基于单片机的动物居室温湿度监控系统本科毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的动物居室温湿度监控系统本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 基于模糊的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异，但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 因此，模糊控制被广泛的应用于工业锅炉、煤炭生产过程、金属冶炼 、石油化工等方面，并取得了较为理想的效果。 模糊控制的基本原理 模糊控制的基本原理可由图 31 表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线部分所示。 模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号 (在此取误差反馈 )。 一般误差信号作为模糊控制器的输入量。 把误差信号的精确量进行模糊化变成模糊量，误差的模糊量可用相应地模糊语言表示。 至此，就得广西大学毕业论文 基于单片机的动物居室温湿度监控系统 11 到了误差的模糊语言集合的一个子集，再由该子集和模糊控制规则根据推理的合成规则做出控制决策，得到模糊控制量。 为了 对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量转换为精确量，这一步在图 31 中称为非模糊化处理 (也称为去模糊化或清晰化处理 )。 得到了精确的数字控制量后，经数模转换，变为精确的模拟量后送给执行机构，对被控对象精确控制，然后，进行下一次信号采样，如此循环，从而实现了被控对象的模糊控制。 计算机控制变量模糊量化处理模糊化控制规则模糊化推理决策非模糊化处理D/A转换A / D 转 换 检 测 放 大 被 控 对 象 执 行 器给 定 值模 糊 控 制 器 图 31 模糊系统原理图 模糊控制系统的组成 模糊控制系统和常见的负反馈控制系统很相似，唯一不同之处是模糊控制装置是由模糊控制器来实现，模糊控制器通常由下列几个部分组成。 如图32 所示。 输入、输出量的规范化。 输入输出量 的规范化是指将规范化的控制器的输入输出限制在规定的范围内，以便于控制器的设计和实现。 输入量的模糊化。 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制器输出的求解，模糊化的主要作用是将输入量规范化后的确定量转换成一个模糊矢量。 语言控制规则。 模糊控制器的控制规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。 模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如 ifthen、 or、 also、 and 等，关系词必须经过“翻译”，才能将模糊控制规则数值化。 广西大学毕业论文 基于单片机的动物居室温湿度监控系统 12 规范化模糊化规范化非模糊化模 糊 规则 推 理规 范 化输入输出 图 32 模 糊系统的组成 模糊逻辑推理。 模糊推理是控制器中根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。 在模糊控制中考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。 输出量的非模糊化 (解模糊化 )。 模糊推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能己经完成。 但是，至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的控制量出，即为解糊化。 本温室温湿度模糊解 耦 控制算法的实现 温湿度模糊解 耦 器设计 采用模糊解 耦 控制实际上就是加进 一个合适的补偿器，以消除 耦 合回路对主回路的影响，使各主回路能分别独立控制，达到解 耦 控制的目的。 在温湿度 耦 合中，主回路是温度控制回路，副回路是湿度控制回路。 由于模糊解耦 器有其本身的因素，所以不可能做到而且也没有必要做到使温度回路和湿度回路完全独立，实际上只需将湿度 耦 合对温度回路产生的影响降到最低程度，使它不至于影响温度主回路的正常调节就可以了。 模糊解 耦 器如图 33所示。 广西大学毕业论文 基于单片机的动物居室温湿度监控系统 13 K 1K 2模糊化模糊推理清晰化a 1a 2C tC h温 度 偏 差e t湿 度 偏 差e h 图 33 温湿度模糊解 耦 算法原理图 图 33 中 Kl、 K2 为量化因子， al、 a2 为解 耦 补偿系数， eT、 eH为温度偏差和湿度偏差，分别等于 测量值减去设定值， cT、 cH 今为温度回路补偿量和湿度回路补偿量。 模糊解 耦 器是个两输入两输出的模糊解 耦 器。 解 耦 器的输入为温度偏差和湿度偏差。 解 耦 器的输出为对温度回路的补偿和湿度回路的补偿值。 在模糊控制算法中，把温度偏差和湿度偏差的实际变化范围叫做输入变量的基本论域，基本论域常用区间表示，通用公式为 [x， x]。 根据实际情况和实践经验，在本课题中，温度偏差的量化范围 ： 最大值 5℃，最小值 5℃，湿度偏差的量化范围为 ： 最大值 20%，最小值 20%。 与基本论域对应的是模糊集的论域，通用公式表示为 [n， n+l， ....， 0， ....， n1， n]，可以通过量化因子 (常用 K 表示 )将基本论域中的偏差转化到模糊集的论域上。 由于 n 值过大会使控制规则变得复杂，太小会使模糊处理结果粗糙而破坏控制性能，同时根据实际控制情况，将温度偏差分为七档 ： 负大（ NB)，负中 (NM)，负小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)。 与此对应将偏差分为： [5， 4， 3，2， l， 0， l， 2， 3， 4， 5]。 同样，将湿度偏差也分为七档 ： 负大 (NB)，负中 (NM)，负小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正 大 (PS)。 与此对应将湿度偏差分为： [5， 4， 3， 2， l， 0， l， 2， 3， 4， 5]。 为了简化计算，在满足系统控制精度的前提下，定义输入采用三角隶属函数 ； 根据温室实际控制经验的总结，其隶属函数曲线如图 34 所示。 广西大学毕业论文 基于单片机的动物居室温湿度监控系统 14 图 34 对应 eT、 eH隶属函数 由此可确定温度偏差 eT、湿度偏差 eH各语言变量的隶属度赋值如表 31所示。 量化因子 K 反映了输入变量的基本论域元素值与模糊集的论域元素值之间的比例关系可用公式 K=n/x 表示，因此此处温度偏差量化因子Kl=5/5=1，湿度偏差量化因子 K2=5/20=。 温度偏差和湿度偏差的量化域如表 32 所示。 表 31 温度偏差 eT 和湿度偏差 eH隶属度赋值表 ET/EH 变量 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 NM 1 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 0 Z 0 0 0 0 1 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 1 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 1 PB 0 0 0 0 0 0 0 1 广西大学毕业论文 基于单片机的动物居室温湿度监控系统 15 表 32 温度偏差 eT 和湿度偏差 eH量化域表 eT、 eH 量化等级 eT 量化域 (单位 ： ℃ ) eH 量化域 (单位 ： %RH) 5 5Te 20He 4 45  Te 1520  He 3 34  Te 1015  He 2 23  Te 510  He 1 12  Te 05  He 0 11  Te 50  He 1 21  Te 105  He 2 32  Te 1510  He 3 43  Te 20xx  He 4 54  Te 2520  He 5 Te5 He20 将对温度回路补偿量分为七档 ： 负大 (NB)，负中 (NM)，负小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)。 湿度回路补偿量也分为七档。 与此对应将补偿量分为 (补偿系数 al、 a2 都取 2)： [5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4，5]。 定义输出也采用三角隶属函数；参照实际控制经验，其隶属函数曲线如图 35 所示。 广西大学毕业论文 基于单片机的动物居室温湿度监控系统 16 图 35 cT、 cH隶属函数 温度补偿量 cT、湿度补偿量 cH 各语言变量的隶属度赋值如表 33 所示。 表 33 隶属度赋值 cT/cH 变量 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 NM 1 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 0 Z 0 0 0 0 1 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 1 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 1 PB 0 0 0 0 0 0 0 1 表 34 温度补偿 cT 模糊规则表 ET EH NB NM NS Z PS PM PB NB PS PS Z NS NB NB NB NM PM PS PS Z NM NM NM NS PB PM PS Z NS NM NM Z Z Z PM Z PM M PB PS NS Z Z Z PS PM PB PM NM NS Z Z PS PS PM PB NB NM NS Z Z PS PS 在这里对温度回路补偿量、湿度回路补偿量所分七档：负大 (NB)，负中(NM)，负小 (NS)，零 (Z)，正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)作以说明。 正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB)表示补，就是加大控制量；零 (Z)表示不补；负大 (NB)，广西大学毕业论文 基于单片机的动物居室温湿度监控系统 17 负中 (NM)，负小 (NS)表示减，就是减小控制量。 根据实际经验得出解耦温度补偿 cT 规则表如表 34 所示，解耦湿度 cH补偿规则表如表 35 所示。 表 35 湿度补偿 cH模糊规则表 ET EH NB NM NS Z PS PM PB NB PB PS PS Z NS NM NB NM PB PS PS Z NS NM NB NS PM PS Z Z NS NM NB Z PM PS Z Z NS NM NB PS PS PS Z Z NS NM NB PM PS PM Z Z NS NM NM PB PS PM Z Z NS NM NB 从 表 34 和表 35 中取一条规则来分析，例如 ： 如果 eT = NB AND eH = NS，那么 cT = PB AND cH = PM；从此条规则可以看出当温度偏差为负大且湿度偏差为负小，那么温度补偿量 大补 ， 进行 补偿，而湿度补偿量为中 补。 即当温室温度比设定值小很 多 为负大， 同时温室内湿度有点低为负小，因为温度太低，所以要全力使 温度上来，不必考虑有点低的湿度，这时因为温度回路的闭环控制会有一个 开大 温度的制量，这个控制量的施加会使得温室快速上升。 这样以来温度上来了，所以相对湿度会有所下降，相对湿度可能会更低，所以需要对湿度回路控制量进行 中 补。 由上面总结出来的模糊规则，经过模糊推理，然后再清晰化，清晰化后乘以补偿系数，就得到了补偿量。 至此温湿度 的耦 合关系己清晰。 从理论上看，模糊解 耦 器能有效的解除温湿度之间的 耦 合。 清晰化处理 由模糊控制规则表求取模糊控制查询表步骤如下 (以温度为例 ) 以第一条模糊控制规则为例， 可表示 ： If eT = NB and e。