基于Vague集理論的數(shù)字控溫器設(shè)計
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溫度控制在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域占有重要的地位，對溫度控制的技術(shù)水平高低直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量?，F(xiàn)在對溫度控制的技術(shù)方法多種多樣，有PID控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)等。這些控制技術(shù)在實際應(yīng)用中都表現(xiàn)出各自的技術(shù)優(yōu)勢，顯示出對溫度控制的超凡能力。模糊控制相比傳統(tǒng)PID等控制方法，在強時變、大時滯、非線性系統(tǒng)中控制效果有著明顯優(yōu)勢。然而模糊控制對隸屬函數(shù)的選擇具有一定的難度，不易確定。自從1993年Gau和Buehrer提出了Vague集理論(Fuzzy集理論的擴展和推廣)，便在模式識別、人工智能、故障診斷等領(lǐng)域迅速得到應(yīng)用，并且取得顯著成果。Vague集用一個真隸屬度和一個假隸屬度表示，這比Fuzzy集描述的信息容量要更大些。將Vague集理論應(yīng)用于溫度控制，隸屬函數(shù)值是一個區(qū)間值范圍，比Fuzzy集理論的隸屬函數(shù)更易于確定。Vague集理論的模糊推理精度比Fuzzy集理論要精確得多。本文將Vague集理論應(yīng)用于溫度控制器設(shè)計中，發(fā)揮Vague集理論的優(yōu)點，以簡化溫度控制器的設(shè)計過程。選用AT89S51單片機作為核心部件，DSl8B20數(shù)字溫度傳感器作為溫度檢測器，單片機的軟件算法以Vague集理論的模糊推理方法構(gòu)造實現(xiàn)，設(shè)計一種新型的溫度控制器，并給出實驗結(jié)果。
1 Vague集理論知識
定義1 設(shè)論域U={u1，u2，u3，…，un}，其中元素ui(i=1,2,3,…，n)為討論對象。U上一Vague集A由真隸屬度tA和假隸屬度fA所描述。其中tA（ui）是由支持ui的證
(ui)]／ui表示Vague集B中ui的隸屬度值，則Vague集A和B的相似程度可由函數(shù)T進行計算：
T(A，B)∈[0，1]，該值越大，說明Vague集A和B越相似。
Vague集在模式識別中，使用相似度來判別，設(shè)P1，P2，P3，…，Pn是n個Vague集，它們分別代表著n個模式。有一個待測樣本B，其特征使用Vague集描述，要確定B對應(yīng)屬于哪一個Pi(i=1，2，3，…，n)模式，分別計算T(B，Pi)，選取max{T(B，Pi)}，則樣本B屬于對應(yīng)的模式。
2 基于Vague集的控制器
2．1 溫度檢測值的Vague值化
使用Vague集理論設(shè)計溫度控制器，關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是將測量的溫度精確量進行Vague值化，再利用這個Vague值和設(shè)定好的控制模式進行相似性度量，尋找匹配控制模式，選擇最佳輸出量以控制溫度的恒定。
設(shè)溫度檢測點U為論域，U={u1,u2,u3,…，un}，n為溫度傳感器的個數(shù)。A是論域上的一個Vague集表示檢測溫度與恒定溫度的距離程度，那么A的真隸屬度和假隸屬度可由以下函數(shù)表示：
式中：a為恒定溫度值；m為調(diào)節(jié)參數(shù)，用于控制系統(tǒng)在溫度偏差較大時的輸出量，以縮短系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)的時間，取值為1～4倍的恒定溫度值。
為了討論和計算方便，文中只討論一個溫度檢測點，即只使用一個溫度傳感器檢測溫度。當(dāng)使用2個或更多溫度傳感器時，將涉及模糊矩陣運算，計算量偏大，控制器的軟件設(shè)計也將變得復(fù)雜。因此Vague集A為：
2．2 控制器的控制模式Vague值數(shù)據(jù)
根據(jù)溫度偏差按從大到小設(shè)置12級控制模式，具體如表1所列。
表中的數(shù)據(jù)為一個檢測點時，利用式(4)和(5)，調(diào)節(jié)量m設(shè)定為100時，預(yù)先計算所得。如果是多個檢測點，那么Vague集特征值將使用矩陣描述?？刂颇Ｊ郊墧?shù)可以任意設(shè)置，級數(shù)越大，控制效果在精度、穩(wěn)定性上越好。輸出量為數(shù)字量，并且是清晰量，用于控制外圍的數(shù)字化電路，實現(xiàn)控制對象的升溫或降溫。因此，此種方法設(shè)計的溫度控制電路無需模糊判決，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便。
3 控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3．1 硬件設(shè)計
整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)字溫度傳感器DSl8820檢測溫度變化，把溫度的數(shù)字量輸送到單片機中。單片機執(zhí)行計算和進行最佳控制模式匹配，從數(shù)據(jù)存儲中尋找最佳輸出量。當(dāng)檢測到的溫度和預(yù)設(shè)定的溫度差值為正時，輸出升溫量；為負(fù)時輸出降溫量，使系統(tǒng)維持在恒定溫度當(dāng)中。整個系統(tǒng)的功能包括：數(shù)據(jù)存儲、按鍵電路、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸入、控溫電路。
(1)數(shù)據(jù)存儲
存儲電路是用來存儲溫控系統(tǒng)進行工作的溫度和時間，以及Vague集控制模式數(shù)據(jù)。發(fā)生掉電時能及時保存數(shù)據(jù)，下次重啟時可繼續(xù)使用原有數(shù)據(jù)。使用EEFROM芯片作為存儲器。
(2)按鍵電路
按鍵電路設(shè)置4個按鍵，分別是設(shè)置鍵、確定鍵、數(shù)據(jù)加和數(shù)據(jù)減鍵，主要是用來設(shè)置和修改控制的溫度值。
(3)數(shù)據(jù)顯示
使用Ampire 128×64液晶顯示器件作為控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示器。它可以顯示中文信息，方便系統(tǒng)的操作。Ampire 128×64和51系列單片機的連接很簡單，不需要其他的驅(qū)動元件。
(4)數(shù)據(jù)輸入
溫度值檢測由數(shù)字溫度傳感器DSl8820獲取，所得數(shù)據(jù)為數(shù)字量，不需要轉(zhuǎn)換電路。DSl8820的數(shù)據(jù)可以直接輸入單片機中，兩者直接相連，電路極其簡單。
(5)控溫電路
升溫和降溫構(gòu)成了控溫電路。升溫，可以利用加熱電阻或加熱絲實現(xiàn)，加熱的變化量可根據(jù)控制模式的輸出數(shù)字量，利用可控硅或其他電路控制加熱功率，使對應(yīng)溫差較大時，能夠大幅度加熱，而溫差較小、或接近恒定溫度時微調(diào)升溫。降溫，可以利用風(fēng)扇或制冷片，改變了自然降溫的方式。降溫變化量的控制電路和升溫變化量控制電路相同。
3．2 軟件程序設(shè)計
單片機軟件程序流程如圖2所示。當(dāng)AT89S51單片機上電后，首先執(zhí)行本身的初始化處理程序以及接口電路的參數(shù)設(shè)定，然后進行按鍵掃描。如果有鍵值出現(xiàn)，則執(zhí)行鍵值處理，完成控制溫度設(shè)定；如果沒有鍵值處理，則執(zhí)行溫度檢測。數(shù)字溫度傳感器DSl8820為串行輸出溫度值，分為9位、10位、11位和12位，不同位對溫度的分辨精度不同。12位的分辨精度為O．062 5，可實現(xiàn)高精度溫度檢測。本文選擇12位，其轉(zhuǎn)換時間最長為750 ms。程序每隔800ms給DSl8B20發(fā)指令讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)定的溫度控制數(shù)據(jù)和當(dāng)前檢測的溫度值，由Ampire 128×64液晶顯示器件顯示；接著將檢測所得的溫度值進行Vague值化，并分別和表1中每一種模式的Vague值計算Vague集相似度，尋找匹配最佳控制模式。把單片機的P3端口分為2個4位數(shù)字量輸出端口，輸出控制量以驅(qū)動控溫電路執(zhí)行相應(yīng)的升溫或降溫動作。
4 實驗測量結(jié)果
使用加熱電阻作為控制對象，在實驗室環(huán)境下多次測量表明：測量范圍為25～100℃，控制器控制精度在±O．1℃左右。在溫差較大時(10℃以上)升溫動作速度快，無超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差小。圖3為控制器在200 s內(nèi)從室溫25℃開始作4次溫度調(diào)整的過程中，監(jiān)控軟件實時檢測到的溫度變化曲線。這4次溫度變化分別為90℃、50℃、90℃、40℃。
結(jié) 語
利用Vague集理論設(shè)計溫度控制器，系統(tǒng)設(shè)計過程簡單。設(shè)計系統(tǒng)在穩(wěn)定性、超調(diào)量、魯棒性、穩(wěn)態(tài)誤差、控制精度等方面都有較為理想的控制效果，比其他控制技術(shù)實現(xiàn)的溫度控制器要有優(yōu)越性。Vague集理論在溫度控制中的應(yīng)用是一種新的嘗試，有很大的研究和應(yīng)用空間。
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