基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统，该控制系统是在经典模糊控制的基础上，利用状态机的信号流向进行加权，并考虑环境温度梯度影响，在相应的温度控制平台上进行算法设计和验证。本发明的控制方法步骤简单，能将温度状态机和模糊控制有效结合，解决ec滞后的问题，使模糊控制决策增加可靠依据且可广泛应用于惯性较大系统。该控制系统包括下位机单元、上位PC机人机界面、发动机冷却液温度工况模拟装置、发动机冷却液温度传感器和汽车水温仪表。本发明的控制系统结构设计简单、合理，测试和标定直观、精确且效率高，发动机冷却液温度传感器信号测量准确可靠，模拟温度工况控制快速平稳。
【专利说明】基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及温度传感器【技术领域】，尤其涉及一种基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统。
【背景技术】
[0002]传统的模糊控制策略考虑误差e和误差变化率ec的输入来进行温度控制决策，对于温度这样较大延迟的系统，由于温度响应较大滞后，虽然ec反映了温度变化的趋势，但因为ec也较大滞后于输入控制量，所以ec作为输入量容易引起控制失调，控制效率低且不够精确，无法广泛应用于惯性较大系统，无法有效应用于水温传感器及汽车水温仪表产品的标定以及输出特性、灵敏度、线性度、重复度等检测，或者相关技术培训、高校汽车电子专业实践等领域。同时，现有技术中虽然有汽车发动机热敏电阻型水温传感器性能测试仪设计方案，但是结构较复杂，体积不够小巧，采用加热开环控制，不便精确控温，不便作为测试标定平台。同时，在教学过程中一直以简易的实验器材来开发“发动机冷却液温度传感器”实验，用电热壶加热水来模拟发动机冷却液，用手动调压器结合玻璃温度计观测来控制温度，某个温度大致平稳后再测量电阻值。但是实验过程繁琐，尤其调温不好掌控，且多个实验组同时实验时，容易喷洒水，安全性也不好把握。应用于教学过程中，学生也不能直观的认识热敏电阻的参数特性如灵敏度、线性度等，不便理解标定的过程和标定在系统中的作用，也不便于规模化、重复化实验。
【发明内容】
[0003]本发明是为了解决传统温度模糊控制中由于惯性延迟导致误差变化率测量较大滞后以及控制系统测试和标定不够直观、精确，效率低等问题而提出一种能将温度状态机和模糊控制有效结合，解决ec滞后的问题，使模糊控制决策增加可靠依据，同时操控简单，测试和标定直观、精确、效率高且可广泛应用于惯性较大系统的基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的:
上述的基于状态机的温度模糊控制方法，首先根据实验将得到一般情况下的温度响应共划分多个状态，状态机的转换流向将为后续最终控制量输出进行加权；然后分别将温度偏差e (T)和偏差率ec (T)模糊化为多个区间，并分别设定温度偏差e (T)和偏差率ec (T)的范围，再通过线性变换使温度偏差e (T)和偏差率ec (T)的范围归一化到同一模糊集论域；接着根据实验中温度运行特性建立模糊控制规则表，再由模糊控制规则表得到输出U，采用“最大隶属度”方法求解模糊化的输出U，并设模糊控制器输出波头数Hiu的范围；最后通过线性变换去模糊化，建立模糊控制器输出波头数与模糊化的输出U之间的关系。
[0005]所述基于状态机的温度模糊控制方法，其中:
所述温度偏差e (T)模糊化为7个区间E ；
所述偏差率ec (T)模糊化为7个区间EC ；所述温度偏差e (T)的范围为[e (T)min，e (T)maJ ；
所述偏差率ec(T)的范围为[ec (T) min，ec (T)max]；
所述温度偏差e (T)和所述偏差率ec (T)的模糊集论域都为[_6，6]，即:
【权利要求】
1.一种基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于，首先根据实验将得到一般情况下的温度响应共划分多个状态，状态机的转换流向将为后续最终控制量输出进行加权； 然后分别将温度偏差e (T)和偏差率ec (T)模糊化为多个区间，并分别设定温度偏差e(T)和偏差率ec (T)的范围，再通过线性变换使温度偏差e (T)和偏差率ec (T)的范围归一化到同一模糊集论域； 接着根据实验中温度运行特性建立模糊控制规则表，再由模糊控制规则表得到输出U，采用“最大隶属度”方法求解模糊化的输出U，并设模糊控制器输出波头数Hlu的范围； 最后通过线性变换去模糊化，建立模糊控制器输出波头数Hlu与模糊化的输出U之间的关系。
2.如权利要求1所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于: 所述温度偏差e (T)模糊化为7个区间E ； 所述偏差率ec (T)模糊化为7个区间EC ； 所述温度偏差e (T)的范围为[e (T)min，e (T)maJ ； 所述偏差率ec(T)的范围为[ec (T) min，ec (T)max]； 所述温度偏差e (T)和所述偏差率ec (T)的模糊集论域都为[_6，6]，即:
3.如权利要求2所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于，所述基于状态机的加权系数K1总的加权原则是:在E变化缓慢、EC很小的情况下考虑加权，否则EC较大时继续加权，二者叠加将导致系统超调，一旦EC超过临界域值，则取消K1加权，K1恢复为默认值I。
4.如权利要求3所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于:当前态在平衡态之下，即如果当前态从低温态上升而来，K1权值减小；当前态如果从高温态下降而来，K1权值应加大； 当前态在平衡态之上，即如果当前态从较低温态上升而来，K1权值应减小；如果当前态从较高温度态下降而来，K1权值应加大； 当历史态进入当前态后，历史态的延时参量清零，同时启用当前态的延时参量。
5.如权利要求2所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于，所述环境温度修正系数K2的加权原则是:假设在环境温度为25°C时取得了较好的控制输出；当初始态是从低于40°C开始，则认为初始温度即为环境温度Ttl ;当初始温度大于40°C，则认为是在加热棒没有完全冷却时重新启动，属于热启动，则默认环境温度1=251:； 由于系统稳态时散热率与设定温度Ts和环境温度Ttl的梯度相关，则:
6.如权利要求2所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于:首先根据实验得到一般情况下的温度响应曲线状态图，共划分八个状态，状态机的转换流向将为后续最终控制量输出进行K1系数加权。
7.如权利要求1所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于，所述模糊控制规则表的模糊规则包括: 1)欠温大偏差时大增功率运行，超温大偏差时以大减功率运行； 2)欠温中偏差时，即温度下降快、较快则大增功率运行；温度下降慢或平缓则中增功率运行；温度上升较慢则小增功率运行；温度上升较快、很快则分别以中减和大减功率运行； 3)欠温小偏差时，即温度有下降趋势则中增功率运行以及时提升；温度平缓则小增功率运行；温度缓升则保持当前输出，依靠惯性达到平衡区； 4)平衡区时，即温度下降快则中增功率运行；温度下降较快、慢则小增功率运行；温度平缓则保持当前输出； 5)超温小偏差时，即温度下降快、较快则小增功率运行；温度下降慢则保持当前输出，依靠惯性达到平衡区；温度上升慢则小减功率运行；温度上升较快、快则中减功率运行； 6)超温中偏差时，即温度下降快、较快则保持输出，依靠惯性俯冲到低温区间；温度下降慢、平缓、上升慢则中减功率运行；温度上升较快、快则大减功率运行。
8.一种基于上述权利要求1至7任意一项所述的基于状态机的温度模糊控制方法的基于状态机的温度模糊控制系统，包括下位机单元以及与所述下位机单元连接的上位PC机人机界面；其特征在于:所述控制系统还包括发动机冷却液温度工况模拟装置、发动机冷却液温度传感器和汽车水温仪表； 所述下位机单元包括DSP系统板、冷却液温度传感器调理电路和加热棒驱动电路；所述DSP系统板通过串口双向通信连接所述上位PC机人机界面，同时控制连接加热棒驱动电路并通过所述加热棒驱动电路连接驱动所述发动机冷却液温度工况模拟装置； 所述发动机冷却液温度工况模拟装置包括固态继电器和加热棒；所述加热棒为内嵌加热棒的铜棒，其连接220V交流电，同时与所述固态继电器连接；所述固态继电器通过所述加热棒驱动电路与所述DSP系统板连接； 所述发动机冷却液温度传感器通过所述冷却液温度传感器调理电路连接于所述DSP系统板，同时还连接所述汽车水温仪表并接地。
9.如权利要求8所述的基于状态机的温度模糊控制系统，其特征在于:所述DSP系统板具有端口 ADCIN15及供PWM波形输出的端口 Ι0ΡΕ6 ； 所述冷却液温度传感器调理电路由电阻R1(TR15、运算放大器Ul和U2以及电容Cll连接组成；所述电阻RlO —端接地，另一端连接所述运算放大器Ul的同相输入端；所述电阻Rll 一端连接运所述算放大器Ul的反相输入端，另一端连接有输入端子SW-1N并通过所述输入端子SW-1N与发动机冷却液温度传感器匹配插接；所述发动机冷却液温度传感器与所述输入端子SW-1N之间还串联了一个自锁按钮开关KG;所述电阻R12连接于所述运算放大器Ul的信号输出端和反相输入端之间；所述运算放大器Ul的信号输出端还通过所述电阻R14连接于所述运算放大器U2的反相输入端；所述运算放大器U2的同相输入端通过所述电阻R13接地；所述电阻R15连接于所述运算放大器U2的信号输出端和反相输入端之间；所述运算放大器U2的信号输出端连接于所述端口 ADCIN15 ;所述电容Cll并联于所述端口ADCIN15 ;所述电容Cll 一端连接于所述运算放大器U2的信号输出端，另一端接地； 所述加热棒驱动电路由电阻RlOf R105、倒相放大器U3和U4、开关光耦U10、场效应管QlO以及二极管DlO连接组成；所述电阻RlOl —端接地，另一端连接于所述端口 IOPE6 ;所述倒相放大器U3和U4串接在一起，即所述倒相放大器U3的输入端通过所述电阻R102连接于所述端口 IOPE6，所述倒相放大器U3的输出端连接于所述倒相放大器U4的输入端，所述倒相放大器U4的输出端通过所述电阻R103连接于所述开关光耦UlO的阳极；开关光耦UlO的阴极接地，发射极连接于场效应管QlO的栅极；所述电阻R105 —端连接所述开关光耦UlO的集电极，另一端连接有输出端子CW-OUT +并通过所述输出端子CW-OUT +匹配插拔连接于所述固态继电器的正极端；所述场效应管QlO的漏极连接有输出端子CW-OUT -并通过所述输出端子CW-OUT -匹配插拔连接于所述固态继电器的负极端；所述场效应管QlO的源极接地并通过所述电阻R104连接所述场效应管QlO的栅极；所述二极管DlO为硅二极管，其连接于所述开关光耦UlO的集电极与所述场效应管QlO的漏极之间；所述二极管DlO的阳极端连接所述场效应管QlO的漏极，所述二极管DlO的阴极端连接所述开关光耦UlO的集电极。
10.如权利要求8所述的基于状态机的温度模糊控制系统，其特征在于:所述发动机冷却液温度传感器采用的是NTC型热敏电阻式冷却液温度传感器，其与冷却液温度传感器调理电路之间还设有测量端口 SW-C ； 所述测量端口 SW-C还连接有万用表并通过所述万用表实时测量当前所述发动机冷却液温度传感器的参数值； 所述发动机冷却液温 度工况模拟装置还连接有玻璃温度计； 所述汽车水温仪表是通过端子B15与所述发动机冷却液温度传感器连接。
【文档编号】G05B13/00GK103913990SQ201410050944
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2014年2月14日
【发明者】程登良, 黄海波, 王卫华, 张凯, 蒋伟荣, 黄志文 申请人:湖北汽车工业学院