基于二维空间3-d模糊控制的烘烤箱温湿度控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种温湿度的模糊控制系统及其方法，特别是一种基于二维空间3-D模糊控制的烘烤箱温湿度控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]烘烤箱是一个相对密封的空间系统,必然就会涉及到一些空间特性的问题。空间系统不仅涉及非线性、大滞后、时变性、强耦合等方面，而且还带有很强的空间分布特性，也就是说系统的输入输出和状态不仅跟时间有关，也会受到空间的影响。对于这种带有空间的特性的系统，我们称之为空间分布系统。目前，烘烤箱的温湿度控制普遍使用的是PID控制方法，但是随着智能控制方法的研究与应用，例如专家系统、模糊控制、神经网络等这些智能算法也开始应用在了烘烤箱的温湿度控制中。研究相关文献，有的学者根据模糊控制在温差较大时反应速度快、动态性能好，温差较小时PID控制静态性能更好，结合各自的优点设计了模糊PID混合控制；有的提出了模糊自适应PID控制的方法，能够根据模糊推理判断对系统自动调节PID的参数，温湿度控制实现快速响应与超调最优。根据模糊控制专家经验获取比较难，控制规则不易适应被控对象的非线性等问题，有学者提出了神经网络模糊控制的方法，就是利用神经网络的学习能力来优化模糊控制器，从而达到改进实时控制效果，温度控制过程中反应速度快，控制精度高，稳定性好等。也有学者结合了神经网络、模式识别、预测最优控制三种方法，由神经元网络模型预估器辨识系统模型，并实时为控制器提供参考输入，由最优控制器对数据进行处理、决策，选定最优的控制量，达到温湿度最佳控制的目的。遗传BP算法是结合遗传算法和BP算法，然后作为网络预估器的学习算法用在温度控制系统中，使得温度控制具有很好的跟踪性能和抗干扰能力。以上提到的温湿度控制方法都是目前在温湿度控制应用领域比较先进、效果好的方法，但是对于空间分布系统而言它们的效果就差强人意了。因为无论是传统的PID控制方法还是智能算法与PID相结合的方法，它们的输入量都仅仅只是误差或误差变化量的一个或两个，并没有考虑到空间信息。这样就导致一个很普遍的问题，那就是现有的烘烤箱的温湿度控制效果局部表现得良好，但是对于整个空间来说控制的效果比较差。总而言之，目前烘烤箱的温湿度控制没有从空间整体的角度进行设计，达不到对于空间整体的均匀控制。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明的目的是解决传统烘烤箱温湿度控制在空间分布方面的局限性，使得烘烤箱的温湿度控制更好且更具均匀性。为此，本发明提供了一种基于二维空间3-D模糊控制的烘烤箱温湿度控制系统及其方法。
[0004]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种基于二维空间3-D模糊控制方法的烘烤箱温湿度控制系统，包括一个烘烤箱和温湿度控制系统，烘烤箱内设置有若干烘烤箱温湿度传感器，烘烤箱内有风道，风道上有循环风机和电热炉，并有风门装置控制风道，其特征在于:所述的温湿度控制系统包括一个PC机和一个控制信号驱动电路，所述控制信号驱动电路连接PC机和电源，并连接烘烤箱的风门装置、循环风机和电热炉，而烘烤箱中的烘烤箱温湿度传感器连接PC机中的数据采集模块。
[0005]所述的基于二维空间3-D模糊控制方法的烘烤箱温湿度控制系统，其特征在于所述控制信号驱动电路的电路结构:在控制信号驱动电路中控制信号放大电路连接I/o驱动电路，控制信号放大电路与PC机相连接用于控制信号放大传输到驱动电路中，I/O驱动电路连接控制对象电热炉、循环风机和风门装置，用于接收控制信号对相应的控制对象的驱动开关进行控制。
[0006]所述控制信号驱动电路中，I/O端的电压很小，采用光电耦合信号放大电路进行放大，放大后的信号传输到I/o驱动电路上进而驱动固态继电器，通过固态继电器来控制电热炉、循环风机和风门装置的开关及运作方式。
[0007]—种基于二维空间3-D模糊控制的烘烤箱温湿度控制方法，采用上述系统进行操作，其特征在于具体操作步骤如下:
1) 二维空间3-D模糊控制器设计:与传统模糊控制器结构相似，二维空间3-D模糊控制器由空间模糊化、3-D模糊规则推理及去模糊化三大部分组成，二维空间3-D模糊控制器具体步骤操作为:首先从空间区域上采集数据，即温湿度传感器在烘烤箱中呈二维平面的方式排布，所以收集到的温湿度数据反映的是空间平面上的信息，与以往一维的线型分布不同，经过空间模糊隶属度函数转化成能够表征空间信息的模糊输入；然后将该输入由经空间信息融合和降维操作生成蕴含空间信息的模糊输入；接着将模糊输入由模糊推理机进行处理后转化成模糊输出；最后，对模糊输出执行去模糊化操作产生具体的控制输出量给被控对象。
[0008]2)温湿度采集与传输:使用8个差分热电偶进行温湿度检测，通过调用设备采集温湿度接口和传递函数得到所需要的温湿度数据，再由USB串口将测量的温湿度传输到PC机中，设置温湿度采集的周期为30s/次。
[0009]3) PWM脉宽调制控制电热炉加热运作:由温湿度采集数据传输到PC机中再经过二维空间3-D模糊控制算法计算后得到的控制量数据通过PCI板卡对驱动电路进行控制，改变电热炉工作状态。
[0010]4)风门装置和循环风机控制:将PC机上控制器的控制要求实时地传递到烘烤箱，根据控制要求对风门角度进行调整；风门控制可以从0度到90度，控制目标是根据控制算法进行的，根据不同的情况进行打开或者关闭；PCI控制固态继电器加双向可控硅对风门装置和循环风机的风阀电机打开或关闭。
[0011]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进
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少:
本发明中最重要的内容是使用了二维空间3-D模糊控制这种控制方法，二维空间3-D模糊控制器由空间模糊化、3-D模糊规则推理及去模糊化三大部分组成。首先从空间区域上采集数据，即温湿度传感器在烘烤箱中呈二维平面的方式排布，所以收集到的温湿度数据反映的是空间平面上的信息，与以往一维的线型分布不同，经过空间模糊隶属度函数转化成能够表征空间信息的模糊输入；然后将该输入由经空间信息融合和降维操作生成蕴含空间信息的模糊输入；接着将模糊输入由模糊推理机进行处理后转化成模糊输出；最后，对模糊输出执行去模糊化操作产生具体的控制输出量给被控对象。
[0012]本发明创新之处在于使用了二维空间3-D模糊控制的方法来设计烘烤箱的温湿度控制器。3-D模糊控制算法中融合了空间位置信息使其对于空间分布系统的控制更有优势，同时本发明的二维空间3-D模糊控制方法将以往的3-D模糊控制从针对“点”或“线”的控制扩展到针对“面”的控制，解决了传统集总控制算法无法良好控制空间分布系统的问题，使烘烤箱温湿度空间分布更具有均匀性。
【附图说明】
[0013]图1为本发明烘烤箱系统组成图图2为本发明控制信号驱动电路结构图图3为本发明控制信号放大电路图
图4为本发明I/O驱动电路图图5为本发明系统主流程图图6为二维空间3-D模糊控制器结构组成图图7为温湿度采集流程图图8为PWM控制模块流程图图9为风阀电机控制流程图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图，对本发明的优选实施做进一步的说明:
实施例1:参见图1~图4，本基于二维空间3-D模糊控制方法的烘烤箱温湿度控制系统，包括一个烘烤箱(