基于ARM电冰箱模糊控制系统仿真设计
发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:434
| 1 引 言 模糊控制理论的提出，为我们提供了一种新的控制方法。这种方法以微处理器构成的模糊控制器为核心，以模拟人脑的思维方式为基本出发点，不需要我们对控制对象准确建模，就能很好的解决非线性、大滞后环节、变参数对象的控制问题［1］。依靠操作人员的经验来建立合理的模糊控制算法，就能使难控制的系统达到比较好的控制效果。 在电冰箱的控制中，温度是主要的控制对象，控制的好就有显著的节能效果。影响温度变化的因素很多，如环境温度的高低，冰箱本身的容积，开冰箱门的次数，每次开门的时间，冰箱中食物的多少，以及食物的种类和性质等等。所以要想建立电冰箱温度变化的精确数学模型是很困难的。因此可采用模糊控制解决。 在本设计中，模糊控制器输入量为系统的误差e和误差变化率de、输出为系统的控制量u，因此模糊控制器的工作过程可以描述为：首先将模糊控制器的输入量转化为模糊量供模糊逻辑决策系统用，模糊逻辑决策器根据规则决定的模糊关系r，应用模糊逻辑推理算法得出控制器的模糊输出量。最后经精确化计算得到的控制值去控制被控对象。 2 模糊控制系统的设计 2.1输入输出 将传感器测得的精确温度在各自的变化区间上分为几个档次，使每档对应一个模糊集。我们设定电冰箱温度升降范围-15℃~+15℃之间变化，而输入变化范围为-15℃~+15℃，输入变化率变化范围为-6~6之间。将它分为6档，并和模糊变量负大，负小，负零，正零，正小，正大一一对应，所以k1=6/15=0.24，k2=6/6＝1，k3=15/6=2.5。 在matlab环境下，键入fuzzy命令，进入模糊逻辑上具箱［2］，在屏幕上出现带有单输入、单输出、模糊规则的模块系统，用户双击输入、输出模块，可进行输入、输出变量的论域范围、各个语台变量的隶属函数形状等参数的编辑。并保存为wen.fis本例中3个变量的隶属函数，它们的语言量值分别为: e ={nb ns zr ps pb}、de={nb ns zr ps pb}、u ={nb ns zr ps pb} 输入偏差e论域：“正大”（pb）多数取在+6℃附近、“正小”（ps）多数取在+2℃附近、“正零”（zr）多数取在零左右一点附近、“负小”（bs）多数取在-2℃附近、“负大”（nb）多数取在-6℃附近。输入变化率de语言变量值和输出u的语言变量值同输入变量e;输入隶属度函数如图2.1所示 ，输出隶属度函数如图2.2所示 图2.4仿真框图 2.2模糊规则 本系统采用if e and de then u 为模糊规则。模糊关系为r＝e x de x u; 模糊推理采用u =(e x de )o r; 2.3 解模糊 本系统采用加权平均法（重心法）[1]来求的输出的精确量u 的值： （2.3.1） 其中则 ….（2.3.2） 其中，ci为论域对应值 图2.3是模糊控制系统输出曲面观测器的输出面。 在matlab命令窗口中键入simulink 建立一 wen.mdl文件如图2.4，对模糊控制系统 进行仿真，得到曲线如图2.5。可以看出，仿真输出曲线超调量有点大，但系统反应较快即调节时间短，系统也比较稳定。单从仿真来看模糊控制切实可行。 3 在arm上实现模糊控制器 3.1硬件设计 本文采用的微处理器是philips公司出品的lpc2214［3］。这是一款支持实时仿真、嵌入式跟踪、在系统编程和在应用编程的arm7tdmi-stmcpu微处理器，arm7tdmi是目前低端的arm核。微处理器lpc2214对代码规模有严格的控制，这种可以使用16位thumb的模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小；由于这款微处理器具有很高的代码处理速度、极低的功耗、多个32 位定时器、8路10位的adc、pwm输出以及多达9个外部中断等特点；微处理器芯片自带16k字节的片内静态ram和256k字节的片内闪存flash，都可以用来存储数据或代码；lpc2214是144脚封装，是一款总线开放的微处理器，允许直接连接并行存储芯片；由于内置了串行通信接口，它也适合于通信和各种类型的应用。系统框图如图3.1所示。 3.2软件设计 当论域为离散时，经过量化后的输入量的个数是有限的。因此可以针对输入的不同组合离线计算出相应的控制量，从而组成一张控制表，实际控制时只要直接查这张控制表即可，在线的运算量是很少的。 由于lpc2214内存足够大，无需考虑内存之忧。在lpc中如何实现控制规则表是整个系统的关键所在，本系统采用二维矩阵形式存储控制规则表，假设二维矩阵为control[13][13]。在lpc2214只能存储数字量，故在内存中模糊语言用十六进制表示：输入量e,de量化后分别为x, y,且x,y＝｛-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6｝,在armz中则对应a,b=｛0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12｝。假设e量化后x=-5, y=2,在arm中对应a=1,b=8查表时只需查con
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