电冰箱模糊控制技术应用分析.doc

河北科技师范学院欧美学院 家电维修课程专题论文论文题目： 电冰箱模糊控制技术应用分析 学生姓名： 任宇 学 号： 9310100705 指导教师： 庞海明 专 业： 电子信息工程 年 级： 10级01班 欧美学院河北科技师范学院专题论文声明本人郑重声明：所呈交的专题论文，是本人在老师指导下，进行实践工作所完成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文的成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文声明的法律责任由本人承担。签名： 年 月 日 第 页 共9页 电冰箱模糊控制技术应用分析摘要：本文对模糊控制的定义进行了简单概述，主要论述了模糊控制的特点缺陷；模糊控制方法的研究现状；模糊控制的进展，包括模糊控制与神经网络的融合、模糊控制与遗传算法的融合、专家模糊控制等的阐述；论述了风冷式电冰箱模糊控制器的系统组成及软、硬件设计,讨论了电冰箱温度控制和除霜的模糊控制算法关键词：模糊控制；电冰箱；单片机2 第 页 共9页 河北科技师范学院专题论文目 录引言41.模糊控制相关概念41.1 模糊控制具有的突出特点41.2模糊控制的主要缺陷52.模糊控制方法的研究现状52.1 Fuzzy-PID复合控制52.2参数自整定模糊控制52.3 模型参考自适应模糊控制52.4 自组织模糊控制52.5 具有自学习功能的模糊控制52.6 多变量模糊控制53.模糊控制的进展54.模糊控制在电冰箱中的应用64.1系统硬件设计6 4.1.1 控制器的主要功能6 4.1.2 控制器的硬件组成6 4.1.3温度模糊控制算法6 4.1.4化霜模糊控制8 4.1.5系统软件设计8 4.1.6自学习与故障运行自恢复8 4.1.7维护自检功能8 4.1.8软件容错技术8结束语8致谢9参考文献910 第 页 共9页 河北科技师范学院专题论文引 言在自动控制中，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型(如微分方程等)的基础上，但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂。建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大，模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。现代控制系统中的的控制能方便地解决工业领域常见的非线性、时变、在滞后、强耦合、变结构、结束条件苛刻等复杂问题。可编程控制器以其高可靠性、编程方便、耐恶劣环境、功能强大等特性很好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，这两者的结合，可在实际工程中广泛应用。那么，众所周知电冰箱是现代家庭中必不可少的家用电器。而目前市售冰箱大多采用传统的机械式温控,控制精度差,功能单一,控制方式简单难以满足现代冰箱发展的要求。随着经济的发展和人民生活水平的进一步提高,人们对多功能化的发展要求越来越高。单片机技术和电子技术的高速发展,使得箱内温度控制可随冷藏室和冷冻室的不同而分别设定,定时自动除霜、自动制冰、省电等诸多功能和要求得以实现。特别是模糊控制技术在家用电器中的应用日趋成熟,为电冰箱向智能化方向发展提供了有利技术支持。1.模糊控制的相关概念1.1糊控制具有的突出特点(1) 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用(2) 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。(3) 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。(4) 模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。(5) 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。1.2模糊控制的主要缺陷（1）精度不太高；（2）自适应能力有限；（3）易产生振荡现象。2.模糊控制方法的研究现状2.1 Fuzzy-PID复合控制Fuzzy-PID复合控制指的是模糊技术与常规的PID控制算法相结合的一种控制方法。2.2参数自整定模糊控制 参数自整定模糊控制根据控制系统的性能来在线地整定比例因子K1、K2和K3，使它们保持合适的数值，从而使系统的性能达到令人满意的水平。这种控制方法较之常规的固定比例因子的模糊控制方法，对环境变化有较强的自适应能力，在随机环境中能对控制器进行自动校正，使得在被控对象特性变化或扰动情况下，控制系统保持较好的性能。2.3 模型参考自适应模糊控制利用参考模型输出与控制作用下系统输出间的偏差来修正模糊控制器的输出，包括比例因子、解模糊策略、模糊控制规则等。2.4 自组织模糊控制将参考模型和自组织机制相结合，它能自动的对模糊控制规则进行修改、改进和完善，以提高控制系统的性能。2.5 具有自学习功能的模糊控制包括多种对外扰影响或重复任务的性能具有自学习功能的模糊控制方法，以及自寻优模糊控制器等，其关键在于学习和寻优算法的设计，尤其是提高其速度和效率。2.6 多变量模糊控制一个多变量模糊控制器有多个输入变量和输出结果、一般采用结构分解和分居分级结构，利用多个简单的模糊控制器进行组合，并兼顾多规则集之间的相互关系。3、模糊控制的进展目前，模糊控制技术日趋成熟和完善。各种模糊产品充满西方国家的市场，如模糊洗衣机、模糊吸尘器和模糊摄像机等等，模糊技术几乎变得无所不能，各国都争先开发模糊新技术和新产品。多年来一直未解决的稳定性分析问题正在逐步解决。模糊芯片也已研制成功且功能不断加强，成本不断下降。直接采用模糊芯片开发产品己成为趋势。模糊开发软件包也充满市场。模糊控制技术除了在硬件、软件上继续发展外，将在自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经模糊控制上取得较大发展。随着其它学科新理论、新技术的建立和发展，模糊理论的应用更加广泛。4.模糊控制在电冰箱中的应用4.1系统硬件设计4.1.1 控制器的主要功能电冰箱的主要任务是保持箱内食品的最佳温度,提高温度的测控精度和保鲜效果,降低能耗等目的,因而本控制器的主要功能是温度控制和智能化霜。根据不同型号的要求,可带有自动制冰功能。除此之外,该控制器还具有过欠压保护功能,断电后压机开启延时功能,开门报警功能自学习功能及故障运行自恢复功能等。4.1.2 控制器的硬件组成根据以上主要要求,本系统采用了东芝公司生产的高性能低价格8 位单片机TMP87PH40N 作为控制器主要部件。除此之外,硬件部分还包括电源电路,电压检测电路,冷藏室和冷冻室温度检测电路,化霜温度检测电路,环境温度检测电路,制冰温度检测电路,风门状态、门状态、水盒到位等检测电路;输出部分有压机控制电路,化霜控制电路,温度补偿加热控制电路,风机、风门及报警提示控制电路。其系统硬件组成框图如图1 所示。图1 系统的硬件组成框图4.1.3温度模糊控制算法冷冻室和冷藏室的温度控制方案基本是相同的,只是控制对象不同。前者控制压机开停,后者调节风机风门。现以冷冻室为例,说明温度控制系统模糊控制器的设计问题。模糊控制电冰箱不仅要考虑到冷冻室温度的恒温调节,同时也要考虑到冷冻室温度与食品温度未必相同这一因素。最终应使食品温度保持在某一范围内,从而达到保鲜的目的,这是它与传统的PID 恒温调节系统追求的控制目标间的差别。食品放进冷冻室即开始降温,经过一段时间,冷冻室的温度可能已降到给定值,但这时食品温度还没有达到保鲜温度的要求,因此,这时压缩机不应关断,必须继续制冷,延长的时间,视放入的食品的热容量而定。在压缩机关以后,冷冻室的温度开始回升,当回升到给定值时,理应将压缩机再次投入运行。但实际上,这时食品的温度由于热惯性并不与冷冻室空间温度一致,从节能的观点出发,应延时启动压缩机,延时多长,也与放入食品的热容量有关。以上分析说明,最后一次投入的食品的热容量(初热和重量) 在以后的压缩机控制决策的的调整中起着重要的作用。但投入食品的热容量是无法检测的,不能指望用户输入,而必需利用模糊推理技术。投入食品的热容量的判定是在食品放入冷冻室并关门后5min 内进行。当投入食品后温度上升,依照其上升的绝对值的大小和变化率采用模糊推理技术,可以推断出放入冷冻室食品的温度和热容量。当然,这种推理过程还得考虑门的开启时间长短,室温的高低等因素加以修正,其模糊推理框图如图2 所示。图2 温度模糊推理框图考虑到控制精度要求和软件的工作量大小,我们把冷冻室温度T 的模糊语言值分为低、中、高3 档,冷冻室温度变化率d T 的模糊语言值分为小、中、大3 档,食品的热容量初判值Q0 的模糊语言值分为小、中、大3 档。其模糊推理规则见表1 。表1 食品的热容量初判模糊推理规则表Td T高中低大大大中中大中小小中小小初判食品的热容量用条件语句表示为:IF T 高AND dT 大THEN Q0 大IF T 中AND dT 小THEN Q0 小4.1.4化霜模糊控制压机工作一段时间后,蒸发器表面会结霜,随着霜层厚度的增加,制冷效率会降低,从而造成能源浪费。因此化霜的目的是为了提高制冷效率,采用带自学习功能的模糊控制技术,自动选择合适的化霜时间进行快速化霜。其实现方法是:正常情况下,压机累计运行8h 左右,冰箱就应该化霜。但随着地区和季节以及储藏物的不同结霜速度亦不相同,这就需要根据每次化霜过程中化霜温度传感器的变化时间和速度,自动调整化霜时间间隔。另外,对冰箱的开门次数和时间进行统计,修正化霜时间间隔,同时找出每天开门频繁时间,以便选择箱内温度较稳定时进行化霜。4.1.5系统软件设计系统软件由主程序,中断服务程序和多个相关子程序组成,字节数近8k. 为了方便程序的使用和维护,程序采用模块化设计,其主程序流程如图3 所示。家用电冰箱是一耐用消费品. 其使用环境差异大,控制部件多,为了提高系统工作的可靠性,除硬件设计上采取抗干扰设计之外,在软件上也采取了以下措施以提高系统性能。4.1.6自学习与故障运行自恢复在电冰箱工作期间,控制器能够随时检测其控制部件及传感元件,一旦得知其有故障(如传感器,制冰机故障等) ,系统则会自动重组程序模块,进入故障运行模式,并报警指示。若故障排除,控制器会自动脱离故障运行,恢复正常运行状态。4.1.7维护自检功能随着新技术的不断发展,对维修人员的要求越来越高,为了方便维修人员查找故障,本系统对电冰箱的重要部件如温度传感器、继电器、电加热丝、风机、风门等进行全面检查,并能显示相应的故障类型,为维修人员迅速准确排除故障提供了有力的手段。4.1.8软件容错技术在程序的编制中,充分考虑了可能发生的各种情况。除传统的NOP 指令对齐方式外,主控程序采用了入口法,即上电复位法与受干扰复位执行不同的初始程序代码。程序在运行中一直校验程序结果是否与控制端口相符,对于重要程序段如见到干扰标志后会自动回卷等。结束语本文简要论述了模糊技术的特点，并简要分析了模糊控制技术在电冰箱应用中温控和化霜功能的相关设计。致谢感谢庞海明老师的耐心指导，使论文才得以顺利完成；感谢河北科技师范学院欧美学院曾经为我授过课的老师，感谢河北科技师范学院欧美学院的全体老师，是他们的言传身教，才使我日有所长，学有所成；感谢我的朋友，感谢他们给与我的帮助。参考文献参考文献1 L.A.ZadehFuzzy SetsJInformation and Control,1965,82 EH.Mandani.Application of Fuzzy Algorithms for the Control of a Dynamic PlantJ.Proc.IEEE1974,121(12)3 WJMKicket，EHMamdani.Analysis of a Fuzzy Logic ControllerJ.Fuzzy Sets and Systems.1978，1(1)4 RMTong.A Control Engineering Review of Fuzzy Systems.AutomaticaJ.1977，13(65 RMTong.A Retrospective View of Fuzzy Control Systems J.Fuzzy Sets and SYStems, 1984，146 LAZadehFuzzy AlgorithmsJ. 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