摘要：介紹不用于電冰箱模糊控制技術研究的測控開發實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行實時多路測度采集、顯示、存儲和實時模糊控制,并且能在線修改控制規則,以獲取電冰箱的最佳控制模型和參數。

關鍵詞：開發平臺 測控系統 模糊控制 單片機

當工程師利用單片機開發家電的嵌入式微電腦模糊控制器時,控制規則庫的設計一開始主要依靠專家的現有知識和經驗以及被控制對象已有的測試數據。由此設計的控制品質難以即時得到驗證,只有將單片機控制器通過裝機運行測試,才能驗證控制模型的有效性,有時甚至要改動單片機軟件結構。而國外半導體公司推出的模糊控制開發工具(系統)雖然在語言變量和規則的圖形編輯、離線模擬調試及目標單片機的匯編代碼生成方面做得較好,但在實際使用時有許多不足之處、這樣,用戶在單片機選型時會受到很大局限,對后續產品的系列開發不利。為此,作者等人研制不適用于電冰箱的模糊控制技術應用 開發實驗平臺及相應軟件包。

1 測控開發平臺的系統組成及基本功能

1.1 測控開發平臺的系統組成

開發實驗平臺采用主-從機分布式結構。整個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程序設計語言實現,運行于Windows環境下。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標準總線與從機進行數據通訊。

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路模擬開關量輸入、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、冷凍室以及蒸發器、環境等位置進行多傳感器分布,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。

開關信號檢測：檢測冷藏室、冷凍室門的開關次數/頻度;利用HT7044進行欠壓檢測、過零檢測以及通訊狀態的檢測。

輸出控制模塊：通過UL2003驅動器及繼電器控制壓縮機、風機、電磁閥、風門等控制對象。

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通訊協議),因此,從機的發射信號應該進行一次反相。

1.2 開發平臺的主要功能

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則集。

②主機接收從機發來的關于冰箱溫度、開關等信息,通過分析軟件得到精確的控制量后再發回從機,對被測冰箱進行實時模糊控制,并對控制效果進行分析評估,按一定的準則,自適應調整模糊變量的語言值,以期得到最佳參數。

③用戶可以方便地用描述語言在線修改模糊子集的數量和規則庫。

④實時顯示溫度測量曲線、推理結果、評估結果以及有關的國標測量參數(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行模糊邏輯推理、對從機控制以及對控制結果進行評估,見圖3。

從機主要對冰箱的物理量進行測量并傳遞給主機,同時獲得主機的控制指令以對目標實時控制,流程圖見圖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發的不同類型的冰箱選用不同的控制算法,由主菜單選擇。下面以風冷冰箱的冷藏室風門控制為例進行說明。當一款新型風冷冰箱樣機研制好后,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,其語言值為快(Fd)、中(Md)、慢(Sd);環境溫度為TAM,其語言值取為太高(HT)、高(H)、低(L)、太低(TL);后件是風門開度大小,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主要采用梯形和三解形隸屬函數。對某一環溫下的控制規則表見表 1。

表1 風門的模糊控制規則表

ΔT

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

根據環溫的變化對模糊規則進行分塊平移處理。

2.3 開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,控制設計人員可以自行設計合適的新算法,通過系統編譯,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 性能評價準則

為了能對每次設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：

T0為理想的溫度設定值,DT(i)為控制模型第i次設計后的實際控制的溫度結果與T0的差值經過N次實驗樣本的算術平均值,j=1,2,…N。DT(i)越小,說明控制模型的品質越好,這也正是我們希望得到的。

作者在研制開發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行測試的方法相比,極大地縮短了開發周期。