摘? 要： 介紹了用于電冰箱模糊控制技術(shù)研究的測控開發(fā)實驗平臺的系統(tǒng)組成和軟件設(shè)計思想。該平臺能對被研究對象進(jìn)行實時多路溫度采集、顯示、存儲和實時模糊控制，并且能在線修改控制規(guī)則，以獲取電冰箱的最佳控制模型和參數(shù)。
關(guān)鍵詞： 開發(fā)平臺? 測控系統(tǒng)? 模糊控制? 單片機(jī)
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當(dāng)工程師利用單片機(jī)開發(fā)家電的嵌入式微電腦模糊控制器時，控制規(guī)則庫的設(shè)計一開始主要依靠專家的現(xiàn)有知識和經(jīng)驗以及被控制對象已有的測試數(shù)據(jù)。由此設(shè)計的控制品質(zhì)難以即時得到驗證，只有將單片機(jī)控制器通過裝機(jī)運行測試，才能驗證控制模型的有效性，有時甚至要改動單片機(jī)軟件結(jié)構(gòu)。而國外半導(dǎo)體公司推出的模糊控制開發(fā)工具(系統(tǒng))雖然在語言變量和規(guī)則的圖形編輯、離線模擬調(diào)試及目標(biāo)單片機(jī)的匯編代碼生成方面做得較好，但在實際使用時有許多不足之處。這樣，用戶在單片機(jī)選型時會受到很大局限，對后續(xù)產(chǎn)品的系列開發(fā)不利。為此，作者等人研制了適用于電冰箱的模糊控制技術(shù)應(yīng)用的開發(fā)實驗平臺及相應(yīng)軟件包。
1 測控開發(fā)平臺的系統(tǒng)組成及基本功能
1.1? 測控開發(fā)平臺的系統(tǒng)組成
? 開發(fā)實驗平臺采用主-從機(jī)分布式結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用組成如圖1所示。
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主機(jī)是奔騰586 微機(jī)，應(yīng)用軟件包由面向?qū)ο蟮腣B5 程序設(shè)計語言實現(xiàn)，運行于Windows環(huán)境下。主要完成控制模型的語言方式輸入、對實際測量值的模糊化、模糊邏輯推理及反模糊化，再將求得的精確輸出量通過RS232標(biāo)準(zhǔn)總線與從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
從機(jī)是以意-法半導(dǎo)體公司的高性能單片機(jī) 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(jī)的RS232通信接口，并有掉電狀態(tài)記憶功能。從機(jī)的電路原理框圖如圖2所示。
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溫度感知模塊主要對冷藏室、冰溫室、蔬菜室、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(tǒng)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(wěn)定可靠的高精度熱敏電阻。
開關(guān)信號檢測:檢測冷藏室、冷凍室門的開關(guān)次數(shù)/頻度;利用HT7044進(jìn)行欠壓檢測、過零檢測以及通訊狀態(tài)的檢測。
輸出控制模塊:通過UL2003驅(qū)動器及繼電器控制壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、電磁閥、風(fēng)門等控制對象。
通訊接口模塊:由MAXIM公司的RS232接口IC MAX202E及簡單的外圍阻容器件實現(xiàn)主、從機(jī)數(shù)據(jù)通訊。由于ST62E32單片機(jī)的UART的TX端口是反極性的(相對于標(biāo)準(zhǔn)的RS232通訊協(xié)議)，因此，從機(jī)的發(fā)射信號應(yīng)該進(jìn)行一次反相。
1.2 開發(fā)平臺的主要功能
①用戶通過靈活的菜單界面，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(guī)則集。
②主機(jī)接收從機(jī)發(fā)來的關(guān)于冰箱溫度、開關(guān)等信息，通過分析軟件得到精確的控制量后再發(fā)回從機(jī)，對被測冰箱進(jìn)行實時模糊控制，并對控制效果進(jìn)行分析評估，按一定的準(zhǔn)則，自適應(yīng)調(diào)整模糊變量的語言值，以期得到最佳參數(shù)。
③用戶可以方便地用描述語言在線修改模糊子集的數(shù)量和規(guī)則庫。
④實時顯示溫度測量曲線、推理結(jié)果、評估結(jié)果以及有關(guān)的國標(biāo)測量參數(shù)(如冷凍能力、平均儲藏溫度等)，并以文件格式存儲。
⑤從機(jī)既可與主機(jī)聯(lián)機(jī)通訊運行，又可以脫離主機(jī)獨立運行控制冰箱。
2 軟件設(shè)計
2.1 軟件主控流程
主機(jī)的系統(tǒng)軟件主要是從從機(jī)獲取測量信息并進(jìn)行模糊邏輯推理、對從機(jī)控制以及對控制結(jié)果進(jìn)行評估，見圖3。
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從機(jī)主要對冰箱的物理量進(jìn)行測量并傳遞給主機(jī)，同時獲得主機(jī)的控制指令以對目標(biāo)實時控制，流程圖見圖4。
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2.2 模糊控制算法的設(shè)計
主機(jī)軟件中的模糊控制模塊針對需要開發(fā)的不同類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)門控制為例進(jìn)行說明。當(dāng)一款新型風(fēng)冷冰箱樣機(jī)研制好后，通過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(shù)提供給單片機(jī)控制器。算法選擇如下:
前件選用當(dāng)前食品溫度與設(shè)定值的溫差ΔT，其語言值取為大(H)、中(M)、低(L)(即三個模糊子集);溫差ΔT的變化率為dΔT，其語言值取為快(Fd)、中(Md)、慢(Sd);環(huán)境溫度為TAM，其語言值取為太高(TH)、高(H)、中(M)、低(L)、太低(TL);后件是風(fēng)門開度大小，以FMKB表示，其語言值取為大(FH)、較大(FMH)、中(FM)、較小(FML)、小(FL)。各語言變量的隸屬函數(shù)主要采用梯形和三角形隸屬函數(shù)。對某一環(huán)溫下的控制規(guī)則表見表1。
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根據(jù)環(huán)溫的變化對模糊規(guī)則進(jìn)行分塊平移處理。
2.3 開放式軟件接口模塊的設(shè)計
對于新的冰箱，當(dāng)需要全新的控制算法時，控制設(shè)計人員可以自行設(shè)計合適的新算法，通過系統(tǒng)編譯，以函數(shù)的形式(接口傳遞參數(shù)已預(yù)定義)由主程序調(diào)用(通過主菜單選擇)，從而極大地增加了平臺的控制靈活性。
2.4 性能評價準(zhǔn)則
為了能對每次設(shè)計的控制模型的實際控制效果給出較客觀的評價，引入了距離逼近函數(shù):
T0為理想的溫度設(shè)定值，DT(i)為控制模型第i次設(shè)計后的實際控制的溫度結(jié)果與T0的差值經(jīng)過 N次實驗樣本的算術(shù)平均值，j=1，2，…N。DT(i)越小，說明控制模型的品質(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，就利用了這一開發(fā)平臺，很快地獲取了較合理的模糊控制規(guī)則以及各種參數(shù)，與單純地反復(fù)修改單片機(jī)匯編代碼進(jìn)行測試的方法相比，極大地縮短了開發(fā)周期。
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參考文獻(xiàn)
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2 竇振中.模糊邏輯控制計算及其應(yīng)用.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1995
3 詹昌輝.一種電冰箱的微電腦模糊控制器.廣東自動化與信息工程，1997(12)
4 余永權(quán).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1992