電冰箱模糊測控開(kāi)發(fā)平臺的實(shí)現

摘要：介紹不用于電冰箱模糊控制技術(shù)研究的測控開(kāi)發(fā)實(shí)驗平臺的系統組成和軟件設計思想。該平臺對被研究對象進(jìn)行實(shí)時(shí)多路測度采集、顯示、存儲和實(shí)時(shí)模糊控制,并且能在線(xiàn)修改控制規則,以獲取電冰箱的最佳控制模型和參數。

關(guān)鍵詞：開(kāi)發(fā)平臺 測控系統 模糊控制 單片機

當工程師利用單片機開(kāi)發(fā)家電的嵌入式微電腦模糊控制器時(shí),控制規則庫的設計一開(kāi)始主要依靠專(zhuān)家的現有知識和經(jīng)驗以及被控制對象已有的測試數據。由此設計的控制品質(zhì)難以即時(shí)得到驗證,只有將單片機控制器通過(guò)裝機運行測試,才能驗證控制模型的有效性,有時(shí)甚至要改動(dòng)單片機軟件結構。而國外半導體公司推出的模糊控制開(kāi)發(fā)工具(系統)雖然在語(yǔ)言變量和規則的圖形編輯、離線(xiàn)模擬調試及目標單片機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(hù)在單片機選型時(shí)會(huì )受到很大局限,對后續產(chǎn)品的系列開(kāi)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)應用 開(kāi)發(fā)實(shí)驗平臺及相應軟件包。

1 測控開(kāi)發(fā)平臺的系統組成及基本功能

1.1 測控開(kāi)發(fā)平臺的系統組成

開(kāi)發(fā)實(shí)驗平臺采用主-從機分布式結構。整個(gè)系統的結構及應用組成如圖1所示。

主機是奔騰586微機,應用軟件包由面向對象的VB5程序設計語(yǔ)言實(shí)現,運行于Windows環(huán)境下。主要完成控制模型的語(yǔ)言方式輸入、對實(shí)際測量值的模糊化、模糊邏輯推理及反模糊化,再將求得的精確輸出量通過(guò)RS232標準總線(xiàn)與從機進(jìn)行數據通訊。

從機是以意-法半導體公司的高性能單片機ST62E32為核心的模擬輸入測量/輸出控制單元,包括多路8bit溫度采集、4路模擬開(kāi)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的RS232通信接口,并有掉電狀態(tài)記憶功能。從機的電路原理框圖如圖2所示。

溫度感知模塊主要對冷藏室、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,以對被測冰箱系統的運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。傳感器采用性能穩定可靠的高精度熱敏電阻。

開(kāi)關(guān)信號檢測：檢測冷藏室、冷凍室門(mén)的開(kāi)關(guān)次數/頻度;利用HT7044進(jìn)行欠壓檢測、過(guò)零檢測以及通訊狀態(tài)的檢測。

輸出控制模塊：通過(guò)UL2003驅動(dòng)器及繼電器控制壓縮機、風(fēng)機、電磁閥、風(fēng)門(mén)等控制對象。

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)現主、從機數據通訊。由于ST62E32單片機的UART的TX端口是反極性的(相對于標準的RS232通訊協(xié)議),因此,從機的發(fā)射信號應該進(jìn)行一次反相。

1.2 開(kāi)發(fā)平臺的主要功能

①用戶(hù)通過(guò)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則集。

②主機接收從機發(fā)來(lái)的關(guān)于冰箱溫度、開(kāi)關(guān)等信息,通過(guò)分析軟件得到精確的控制量后再發(fā)回從機,對被測冰箱進(jìn)行實(shí)時(shí)模糊控制,并對控制效果進(jìn)行分析評估,按一定的準則,自適應調整模糊變量的語(yǔ)言值,以期得到最佳參數。

③用戶(hù)可以方便地用描述語(yǔ)言在線(xiàn)修改模糊子集的數量和規則庫。

④實(shí)時(shí)顯示溫度測量曲線(xiàn)、推理結果、評估結果以及有關(guān)的國標測量參數(如冷凍能力、平均儲藏溫度等)并以文件格式存儲。

⑤從機既可與主機聯(lián)機通訊運行,又可以脫離主機獨立運行控制冰箱。

2 軟件設計

2.1 軟件主控流程

主機的系統軟件主要是從從機獲取測量信息并進(jìn)行模糊邏輯推理、對從機控制以及對控制結果進(jìn)行評估,見(jiàn)圖3。

從機主要對冰箱的物理量進(jìn)行測量并傳遞給主機,同時(shí)獲得主機的控制指令以對目標實(shí)時(shí)控制,流程圖見(jiàn)圖4。

2.2 模糊控制算法的設計

主機軟件中的模糊控制模塊針對需要開(kāi)發(fā)的不同類(lèi)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(mén)控制為例進(jìn)行說(shuō)明。當一款新型風(fēng)冷冰箱樣機研制好后,通過(guò)平臺的主菜單選擇控制算法,以確定較佳的模糊算法,并將各種參數提供給單片機控制器。算法選擇如下：

前件選用當前食品溫度與設定值的溫差ΔT,其語(yǔ)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(yǔ)言值為快(Fd)、中(Md)、慢(Sd);環(huán)境溫度為T(mén)AM,其語(yǔ)言值取為太高(HT)、高(H)、低(L)、太低(TL);后件是風(fēng)門(mén)開(kāi)度大小,以FMKB表示,其語(yǔ)言值取為大(FH)、較大(FMH)、中(FM)、較小(FML)、小(FL)。各語(yǔ)言變量的隸屬函數主要采用梯形和三解形隸屬函數。對某一環(huán)溫下的控制規則表見(jiàn)表 1。

表1 風(fēng)門(mén)的模糊控制規則表

ΔT

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

根據環(huán)溫的變化對模糊規則進(jìn)行分塊平移處理。

2.3 開(kāi)放式軟件接口模塊的設計

對于新的冰箱,當需要全新的控制算法時(shí),控制設計人員可以自行設計合適的新算法,通過(guò)系統編譯,以函數的形式(接口傳遞參數已預定義)由主程序調用(通過(guò)主菜單選擇),從而極大地增加了平臺的控制靈活性。

2.4 性能評價(jià)準則

為了能對每次設計的控制模型的實(shí)際控制效果給出較客觀(guān)的評價(jià),引入了距離逼近函數：

T0為理想的溫度設定值,DT(i)為控制模型第i次設計后的實(shí)際控制的溫度結果與T0的差值經(jīng)過(guò)N次實(shí)驗樣本的算術(shù)平均值,j=1,2,…N。DT(i)越小,說(shuō)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(kāi)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(kāi)發(fā)平臺,很快地獲取了較合理的模糊控制規則以及各種參數,與單純地反復修改單片機匯編代碼進(jìn)行測試的方法相比,極大地縮短了開(kāi)發(fā)周期。