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摘 要： 摘要:溫度控制系統(tǒng)是智能家居體系的重要子系統(tǒng)，直接關(guān)系到住戶的舒適度.傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)主要采用反饋控制，即使我們嘗試實(shí)施常規(guī)的PID控制也無法獲得理想的控制效果.因此，在智能家居環(huán)境下的溫度控制系統(tǒng)中，嘗試采用基于模糊PID控制的方法，經(jīng)過仿真分
摘要:溫度控制系統(tǒng)是智能家居體系的重要子系統(tǒng)，直接關(guān)系到住戶的舒適度.傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)主要采用反饋控制，即使我們嘗試實(shí)施常規(guī)的PID控制也無法獲得理想的控制效果.因此，在智能家居環(huán)境下的溫度控制系統(tǒng)中，嘗試采用基于模糊PID控制的方法，經(jīng)過仿真分析，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能都得到了顯著提升.
關(guān)鍵詞:溫度控制;設(shè)計(jì);仿真
伴隨著科技的進(jìn)步，人們的生活水平不斷提高.近年來，人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，直接帶動了智能家居產(chǎn)業(yè)蓬勃興起.智能家居是以住宅為平臺，基于多種關(guān)聯(lián)技術(shù)構(gòu)成的個性化家居系統(tǒng)，經(jīng)過對各種數(shù)據(jù)的收集和科學(xué)分析，為用戶提供符合個性需求的服務(wù).智能家居廣泛融合了信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、智能控制等多門學(xué)科.有效提升智能家居產(chǎn)品智能化程度，進(jìn)一步改善用戶體驗(yàn)感受，降低用戶使用門檻是目前進(jìn)行相關(guān)研究的重要方向.將各種技術(shù)應(yīng)用到智能家居控制系統(tǒng)中，較大程度地提高產(chǎn)品的智能化程度和用戶體驗(yàn)，項(xiàng)目的研究具有較大的理論和實(shí)用價(jià)值，意義重大[1].
溫度控制系統(tǒng)作為智能家居體系中的一個重要子系統(tǒng)，對住戶的舒適度產(chǎn)生直接影響.傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)主要采用反饋控制方法，即通過對輸出溫度信號進(jìn)行實(shí)時采集，并且通過反饋通道送到系統(tǒng)輸入端，與用戶設(shè)置信號進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)自動控制.此種系統(tǒng)的性能往往不能令人滿意.在日常生活中，室內(nèi)的溫度會受到很多方面因素的影響，例如室外自然溫度、室內(nèi)照明裝置散發(fā)的熱量、電氣設(shè)備工作散熱、用戶活動因素等等，而這些都屬于不規(guī)則的隨機(jī)干擾量，即使我們嘗試實(shí)施常規(guī)的PID控制，也無法獲取理想的控制效果.
在二十世紀(jì)六七十年代，國外控制理論專家提出了模糊集合的概念，實(shí)現(xiàn)了模糊性和集合論的統(tǒng)一，標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的產(chǎn)生[2].模糊性與隨機(jī)性不同，主要是用來處理模糊現(xiàn)象.傳統(tǒng)的自動控制可以通過建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型加以研究，但隨著控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，多因素耦合程度提升，加上非線性因素，數(shù)學(xué)模型的獲取將十分困難.因此，智能家居環(huán)境下的溫度控制系統(tǒng)，可以嘗試采用基于模糊控制的方法.
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1基本控制思路
溫度模糊控制系統(tǒng)的的基本框圖如圖1所示.
在整個溫度控制系統(tǒng)中，模糊控制器是最核心的環(huán)節(jié)，主要由以下幾部分構(gòu)成:
(1)模糊化接口:即模糊量化處理模塊.主要是用來接收溫度給定值與被控對象最終輸出間的偏差量(由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器傳送).模糊控制器需要將信號由確切量轉(zhuǎn)化為模糊量.在某些特殊情況下，如果控制器是雙輸入通道，應(yīng)考慮根據(jù)偏差量計(jì)算出偏差變化率，然后再進(jìn)行模糊量化處理.
(2)模糊控制算法模塊:當(dāng)偏差(或者偏差變化率)的模糊量輸入到該模塊時，根據(jù)知識庫(通常是依據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)，提前儲存起來的專家知識，可以模擬人類模糊推理能力)，完成模糊控制器的輸出模糊量的推理過程.
(3)確切化接口:即去模糊化處理模塊.經(jīng)過模糊控制算法模塊輸出的是模糊控制量，而在進(jìn)行實(shí)際溫度控制時，必須是確切的值，因此在本環(huán)節(jié)主要是將模糊運(yùn)算得到的模糊輸出轉(zhuǎn)換成確切的控制量，以便能夠被實(shí)際系統(tǒng)所接受，然后再通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器變換成模擬量，傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)[3].
2溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)
對于在智能家居中應(yīng)用的溫度控制系統(tǒng)而言，對于模糊控制器的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵.在傳統(tǒng)的溫度自動控制系統(tǒng)中，廣泛地采用常規(guī)PID控制方式，如圖2所示.
系統(tǒng)中，PID控制器接收的是溫度偏差信號e(t)，分別進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算.采用模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以獲得更快的響應(yīng)速度和更高的可靠性，并且可以大大簡化參數(shù)設(shè)置過程，對于參數(shù)變化也擁有更強(qiáng)的適用性.
1)按照廣泛采用的二維模糊控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示，該種結(jié)構(gòu)可以克服一維模糊控制器動態(tài)性能不佳的缺點(diǎn)，同時避免維數(shù)過高、模糊控制規(guī)則復(fù)雜的問題.本系統(tǒng)中的二維模糊控制器是以室內(nèi)溫度的誤差信號和誤差的變化量信號作為輸入
2)為了有效提高模糊控制的精度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模糊控制器中，選取負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、負(fù)零(NO)、正零(PO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)以及平均值(AZ)等模糊狀態(tài)[4].對于溫度誤差變量，可以選擇如下模糊集合:{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}對于室內(nèi)溫度變化量信號而言，可以劃分7個模糊狀態(tài)(除了NS和NM).無論對于哪種信號，都可以根據(jù)實(shí)際情況來選取相應(yīng)的隸屬函數(shù).在現(xiàn)代化的智能家居系統(tǒng)中，根據(jù)我們的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行語義規(guī)則的推導(dǎo)，獲得模糊控制的狀態(tài)表，模糊控制器將以此作為推理的根據(jù).
(3)獲得控制變量、溫度誤差和溫度誤差變化量的模糊集后，可以借助MATLAB中專用的模糊邏輯工具箱，依照實(shí)際情況選擇相應(yīng)的算法，進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析.
綜合以上分析，本系統(tǒng)最終采用基于自適應(yīng)模糊控制的PID控制技術(shù)，總體采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)，將誤差變化率ec和誤差e作為控制器輸入量，依照兩個變量的變化，在模糊控制規(guī)則表制訂的規(guī)則之下，對于PID控制器kp、ki和kd三個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，經(jīng)過模糊化模塊、近似推理模塊以及模糊數(shù)據(jù)清晰化處理，得到相應(yīng)的輸出量，加到設(shè)計(jì)的PID控制器中，在線調(diào)整PID參數(shù).控制器結(jié)構(gòu)如圖4表示.
3仿真分析
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，可以借助MATLAB軟件對溫度模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在仿真過程中，可以綜合應(yīng)用SIMULINK工具箱和模糊邏輯工具箱(FuzzyLogicToolbox).其中，SIMULINK是MATLAB最早開發(fā)的仿真環(huán)境，特色鮮明.我們可以使用它進(jìn)行電路或系統(tǒng)的組織或者繪制，在進(jìn)行仿真參數(shù)的設(shè)置后，可以啟動仿真工作.溫度模糊控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)結(jié)果可以通過示波器工具(Scope)對仿真曲線和仿真波形進(jìn)行觀測.模糊邏輯工具箱可以通過對函數(shù)命令的調(diào)用或者應(yīng)用圖形用戶界面(GUI)來實(shí)現(xiàn)模糊推理系統(tǒng)的生成以及編輯[5].
如果進(jìn)行模糊控制，則需要進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)，在此過程中，需要通過一定的模糊邏輯算法，遵循特定的模糊控制規(guī)則，對傳統(tǒng)的PID控制器中的比例(P)、積分(I)、微分(D)環(huán)節(jié)的參數(shù)實(shí)時進(jìn)行必要的優(yōu)化，從而獲得更加理想的控制過程.控制規(guī)則的制訂一般是基于人們的長期經(jīng)驗(yàn)積累，是通過長期學(xué)習(xí)、實(shí)踐后形成的，它是技術(shù)知識的一種集合，操作者經(jīng)過對被控對象或被控過程的觀測，在已有經(jīng)驗(yàn)和知識的基礎(chǔ)上，進(jìn)行綜合的分析，通過對控制作用的調(diào)整，完成預(yù)期控制目標(biāo).控制裝置依據(jù)預(yù)先設(shè)置的輸入信號以及負(fù)反饋信號，通過計(jì)算獲得實(shí)際溫度與理想溫度的偏差e，同時獲得當(dāng)前偏差變化量de，由模糊規(guī)則開啟模糊推理過程，之后對模糊化參數(shù)進(jìn)行去模糊化處理(也稱解模糊化)，最終輸出基于模糊控制的控制器的各項(xiàng)系數(shù)[6].應(yīng)用MATLAB軟件，進(jìn)行控制器模型的建立，如圖6所示.
進(jìn)行仿真后，可以得到在兩種控制模式下的仿真曲線，如圖7所示.可以對圖中的兩條仿真曲線進(jìn)行對比，不難歸納出，如果溫度控制系統(tǒng)采用模糊PID控制后，仿真曲線的最大超調(diào)量更小(穩(wěn)定性更好)，調(diào)節(jié)時間變短(快速性增強(qiáng)).此外，模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)簡單，無論是硬件設(shè)計(jì)方面，還是后期軟件實(shí)現(xiàn)都比較容易.而采用常規(guī)的PID控制器進(jìn)行溫度控制，算法上會比較簡單，魯棒性能得到基本的保證，控制效果也比較好.但這種裝置不具備自適應(yīng)能力，一旦室內(nèi)情況發(fā)生變化，無法實(shí)時地在線自整定參數(shù).特別的，如果參數(shù)變化超出了一定的范圍，整個控制系統(tǒng)的性能將明顯受到影響.因此，對于常規(guī)的PID控制器來說，更多是應(yīng)用在線性時不變系統(tǒng)中，如果是在非線性時變的系統(tǒng)中應(yīng)用，控制效果不是十分理想.
4結(jié)語
溫度控制系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)中的重要部分，在智能家居溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用模糊PID控制器，魯棒性更好，控制精度更高，對于環(huán)境的適應(yīng)性也會更強(qiáng).相應(yīng)的控制方法也可以廣泛地應(yīng)用到智能家居的其他子系統(tǒng)中去.
