太阳能热水器模糊控制系统.docx

太阳能热水器模糊控制系统 引言 太阳能热水器是将太阳光能转化为加热的装置，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，主要以真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关零配件组成，把太阳能转换成热能主要依靠真空集热管，真空集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。本文利用模糊控制技术,设计了一种多功能家用电热器模糊控制器。下面针对控制系统的结构和软硬件设计作一介绍。 模糊控制是一种智能的、非线性的控制方法,它利用隶属度来描述程度,通过模仿人的思维方法,运用分析不确定不精确的模糊信息来决策,从而实现成功的控制。本文以ATMEL公司生产的AT89551系列的单片机为例来详细讲??基于单片机的模糊控制器的应用,其控制对象选择的是带有辅助电加热的太阳能热水器。 模糊控制系统的组成 如下图，其中X为系统输入量,y为系统输出量,都是精确值。正如在图中看到的,与传统控制系统相比,她在结构上并无太大的差别,仅仅是将传统的控制器替换为模糊控制器。模糊控制系统有着传统控制系统的一般结构形式,主要由I/O接口、模糊控制器、执行机构、控制对象、测量装置等部分组成。如图所示。虚线框里的便是模糊控制器部分。 从图中能够知道,输入到模糊控制器的量是系统的误差e和误差变化率ec,是有确定值的精确量。经过模糊化之后,用模糊语言中的变量E来描述误差,EC来描述误差变化率,而它们都为模糊量。 模糊化 模糊化的含义是:将传送到模糊控制系统中测量所得的准确量,根据对应的隶属函数转换成具有相应的模糊语言变量,通过模糊化之后,使其成为整个推理系统的输入量。模糊化流程如下: (1)首先将传感器测量得到的值进行处理,计算偏差e = r-y和偏差变化率ec = de/dt,然后将输入变量传给模糊控制器。如图2-2所示,其中X为系统输入,y为系统输出,r是设定的标准值。 (2)转换经过计算的输入变量,转化到人们语言习惯上的常用范围,即变换到相应的模糊论域上。 (3)对经过模糊论域转换的输入变量进行模糊化,将其转化为模糊变量,也就是用模糊集合一一对应来表示输入的精确量。 模糊推理 根据所输入的模糊语言变量的定义,模糊推理是下一步。模糊推理的核心内容是依据语言规则进行模糊判决,因而,归纳总结性能完善的语言控制规则(即模糊规则库)就显得尤为重要。事实上,控制规则可以基于经验丰富的操作员或专家来归纳总结,在实验过程中也可以不断进行修正和改进。 规则形式像计算机语言中常用的条件语句IF...THEN...”,一般描述为: IF X is A and y is B,then z is C 这是用来表示系统控制规则的推理式,通常称为规则。X、y是系统输入变量,Z是输出结果。在模糊推理中,X、y、Z都是模糊变量,而在实际操作过程中输入量与输出量都为确定值,因此在实现模糊控制时,输入量X、y要进行模糊化,而输出量Z要进行反模糊化。 在模糊控制系统图中,我们可以看到要想得到一个控制变量的模糊子集需要根据所建立的模糊控制规则来进行模糊推理。模糊推理是一种近似性的推理,从已知的模糊命题出发来推导出新的模糊命题来作为结论,而所谓的近似就是指它一般都是从大量的实验中归纳总结出推理规则的,因此它也是数理统计的结果。最大-最小推理法和最大-乘积推理法就是常用的两种模糊推理方法。最大最小推理法原理是求取条件的满足度与结论隶属函数之间的最大值来作为结论的满足度,结论隶属函数由条件的总满足度进行截断[32]。而在最大乘积推理法中,结论的满足度则是将条件的满足度与结论的隶属函数通过乘积运算而得出,原来的隶属函数形式得到保持,只是根据条件满足度进行比例变换。最后,所有的规则结论积累,模糊控制器的输出也就形成得到。 反模糊法 模糊推理的结果输出为模糊量,它并不可以直接用于被控对象,因此必须先完成从模糊量到精确值的转换,才能通过执行机构去实现控制效果。这个转化过程一般被叫作清晰化,也称为反模糊化,可以被视为从模糊空间映射到精确空间的过程。 太阳热水系统控制器模糊控制方法的研究 太阳热水系统工程中,水温控制是关键,需综合考虑实时检测到的出水口温度值及其随时间的变化率、蓄水池水量等参数。根据经验,选择实时检测到的出水口温度与设定温度的差值及该差值随时间的变化率。二个参数为模糊控制器的输入变量,通过调整模糊控制器的输出,从而调节加热电功率,实现升温或降温,构成一个双输入单输出模糊控制器,实现温度控制,该系统综合利用了太阳能和电能,并通过控制系统的调节以达到两种能源的合理分配,峰谷电能的分时复用功能〔22、36]。加热系统主要由蓄热水箱,太阳能集热板,电加热器,中央