电冰箱模糊测控开发平台的实现

摘要：介绍不用于电冰箱模糊控制技术研究的测控开发实验平台的系统组成和软件设计思想。该平台对被研究对象进行实时多路测度采集、显示、存储和实时模糊控制,并且能在线修改控制规则,以获取电冰箱的最佳控制模型和参数。

关键词：开发平台 测控系统 模糊控制 单片机

当工程师利用单片机开发家电的嵌入式微电脑模糊控制器时,控制规则库的设计一开始主要依靠专家的现有知识和经验以及被控制对象已有的测试数据。由此设计的控制品质难以即时得到验证,只有将单片机控制器通过装机运行测试,才能验证控制模型的有效性,有时甚至要改动单片机软件结构。而国外半导体公司推出的模糊控制开发工具(系统)虽然在语言变量和规则的图形编辑、离线模拟调试及目标单片机的汇编代码生成方面做得较好,但在实际使用时有许多不足之处、这样,用户在单片机选型时会受到很大局限,对后续产品的系列开发不利。为此,作者等人研制不适用于电冰箱的模糊控制技术应用 开发实验平台及相应软件包。

1 测控开发平台的系统组成及基本功能

1.1 测控开发平台的系统组成

开发实验平台采用主-从机分布式结构。整个系统的结构及应用组成如图1所示。

主机是奔腾586微机,应用软件包由面向对象的VB5程序设计语言实现,运行于Windows环境下。主要完成控制模型的语言方式输入、对实际测量值的模糊化、模糊逻辑推理及反模糊化,再将求得的精确输出量通过RS232标准总线与从机进行数据通讯。

从机是以意-法半导体公司的高性能单片机ST62E32为核心的模拟输入测量/输出控制单元,包括多路8bit温度采集、4路模拟开关量输入、6路功率控制输出、4路低压控制输出及与主机的RS232通信接口,并有掉电状态记忆功能。从机的电路原理框图如图2所示。

温度感知模块主要对冷藏室、冰温室、菜室、冷冻室以及蒸发器、环境等位置进行多传感器分布,以对被测冰箱系统的运行和温度变化及分布情况做深入了解,提取能反映冰箱温度变化的特征。传感器采用性能稳定可靠的高精度热敏电阻。

开关信号检测：检测冷藏室、冷冻室门的开关次数/频度;利用HT7044进行欠压检测、过零检测以及通讯状态的检测。

输出控制模块：通过UL2003驱动器及继电器控制压缩机、风机、电磁阀、风门等控制对象。

通讯接口模块：由MAXIM公司的RS232接口IC MAX202E及简单的外围阻容器件实现主、从机数据通讯。由于ST62E32单片机的UART的TX端口是反极性的(相对于标准的RS232通讯协议),因此,从机的发射信号应该进行一次反相。

1.2 开发平台的主要功能

①用户通过灵活的菜单界面,定义编辑模糊控制器的前件、后件及其论域和基本的模糊控制规则集。

②主机接收从机发来的关于冰箱温度、开关等信息,通过分析软件得到精确的控制量后再发回从机,对被测冰箱进行实时模糊控制,并对控制效果进行分析评估,按一定的准则,自适应调整模糊变量的语言值,以期得到最佳参数。

③用户可以方便地用描述语言在线修改模糊子集的数量和规则库。

④实时显示温度测量曲线、推理结果、评估结果以及有关的国标测量参数(如冷冻能力、平均储藏温度等)并以文件格式存储。

⑤从机既可与主机联机通讯运行,又可以脱离主机独立运行控制冰箱。

2 软件设计

2.1 软件主控流程

主机的系统软件主要是从从机获取测量信息并进行模糊逻辑推理、对从机控制以及对控制结果进行评估,见图3。

从机主要对冰箱的物理量进行测量并传递给主机,同时获得主机的控制指令以对目标实时控制,流程图见图4。

2.2 模糊控制算法的设计

主机软件中的模糊控制模块针对需要开发的不同类型的冰箱选用不同的控制算法,由主菜单选择。下面以风冷冰箱的冷藏室风门控制为例进行说明。当一款新型风冷冰箱样机研制好后,通过平台的主菜单选择控制算法,以确定较佳的模糊算法,并将各种参数提供给单片机控制器。算法选择如下：

前件选用当前食品温度与设定值的温差ΔT,其语言值取为大(H)、中(M)、低(L)(即三个模糊子集);温差ΔT的变化率为dΔT,其语言值为快(Fd)、中(Md)、慢(Sd);环境温度为TAM,其语言值取为太高(HT)、高(H)、低(L)、太低(TL);后件是风门开度大小,以FMKB表示,其语言值取为大(FH)、较大(FMH)、中(FM)、较小(FML)、小(FL)。各语言变量的隶属函数主要采用梯形和三解形隶属函数。对某一环温下的控制规则表见表 1。

表1 风门的模糊控制规则表

ΔT

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

根据环温的变化对模糊规则进行分块平移处理。

2.3 开放式软件接口模块的设计

对于新的冰箱,当需要全新的控制算法时,控制设计人员可以自行设计合适的新算法,通过系统编译,以函数的形式(接口传递参数已预定义)由主程序调用(通过主菜单选择),从而极大地增加了平台的控制灵活性。

2.4 性能评价准则

为了能对每次设计的控制模型的实际控制效果给出较客观的评价,引入了距离逼近函数：

T0为理想的温度设定值,DT(i)为控制模型第i次设计后的实际控制的温度结果与T0的差值经过N次实验样本的算术平均值,j=1,2,…N。DT(i)越小,说明控制模型的品质越好,这也正是我们希望得到的。

作者在研制开发BCD241D电控冰箱、BCD-278F大容积直冷式变频模糊控制电冰箱时,就利用了这一开发平台,很快地获取了较合理的模糊控制规则以及各种参数,与单纯地反复修改单片机汇编代码进行测试的方法相比,极大地缩短了开发周期。