第2章 模糊控制器的设计
2.1 模糊控制的基本原理
模糊控制的基本原理可由图2.1表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框中所示。模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值然后将此量与给定值比较得到误差信号E,一般误差信号E作为模糊控制器的输入量。把误差信号的精确量进行模糊化得到模糊量，误差E的模糊量可以响应的模糊语言表示。至此，得到模糊误差E的模糊语言集合的一个子集e。再由e和模糊控制规则根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量u。
图2.1 模糊控制器原理框图
2.2 模糊控制器的设计
（1）精确量的模糊化
模糊控制器的输入要求为模糊集合，因此需要将确定数模糊化。常用的方法有以下两种: ① 将确定数如e1看作模糊集合E1的一个特例。此时，模糊集合E1只包含一个元素ni, ni=Ke*e1,在该元素上的隶属度为，即
E1=〔0 0 ?0 1 0 ?0〕 （2.5）
② 根据确定数e1及量化因子Ke，由ni=Ke*e1求得e1在基本论域〔-e，e〕上的量化等级ni；其次查找语言变量E的赋值表，找出在元素ni上与最大隶属度对应的语言值所决定的模糊集合，该模糊集合就代表了确定数e1的迷糊化。 （2） 模糊控制算法设计
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模糊控制算法，或称模糊控制规则，实质上是将操作者在控制过程中的手动操作策略加以总结而得到的模糊条件语句的集合。除了用模糊条件语句表达控制规则外，还可以用模糊控制状态表来表示。
常见的模糊控制器结构如图2.2所示，其中分(a)、(b)、(c)分别对应单输入单输出模糊控制器、双输入单输出模糊控制器、多输入单输出模糊控制器。
(a)单入单出模糊控制器 (b)双入单出模糊控制器 (c)多入单出模糊控制器
图2.2 模糊控制器结构
模糊 控制器 模糊 控制器 模糊 控制器 （3） 模糊控制状态表与查询表的建立
由if E=NB or NM and EC=NB or NM then u=PB所确定的模糊关系可用式2.6写出，即：
（2.6）
如果令此刻采样所得到的实际误差量为e且误差的变化为ec，由式u?e?R可以算出控制量为：
（2.7）
对于e及ec的隶属函数值对应于所量化的等级上取1，其余均取零，这样式2.7可以简化为：
u1?min{max[?NBE(i);?NME(i)];max[?NBEC(j);?NMEC(j)];?PBU(x)} （2.8）
x式中?NBE(i)，?NME(i)是模糊集合NBE和NME第i个元素的隶属度，而?NBEC(j)，
?NM(j)是模糊集合NBEC和NMEC第j个元素的隶属度。
EC同理，可以由其余各条语句分别求出控制量u2,???,u21，控制量为模糊集合u，表示为：u?u1?u2?????u21 (2.9)
由式2.9计算出的模糊控制量可以选用一种判决方法，如最大隶属度法，将控制量由模糊量变为精确量。
由模糊条件语句表达的控制规则，可得出如表2.4所示的模糊控制状态表以及如表2.5所示的模糊控制器查询表
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表2.4 模糊控制规则表
NB NM NS 0 PS PM PB NB PB PB PB PB PM 0 0 NM PB PB PB PB PM 0 0 NS PM PM PM PM 0 NS NS N0 PM PM PS 0 NS NM NM P0 PM PM PS 0 NS NM NM PS PS PS 0 NM NM NM NM PM 0 0 NM NB NB NB NB PB 0 0 NM NB NB NB NB 表2.5 模糊控制器查询表
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -6 7 6 7 6 7 7 7 4 4 2 0 0 0 -5 6 6 6 6 6 6 6 4 4 2 0 0 0 -4 7 6 7 6 7 7 7 4 4 2 0 0 0 -3 7 6 6 6 6 6 6 3 2 0 -1 -1 -1 -2 4 4 4 5 4 4 4 1 0 0 -1 -1 -1 -1 4 4 4 5 4 4 1 0 0 0 -3 -2 -1 0 4 4 4 5 1 1 0 -1 -1 -1 -4 -4 -4 0 4 4 4 5 1 1 0 -1 -1 -1 -4 -4 -4 1 2 2 2 2 0 0 -1 -4 -4 -3 -4 -4 -4 2 1 2 1 2 0 -3 -4 -4 -4 -3 -4 -4 -4 3 0 0 0 0 -3 -3 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 4 0 0 0 -2 -4 -4 -7 -7 -7 -6 -7 -6 -7 5 0 0 0 -2 -4 -4 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 6 0 0 0 -2 -4 -4 -7 -7 -7 -6 -7 -6 -7 8
第3章 系统硬件设计
3.1 系统总体方案
本系统中，需要检测的输入信号有出水口温度和内胆温度及水流检测信号。需要输出的信号主要是双向可控硅的导通时间以控制加热功率的大小。还要完成数据的实时显示及各工作阶段指示、出水温度的设置、自动检测故障原因并显示等功能，还具有各种完善的保护功能，如温度的超限报警、防干烧。系统结构框图如下：
图3.1 系统结构框图
3.2 系统硬件组成及工作原理
温度传感
AT89S52 键盘、显示水流检测加热输出控 过零检测工作指示和 图3.2 控制系统原理框图
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即热式电热水器控制系统由水流检测电路、显示键盘电路、测温电路、加热输出控制电路、工作指示及保护电路和过零检测等电路组成。
控制系统原理框图如图3.2所示。首先通过温度传感器DS18B20将出水口温度直接变换成数字量送到单片机。单片机对接收到的信号与设定信号进行比较，采用模糊控制的方法，输出一个控制量，控制可控硅的导通周波数，以实现对加热量的控制。同时用LED显示当前温度。
3.3 系统硬件电路的设计
控制系统硬件电路图如附录所示，下面就各个硬件电路设计模块分别描述。 （1） 温度检测电路
DS18B20测温原理
如图3.3所示，图中低温度系数晶振用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
高温度系数振荡器减法计数器2减到零减到零温度寄存器低温度系数振荡器减法计数器1预置预置计数比较器斜率累加器图3.3 DS18B20测温原理图 减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
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