlab輔助計算，計算程序見本論文附錄1。d.查詢表計算出模糊關(guān)系r后，基于推理合成規(guī)則，由系統(tǒng)誤差e的論域x=-6,-5，-0，+0，+5，+6和誤差變化率ec的論域y=-6,-5，-0，+0，+5，+6，根據(jù)語言變量誤差e和誤差變化ec賦值表，針對論域x,y全部元素的所有組合，求取相應(yīng)的語言變量控制量變化u的模糊集合，并應(yīng)用最大隸屬度法對此模糊集合進行模糊判決，取得以論域z=-6,-5，-0，+0，+5，+6的元素表示的控制量變化值u。查詢表如表4-6。水閥開度真實查詢表如表4-7。風(fēng)機盤管水量閥值u溫度誤差輸入e-6-5-4-3-2-1-0+0+1+2+3+4+5+6溫度變化率輸入ec-6-4.88-4.33-4.25-4.16-4.25-4.16-4.25-4.25-4.16-4.25-4.03-3.51-3.36-3.32-5-4.36-4.0-3.66-3.63-3.63-3.63-3.63-3.63-3.63-3.63-