基于模糊控制的一種噴霧器設(shè)計

王　猛（青島科技大學(xué)　自動化與電子工程學(xué)院,山東　青島　266042）

基于模糊控制的一種噴霧器設(shè)計

王猛
（青島科技大學(xué)自動化與電子工程學(xué)院,山東青島266042）

摘要：介紹一種基于模糊控制的噴霧器設(shè)計。本噴霧器運用壓力與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行工作，使冷媒液體通過毛細(xì)管后達(dá)到所需壓力進(jìn)行噴灑。溫度控制由運用模糊控制算法的單片機(jī)進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：模糊控制；單片機(jī)；溫度控制

1　引言

現(xiàn)在所使用的噴霧器可分為四種。一種用的是利用伯努利原理。即是在同一流質(zhì)里，流速大，壓強(qiáng)小；流速小，壓強(qiáng)大。流體會自動從高壓流向低壓。在通過三叉管時，低速流動的水流向高速的流動的空氣。水被高速空氣撕成一滴滴小水滴。這些小水滴噴出來后就成了霧。第二種用的是把水壓入細(xì)管造成高速水流，高速水流碰到障礙物后裂成小水滴。第三種是讓水帶上電荷（水是電介質(zhì)），利用同種電荷互相排斥把水分成微滴。這種方法的水滴顆粒很小。第四種是超聲霧化。振動可以在水面引起“浪花”，超聲波的振動頻率十分高，于是它的“浪”的波長很小，因此它形成的小水滴也很小，這些小水滴就成了霧。

本裝置就是利用罐內(nèi)自身高壓將冷媒液體壓入到毛細(xì)管內(nèi)形成高速液流從而噴出。由于介質(zhì)為液氯等冷媒液體，在毛細(xì)管中易汽化，從而造成溫度降低，引起誤差加大并以引起器件毀壞。為保持其溫度恒定，在此引入加有模糊控制的單片機(jī)進(jìn)行有效控制。實驗表明，達(dá)到可控要求。

2　硬件原理及設(shè)計

2.1系統(tǒng)原理

本裝置由溫度傳感器，單片機(jī)，毛細(xì)管，執(zhí)行器等構(gòu)成。通過溫度傳感器將溫度送至單片機(jī)，單片機(jī)通過模糊算法對執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)整從而使得毛細(xì)管的溫度恒定。外圍電路包括報警燈及保護(hù)電路。

2.2硬件設(shè)計

所選用的單片機(jī)是ATmega88，它有8K的flash，有一個16位定時器和兩個8位定時器，并且，它有3個PWM可以進(jìn)行控制作用。最重要的是，ATmega88芯片內(nèi)部集成有A/D轉(zhuǎn)換功能，可用作10位的A/D轉(zhuǎn)換。所采用的溫度傳感器是DS18系列，它支持總線接口，有利于抗干擾。毛細(xì)管采用盤拉不銹鋼管的毛細(xì)管，具有良好的柔軟性、耐蝕性、耐高溫、耐磨損、抗拉性、防水性并提供優(yōu)良的電磁屏蔽性能。報警電路采用聲光報警，當(dāng)單片機(jī)檢測到異常，就會使報警電路發(fā)出光響，并通過保護(hù)電路進(jìn)行自我保護(hù)。

3　模糊控制系統(tǒng)

3.1模糊控制理論

模糊理論是給出一套系統(tǒng)而有效的方法，將用自然語言表述的信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)的表達(dá)形式，從而得以使這些信息能夠有效運用。在一個模糊系統(tǒng)中，模糊控制器是其核心，其包含了所要使用的模糊算法和解決所相關(guān)模糊性的必要成分。它由下列四個基本單元構(gòu)成：模糊器，模糊規(guī)則，模糊推理，去模糊化。

輸入值要經(jīng)過三個階段：第一個階段模糊化，即把輸入的精確值轉(zhuǎn)變成模糊集合。第二個階段建立模糊推理規(guī)則，即建立所需要的推理規(guī)則將上步通過推理得到的模糊結(jié)果。第三個階段去模糊化，即把上步所得模糊結(jié)果進(jìn)行去模糊化處理得到更精確的結(jié)果。

3.2模糊控制器的建立

在這個模糊控制器輸入量u包含兩個變量：誤差率e和誤差變化率r。模糊控制器的建立主要包括以下幾個方面：

（1）通過一定算法將輸入量u轉(zhuǎn)換成一個二值的或具有一定隸屬度的確切變量的模糊集，常用的隸屬度函數(shù)有：

1）B樣條隸屬函數(shù)。B樣條隸屬函數(shù)是一個簡單地分段多項式函數(shù)，它被廣泛用于曲線擬合。

2）高斯隸屬函數(shù)。高斯函數(shù)的中心(ai)和寬度(σi)構(gòu)成初始化的參數(shù)集合。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整中心和寬度，可以得到理想的高斯函數(shù)。

3）修正高斯隸屬函數(shù)。修正高斯函數(shù)是具有緊支集的隸屬函數(shù)，當(dāng)模糊集的支撐為(λ1,λ2)時，隸屬函數(shù)在ζ=(λ1+λ2)/2處具有最大值，此時其值為exp(-1)。

（2）輸出與輸入量的模糊集設(shè)定和模糊規(guī)則：定義e和r以及V的模糊集為{bn，mn，sn,o,sp,mp,pb}。其中bn，mn，sn,o,sp,mp,pb分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大模糊語言變量。按所需做出模糊規(guī)則，則可進(jìn)行仿真。

（3）實驗仿真。通過matlab仿真得到如下圖所示，圖中虛線為純PID控制，為實線加入模糊控制器的PID控制。通過分析，其純PID控制過程相對于后者有明顯的滯后，且反應(yīng)時間及調(diào)整時間都較長。

4　結(jié)論

本裝置運用模糊控制與常規(guī)的PID控制相結(jié)合，用單片機(jī)加以實現(xiàn)控制。相對于只運用PID控制技術(shù)有很好的效果。通過MATLAB仿真可以看出前者有較快的反應(yīng)時間，且超調(diào)很小甚至沒有，在應(yīng)用實踐中也表現(xiàn)出很好作用效果。

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作者簡介：王猛，（1987—），男，山東曲阜人，碩士研究生，研究方向：控制科學(xué)與工程。