專利名稱：：一種調(diào)節(jié)地鐵車廂溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及應(yīng)用于城市軌道交通車廂溫度的調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
：在目前的軌道交通中，夏天常會這樣一些情況，車廂中乘客較多時，車廂內(nèi)的空調(diào)仿佛不起作用，悶熱無比；而當(dāng)車廂中乘客較少時，車廂內(nèi)的溫度又很低，陣陣?yán)滹L(fēng)讓人感覺奇冷無比。原因是因為溫度的調(diào)節(jié)與控制方法較單一，沒有根據(jù)車廂的實際溫度與人員多少來實時調(diào)節(jié)。即不具有自適應(yīng)控制能力。目前，實現(xiàn)溫度控制的主要方法有PID控制方法、模糊控制方法。常規(guī)的PID控制方法原理簡單、實現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實際需要的基本控制器，但PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點，閉環(huán)特性從根本上是基于動態(tài)特性的低階近似假定的。無法同時滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動的不同性能要求，在很多情況下對被控對象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化不敏感。即不具有自適應(yīng)控制能力，對于時變、非線性系統(tǒng)控制效果不佳。模糊控制易于控制、能實現(xiàn)較理想的非線性控制，且不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，可以用于控制那些系統(tǒng)模型無法確定的系統(tǒng)；同時還具有抗干擾能力強，響應(yīng)速度快，魯棒性好，能夠較大范圍的適應(yīng)參數(shù)變化。但是模糊控制也存在著穩(wěn)態(tài)誤差和模糊規(guī)則不易確定等不足。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述方法的不足，將模糊自適應(yīng)PID控制方法引入實際應(yīng)用，結(jié)合PID控制和模糊控制的優(yōu)點，研究出模糊自適應(yīng)PID控制器，解決PID控制動態(tài)特性不太理想的問題，并提供一種切實可用的用于調(diào)節(jié)地鐵車廂溫度的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下所述?！N調(diào)節(jié)地鐵車廂溫度的方法，包含如下步驟a、提取地鐵車廂的采樣溫度；b、將采樣溫度輸入集成PID自適應(yīng)模糊控制器的單片機系統(tǒng)，系統(tǒng)計算得到的數(shù)值調(diào)整地鐵車廂的溫度。其中，所述PID自適應(yīng)控制器包含模糊控制器和PID控制器，所述模糊控制器的輸入量為溫度偏差e和偏差變化率ec，輸出量為PID參數(shù)的修正量比例系數(shù)AKp、積分作用系數(shù)AKp微分作用系數(shù)AKd，上述三個PID參數(shù)與溫度偏差e和偏差變化率ec具有如下關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table><formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>本發(fā)明所述的方法以模糊控制理論，以模糊自適應(yīng)PID控制算法為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)地鐵車廂溫度，將PID控制和模糊控制的優(yōu)點結(jié)合起來，采用模糊規(guī)則在線整定PID的Kp、K工、KD三個參數(shù)的模糊自適應(yīng)PID控制方法從一個新的角度上把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。圖1是本發(fā)明中PID自適應(yīng)模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明中E、EC、AKP、AK工、AK。隸屬度函數(shù)圖；圖3是本發(fā)明中系統(tǒng)一般響應(yīng)曲線；圖4是本發(fā)明中帶干擾的模糊自適應(yīng)PID控制模型示意圖；圖5是本發(fā)明中Subsystem的封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖6是本發(fā)明中系統(tǒng)總體設(shè)計圖；圖7是本發(fā)明中主程序流程圖；圖8是本發(fā)明中模糊自適應(yīng)PID算法流程圖具體實施例方式現(xiàn)依據(jù)附圖，對本發(fā)明做進一步的描述。實施例1本發(fā)明提供一種調(diào)節(jié)地鐵車廂溫度的方法，包含如下步驟a、提取地鐵車廂的采樣溫度；b、將采樣溫度輸入集成PID自適應(yīng)模糊控制器的單片機系統(tǒng)，系統(tǒng)計算得到的數(shù)值調(diào)整地鐵車廂的溫度。所述的PID自適應(yīng)模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。由圖可見，PID自適應(yīng)模糊器控制由常規(guī)PID控制器1和模糊推理2兩部分組成，模糊推理2實質(zhì)就是一個模糊控制器，只不過它的輸入是偏差e和偏差變化率ec，輸出是PID三個參數(shù)AKp、A&、AKd。PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個參數(shù)和偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測偏差e和偏差變化率ec，根據(jù)模糊控制原理來對PID3個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同偏差e和偏差變化率ec對控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。在PID自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)圖中，系統(tǒng)的輸入量是設(shè)定的溫度值，所以這里選擇模糊控制器的輸入量為溫度的偏差e和偏差變化率ec，輸出量為PID參數(shù)的修正量AKp、AKpAKd，它們的語言變量、基本論域、模糊子集、模糊論域和量化因子可見表1所示。表l變量<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>選擇各變量的隸屬度函數(shù)為均勻三角函數(shù)，這根據(jù)表1作出各個變量的隸屬度函數(shù)如圖2所示。根據(jù)上表中E、EC、AKP、AKpAKD隸屬度函數(shù)，可以近似的得出各個語可以近似的得出各個語言變量的賦值表。PID自適應(yīng)模糊控制器就是找出在不同時刻PID三個參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中不斷檢測偏差e和偏差變化率ec，根據(jù)模糊控制原理來對PID三個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同的偏差e和偏差變化率ec對參數(shù)的不同的要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。從傳統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)定精度等各方來來考慮Kp、K工、K。的作用如下比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度變慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。積分作用系數(shù)K工的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。K工越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但K工過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若&過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分作用系數(shù)K。的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。但KD過大，會使響應(yīng)過程提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。PID參數(shù)的整定必須考慮到不同時刻三個參數(shù)的作用及相互之間的關(guān)系。參數(shù)Kp、K工、K。自整定要求如下(1)當(dāng)偏差e較大時，為了加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp;為了避免由于開始時偏差e的瞬間變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較小的KD;為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取K工=O，去掉積分作用。(2)當(dāng)偏差e和偏差變化率ec處于中等大小時，為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取小一些，K工取值適當(dāng)，KD的取值對系統(tǒng)影響較大，取值要大小適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。(3)當(dāng)偏差e較小即接近于設(shè)定值時，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加KP和K工的取值，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，KD的取值相當(dāng)重要。一般偏差變化率ec較小時，K。取值應(yīng)該較大些當(dāng)偏差變化率ec較大時，K。取值應(yīng)該較小些。(4)偏差變化率ec的大小表明偏差的變化率，偏差變化率ec值較大，Kp的取值越小，K工取值越大。根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)曲線，進一步分析在不同時刻的偏差e和偏差變化率ec時，對于參數(shù)Kp，KpK。的要求，如圖3所示。在系統(tǒng)動態(tài)過程中，PID控制作用應(yīng)跟隨系統(tǒng)狀態(tài)變化而變化。設(shè)PID自適應(yīng)模糊控制器輸出u(t)與給定值U相等。從圖中可以看出，y(t)在bc段的超調(diào)量是由于ab段u(t)大于U，這是過程存在慣性和滯后造成的，cd段回調(diào)是由于bc段u(t)小于U。同樣de段的下調(diào)是因為cd段u(t)小于U的原因，ef回升是因為de段u(t)的升高。表2AKP模糊控制規(guī)則表NBMSZOPSPMNBPBPMPSZOZO腿PBPBPMPSPSNSnspmp:mpm.pszonsnszoPM.PMPSZONS湖:隨pspspszonsnsnm隨PlklPSzoNSNM顏NM腿PB'zoNM腿鵬腿表3AId模糊控制規(guī)則表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>LuuojjT吳徹ftESi疋,l、fl用疋'l土ftESi/H古tfJ一^T，共舉flffi疋T吳徹這T耳，ftESi/H古fl厶aaen刀法、Mamdani方法和Baldwin方法等，采用Mamdani方法推理方法進行推理(極大極小值法)。規(guī)則如果Ai且Bi，那么C的模糊關(guān)系可以表示為[i!AiAPBi]Ai^i，否則的意義是"OR"，在推理計算過程中可以寫成并集形式。由此推理結(jié)果為C'=(A'ANDB')°([(A^NDB》—CjU，.，[[(AnlANDBn)—Cn]])=c'iuc'2uc'3u，，uc'n其中Ci'=(A'ANDB')o[(AiANDBi)—Ci]可寫為[A°(Ai—C》nB°化一C》]其隸屬度函數(shù)為y=V{yA'A[iiAiAiic']}nv{yB'A[iiBiAiic']}由于模糊控制器輸出是一個模糊集合，它無法對精確的模擬或數(shù)字系統(tǒng)進行控制。因此，必須進行精確化計算得出此模糊集中最有代表意義的確定值作為系統(tǒng)的輸出控制，主要有最大隸屬度法、重心法、加權(quán)平均法等，而使用加權(quán)平均法，根據(jù)公式(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>推導(dǎo)的方法就可以計算出在不同的偏差和偏差變化率時，PID參數(shù)的調(diào)整量的輸入值，也就是模糊控制表對應(yīng)的數(shù)值，由此可以計算出AKp的模糊控制器的查詢表。同理，可以計算出AKpAKD的模糊控制器的查詢表。表4AKp模糊查詢表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表6AkD模糊查詢表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>將以上三張模糊控制表裝入單片機控制系統(tǒng)的存儲器中，根據(jù)誤差E與誤差變化率EC查找表中相應(yīng)的值{Ei，，ECi}，所以將這些參數(shù)代入PID控制器的位置型式可以得到公式Kd=Kd+(Ei，ECjdKi=Ki+{Ei，ECjiU(k)=KpE(k)+Ki^E①+Kd[E(k)-E(k-1)〗實施例2本發(fā)明所述的PID自適應(yīng)模糊控制器的仿真模型請見圖4所示，其中Subsystem中封裝著FuzzyLogicController系統(tǒng)如圖5所示。其中單片機選擇AT89C52，它是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、低功耗和高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，并且與80C51的引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大AT89C52單片機適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。集成PID自適應(yīng)模糊控制器的溫度控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)，分為上位機和下位機兩部分，其中上位機是遠離被控對象，可以通過串口與下位機通信，在線調(diào)節(jié)被控參數(shù)，達到對被控對象的控制，同時可以實現(xiàn)顯示、報警、數(shù)據(jù)存儲等功能。為了防止上位機在不能工作時帶來的損失，下位機也有鍵盤、顯示和報警等功能，這樣當(dāng)上位機不工作時可以直接利用下位機來控制被控對象，同時下位機是放置現(xiàn)場，結(jié)合被控對象，考慮檢測系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)等裝置，同時還有與上位機通信的模塊。圖6是系統(tǒng)的總體設(shè)計。下位機程序主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、定時器TO中斷服務(wù)程序、定時器T1中斷服務(wù)程序、鍵盤掃描程序、顯示程序和串口通信程序，由于KeilC51軟件編譯后生成的匯編代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。這些程序主要由KeilC51實現(xiàn)。主程序包括AT89C52本身的初始化以及各種并行I/O口的初始化等，其中主程序的流程圖如圖7所示。根據(jù)計算出的模糊控制表，響應(yīng)的流程圖見圖8所示。權(quán)利要求一種調(diào)節(jié)地鐵車廂溫度的方法，包含如下步驟a、提取地鐵車廂的采樣溫度；b、將采樣溫度輸入集成PID自適應(yīng)模糊控制器的單片機系統(tǒng)，系統(tǒng)計算得到的數(shù)值調(diào)整地鐵車廂的溫度。2.如權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)地鐵車廂溫度的方法，其特征在于，所述PID自適應(yīng)控制器包含模糊控制器和PID控制器，所述模糊控制器的輸入量為溫度偏差e和偏差變化率ec，輸出量為PID參數(shù)的修正量比例系數(shù)AKp、積分作用系數(shù)AKi、微分作用系數(shù)AKd，上述三個PID參數(shù)與溫度偏差e和偏差變化率ec具有如下關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage2</column></row><table><formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>全文摘要本發(fā)明所述的方法以模糊控制理論，以模糊自適應(yīng)PID控制算法為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)地鐵車廂溫度，將PID控制和模糊控制的優(yōu)點結(jié)合起來，采用模糊規(guī)則在線整定PID的KP、KI、KD三個參數(shù)的模糊自適應(yīng)PID控制方法從一個新的角度上把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。文檔編號G05B13/02GK101751049SQ20081020360公開日2010年6月23日申請日期2008年11月28日優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日發(fā)明者汪鑫,陳獻忠申請人:上海電機學(xué)院