基于平衡点增量的温度模糊控制方法及其控制系统

摘要

本发明涉及一种基于平衡点增量的温度模糊控制方法及其控制系统，该控制方法即首先建立“温度T”和“温度传感器信号在AD口电压V

说明书

技术领域

本发明涉及水温传感器技术领域，尤其涉及一种基于平衡点增量的温度模糊控制方法及其控制系统。 

背景技术

市场上缺乏较合适的发动机水温传感器测试标定装置。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“发动机冷却水温传感器”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。尤其，在现有的基于模糊控制的温度测控方法或系统通常是考虑误差e和误差变化率ec的输入来进行温度模糊控制决策，由于系统惯性较大，在逼近稳态的调节过程中，需要经历较长的探寻调整时间；尤其作为衡量温度变化趋势的ec，因为惯性延迟而较大滞后于输入控制量，这样在调节过程中容易引起系统过冲、稳态误差大等缺点。 

发明内容

本发明是为了解决现有发动机水温传感器的相关测试和标定操作复杂，不好操控，同时测试和标定不够直观、精确，测控系统调节速度慢、稳态误差大等问题而提出一种操控简单，水温测试和标定直观、精确，调节速度快、稳态误差小且能方便实际应用的基于平衡点增量的温度模糊控制方法及其测控系统。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

上述的基于平衡点增量的温度模糊控制方法，其首先建立“温度T”和“温度传感器信号在AD口电压V_D”之间的标定关系，即二者拟合关系；然后，在开环实验确定系统输出平衡点的基础上，进行增量模糊控制。 

所述基于平衡点增量的温度模糊控制方法，其中：所述温度T与AD口电压V_D的拟合关系的关系式为： 

T＝14.73V_D⁴-92.18V_D³+210.9V_D²-250.1V_D+191.8     (1)。 

所述基于平衡点增量的温度模糊控制方法，其中：所述开环实验即首先根据实验，将温度T范围划分为12个段T_i；开环送占空比为m_i％的PWM波形，稳态后得到每个温度段T_i大致需要的波头数m_i，此即平衡点粗估值；当前温度T_t属于上述的某个温度段T_i时，对应波头数为m_i；后续输出根据具体室温进行修正； 

然后，将温度偏差e(T)模糊化为7个区间E，将偏差率ec(T)模糊化为7个区间EC，温度偏差e(T)和偏差率ec(T)的模糊集论域都为[-6,6]；设温度偏差e(T)的范围为[e(T)_min,e(T)_max]，偏差率ec(T)的范围为[ec(T)_min,ec(T)_max]，通过线性变换使它们的范围归一化到论域[-6,6]，即： 

$E=\frac{12}{e_{\max }-e_{\min }}(e-\frac{e_{\max }+e_{\min }}{2})---\left(2\right);$

$\mathrm{EC}=\frac{12}{e{c}_{\max }-e{c}_{\min }}(\mathrm{ec}-\frac{e{c}_{\max }+e{c}_{\min }}{2})---\left(3\right);$

采用“最大隶属度”方法求解加权系数k_U模糊化的输出U，U论域为[-1,1]，设模糊控制器输出平衡点加权系数k_U的范围为(k_Umin,k_Umax)，通过线性变换去模糊化，得到模糊决策的平衡点加权系数k_U，即： 

$K_U=\frac{K_{U\max }+k_{U\min }}{2}+\frac{k_{U\max }-k_{U\min }}{2}U---\left(4\right);$

根据实验确定k_Umin＝-1，k_Umax＝5，代入上式(4)得： 

k_U＝2+3U                   (5)； 

最终波头数m输出为： 

m＝m_ik_T(1+k_U)                   (6)； 

式中，m_i为当前温度T_t属于上述的某个温度段T_i时对应的平衡点波头数， k_U为某个偏差区间内结合偏差率而模糊推导出的基于平衡点的加权系数，K_T为室温温度修正系数。 

一种基于平衡点增量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；其中：所述测控系统还包括发动机冷却水工况模拟装置、发动机水温传感器和汽车水温仪表；所述下位机单元包括DSP系统板、水温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水工况模拟装置；所述发动机冷却水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；所述发动机水温传感器通过所述水温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。 

所述基于平衡点增量的温度模糊控制系统，其中：所述DSP系统板具有端口ADCIN15及供PWM波形输出的端口IOPE6；所述水温传感器调理电路由电阻R10～R15、运算放大器U1和U2以及电容C11连接组成；所述电阻R10一端接地，另一端连接所述运算放大器U1的同相输入端；所述电阻R11一端连接运所述算放大器U1的反相输入端，另一端连接有输入端子SW-IN并通过所述输入端子SW-IN与发动机水温传感器匹配插接；所述发动机水温传感器与所述输入端子SW-IN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U1的信号输出端和反相输入端之间；所述运算放大器U1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C11并联于所述端口ADCIN15；所述电容C11一端连接于所述运算放大器U2的信号输出端，另一端接地。 

所述基于平衡点增量的温度模糊控制系统，其中：所述加热棒驱动电路由电阻R101～R105、倒相放大器U3和U4、开关光耦U10、场效应管Q10以及二极管D10连接组成；所述电阻R101一端接地，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U10的阳极；开关光耦U10的阴极接地，发射极连接于场效应管Q10的栅极；所述电阻R105一端连接所述开关光耦U10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Q10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Q10的源极接地并通过所述电阻R104连接所述场效应管Q10的栅极；所述二极管D10为硅二极管，其连接于所述开关光耦U10的集电极与所述场效应管Q10的漏极之间；所述二极管D10的阳极端连接所述场效应管Q10的漏极，所述二极管D10的阴极端连接所述开关光耦U10的集电极。 

所述基于平衡点增量的温度模糊控制系统，其中：所述发动机水温传感器采用的是NTC型热敏电阻式冷却液温度传感器，其与水温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水温传感器的参数值。 

所述基于平衡点增量的温度模糊控制系统，其中：所述发动机冷却水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与所述发动机水温传感器连接。 

有益效果： 

本发明基于平衡点增量的温度模糊控制方法是基于平衡点增量的温度模糊控制策略，各温度段基本平衡点的事先确定，能为后续输出量的合理取值提供确切参考，结合模糊控制策略，能大幅节省探寻调整时间，其调节速度快、稳态误差小，控制效果良好，鲁棒性强，该控制策略可适合惯性较大系统的动态控制 

本发明基于平衡点增量的温度模糊控制系统结构设计简单、合理，操控简单、方便，使用安全、稳定，测试和标定直观、精确且效率高，发动机水温传感器信号测量准确可靠，模拟温度工况控制快速平稳，人机界面友好，操控简单、方便，成本低，可适合惯性较大系统的动态控制，可进行温度传感器参数测量与标定、调理及驱动电路设计、控制策略验证、仪表技术研究等，不仅能满足相关的实践教学，也是很好的毕业设计和课余电子设计应用 的实践平台。 

附图说明

图1为本发明基于平衡点增量的温度模糊控制方法的控制流程图； 

图2为本发明基于平衡点增量的温度模糊控制方法的温度传感器标定的拟合曲线图； 

图3为本发明基于平衡点增量的温度模糊控制方法的基于平衡点增量的温度模糊控制的m＝2时双向晶闸管导通情况图； 

图4为本发明基于平衡点增量的温度模糊控制系统的结构原理图； 

图5为本发明基于平衡点增量的温度模糊控制系统的电路连接图； 

图6为本发明基于平衡点增量的温度模糊控制系统的测控流程图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明基于平衡点增量的温度模糊控制方法，即首先根据标定时的系列测量值如表1，建立“温度T”和“温度传感器信号在AD口电压V_D”之间的标定关系，如图2所示，即二者拟合关系： 

T＝14.73V_D⁴-92.18V_D³+210.9V_D²-250.1V_D+191.8     (1)； 

表1 标定测量值 

玻璃温度计T 28 37 47 58 66.5 78 86.5 96 107 118 133.5 信号转换电压V 3.56 3.21 2.81 2.36 1.96 1.602 1.325 1.076 0.862 0.675 0.51 AD口电压V_D2.136 1.926 1.686 1.416 1.176 0.961 0.795 0.646 0.517 0.405 0.306

然后，在开环实验确定系统输出平衡点的基础上，进行增量模糊控制。 

由于动机冷却水工况模拟装置采用双向晶闸管结构作为固态继电器，若要精细的输出控制量，必须增加220V过零检测，配合精确的导通角输入才能达到此目的，这将增加系统的复杂程度。本发明采用了更加简洁易行的方案：双向晶闸管在1s内正负共能导通100次，即1s内有0～100个波头可以进行自由支配。PWM输出周期为1s的波形，占空比为m％，m即为1s内预期控制导通的波头数。实际控制中，除非PWM上升沿恰好在220V交流电的过零点附近，否则导通的波头数为m+1，虽然最多可能有1个波头的误差，但控制策略的鲁棒性可以使其影响忽略不计。图3显示了m＝2时晶闸管导通情况。 

以下结合基于平衡点增量的温度模糊控制策略(即开环实验)对本发明进一步描述： 

首先根据实验，温度T范围划分为12个段T_i。开环送占空比为m_i％的PWM波形，稳态后得到每个温度段T_i大致需要的波头数m_i，此即平衡点粗估值，如表2。各温度段基本平衡点的事先确定，能为后续输出量的合理取值提供确切参考。当前温度T_t属于上述的某个温度段T_i时，对应波头数为m_i。表2是室温为23℃时所作结果，所以后续输出将根据具体室温进行修正。 

表2 室温为23℃时平衡点波头数粗估值 

然后温度偏差e(T)模糊化为7个区间E，偏差率ec(T)模糊化为7个区间EC，模糊集论域都为[-6,6]。设e(T)的范围为[e(T)_min,e(T)_max]，ec(T)的范围为[ec(T)_min,ec(T)_max]，通过线性变换使它们的范围归一化到论域[-6,6]，即： 

$E=\frac{12}{e_{\max }-e_{\min }}(e-\frac{e_{\max }+e_{\min }}{2})---\left(2\right);$

$\mathrm{EC}=\frac{12}{e{c}_{\max }-e{c}_{\min }}(\mathrm{ec}-\frac{e{c}_{\max }+e{c}_{\min }}{2})---\left(3\right);$

由实验中温度运行特性建立模糊规则表3。 

表3 控制规则表 

接着，采用“最大隶属度”方法求解加权系数k_U模糊化的输出U，U论域为[-1,1]，设模糊控制器输出平衡点加权系数k_U的范围为(k_Umin,k_Umax)，通过线性变换去模糊化，得到模糊决策的平衡点加权系数k_U，即： 

$K_U=\frac{K_{U\max }+k_{U\min }}{2}+\frac{k_{U\max }-k_{U\min }}{2}U---\left(4\right);$

根据实验确定k_Umin＝-1，k_Umax＝5，代入上式得： 

k_U＝2+3U                     (5)； 

最终波头数m输出为： 

m＝m_ik_T(1+k_U)                  (6)； 

其中，m_i为当前温度T_t属于上述的某个温度段T_i时对应的平衡点波头数，k_U为某个偏差区间内结合偏差率而模糊推导出的基于平衡点的加权系数，K_T为室温温度修正系数。 

根据模糊控制规则表，k_U的加权原则是：在欠温远离平衡区域时k_U取值较大，特别当欠温偏差属于NB区间时，k_U取最大值5，这时最终输出由公式(6)得到波头数m为6m_ik_T；在超温远离平衡区域时k_U取值较小，特别当超温偏差属于PB区间时，k_U取最小值-1，这时最终输出波头数m为0；在平衡区域时偏差属于ZO区间，k_U取值在0附近，这时最终输出波头数m在m_ik_T附近。其它偏差区间类似，需要结合偏差率对应的控制规则表进行取值。 

K_T作为室温温度修正系数是为了考虑环境温度对系统散热的影响；K_T的加权原则是：假设在环境温度为23℃时开环送占空比得到了平衡点粗估值。当初始态是从低于35℃开始，一般室内环境温度不会高于35℃，所以认为初始温度即为环境温度T₀；否则若初始温度大于35℃，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T₀＝23℃。后种情况会引入一定的环境温度误差、影响上升曲线，但模糊控制系统的鲁棒性会最终使温度进入稳态。这样处理就省略了环境温度检测传感器。由于系统稳态时散热率与设定温度T_S和环境温度T₀的梯度相关，则 

$K_T=\frac{T_S-T_0}{T_S-23}---\left(7\right);$

显然，环境温度T₀越高，K_T越小，反之K_T越高；当T₀＝23℃时，K_T＝1。 

如图4、5所示，本发明基于平衡点增量的温度模糊控制系统，是基于上 述的于平衡点增量模糊控制的水温传感器测控方法，其包括发动机冷却水工况模拟装置1、发动机水温传感器2、下位机单元3、上位PC机人机界面4和汽车水温仪表5。其中，该下位机单元3包括DSP系统板31、加热棒驱动电路32和水温传感器调理电路33。 

发动机冷却水工况模拟装置1一端通过加热棒驱动电路32连接DSP系统板31，另一端嵌入有发动机水温传感器2，该发动机冷却水工况模拟装置1还连接有玻璃温度计7；该发动机冷却水工况模拟装置1包括固态继电器和加热棒，该加热棒连接220V交流电，同时与固态继电器连接，其中，本实施例中该发动机冷却水工况模拟装置1是采用内嵌加热棒的铜棒模拟实现；该固态继电器是采用JGX-5F型固态继电器，即双向晶闸管结构，其通过加热棒驱动电路32与DSP系统板31连接。 

发动机水温传感器2通过水温传感器调理电路33连接于DSP系统板31的端口ADCIN15，同时还与汽车水温仪表5连接，其中，该汽车水温仪表5是通过端子B15连接发动机水温传感器2；同时，在发动机水温传感器2与水温传感器调理电路33之间还设有测量端口SW-C，该测量端口SW-C还连接有万用表6，通过万用表6可以实时测量当前发动机水温传感器2的参数值，并结合玻璃温度计7、汽车水温仪表5以及上位PC机人机界面4的虚拟水温表进行多位一体的显示，该发动机水温传感器2同时接地，该发动机水温传感器2采用的是NTC型热敏电阻式冷却液温度传感器。 

该DSP系统板31一端通过串口进行双向通信连接上位PC机人机界面4，另一端通过供PWM波形输出的端口IOPE6连接加热棒驱动电路32并通过加热棒驱动电路32连接驱动发动机冷却水工况模拟装置1。 

该加热棒驱动电路32由电阻R101～R105、倒相放大器U3和U4、开关光耦U10、场效应管Q10以及二极管D10连接组成。该电阻R101一端接地(数字地)，另一端连接于DSP系统板31的端口IOPE6；倒相放大器U3和U4串接在一起，即倒相放大器U3的输入端通过电阻R102连接DSP系统板31的端口IOPE6，倒相放大器U3的输出端则连接于倒相放大器U4的输入端，倒相放大器U4的输出端则通过电阻R103连接于开关光耦U10的阳极；开关光耦U10的阴极接地(数字地)，发射极连接于场效应管Q10的栅极，电阻R105一端连接开关光耦U10的集电极，另一端连接有输出端子CW-OUT﹢并通过输出端子CW-OUT﹢匹配插拔连接于发 动机冷却水工况模拟装置1的固态继电器的正极端；场效应管Q10的漏极连接有输出端子CW-OUT﹣并通过输出端子CW-OUT﹣匹配插拔连接于发动机冷却水工况模拟装置1的固态继电器的负极端，场效应管Q10的源极接地(模拟地)并通过电阻R104连接场效应管Q10的栅极；二极管D10为硅二极管，其连接于开关光耦U10的集电极与场效应管Q10的漏极之间，即二极管D10的阳极端连接场效应管Q10的漏极，二极管D10的阴极端连接开关光耦U10的集电极。 

其中，电阻R101为下拉电阻，避免悬浮电平造成的误开操作；电阻R102为限流电阻，保护DSP系统板31的端口IOPE6口，以防拉电流过大；电阻R103为限流匹配电阻，确保开关光耦U10的输入电流驱动发光二极管在额定发光区间内；电阻R104为开关光耦U10输出端匹配电阻，取值较大以确保光敏晶体管导通时工作在饱和状态，同时电阻R104也为场效应管Q10提供栅极偏置电压，在开关光耦U10导通时开启场效应管Q10，开关光耦U10不导通时起到下拉电阻的作用，防止悬浮电平误导通场效应管Q10，其中，该场效应管Q10为IRF540N型MOS管；电阻R 105为限流及匹配电阻，确保场效应管Q10导通时工作在可变电阻区；反并的二极管D10为硅二极管，其起到续流二极管的作用，当发动机冷却水工况模拟装置1的固态继电器突然断开时，生成的感生电势能量通过续流二极管释放，避免击穿场效应管Q10。当实时测量温度和设定温度比较后，利用DSP系统板31控制算法后经过端口IOPE6，实时生成相应的PWM波形以驱动发动机冷却水工况模拟装置1的加热棒，PWM波形首先经倒相放大器U3和U4同相驱动后送往开关光耦U10进行隔离驱动，去控制场效应管Q10的栅极，使发动机冷却水工况模拟装置1的固态继电器与地的通路进行通断控制，从而控制发动机冷却水工况模拟装置1的加热棒与220V交流电的通断。 

水温传感器调理电路33由电阻R10～R15、运算放大器U1和U2以及电容C11连接组成。该电阻R10一端接地(数字地)，另一端连接运算放大器U1的同相输入端。该电阻R11一端连接运算放大器U1的反相输入端，另一端连接有输入端子SW-IN并通过输入端子SW-IN与发动机水温传感器2匹配插接，使发动机水温传感器2的信号经水温传感器调理电路33送往DSP系统板31；其中，在发动机水温传感器2与输入端子SW-IN之间还串联了一个自锁按钮开关KG，该自锁按钮开关KG断开时测量电阻，闭合时进行在线闭环温度调控、测量稳态信号电压。该电阻R12连接于该运算放大器U1的信号输出端和反相输入端之间；该 运算放大器U1的信号输出端还通过电阻R14连接运算放大器U2的反相输入端；该运算放大器U2的同相输入端通过电阻R13接地(数字地)；电阻R15连接于该运算放大器U2的信号输出端和反相输入端之间；该运算放大器U2的信号输出端连接于DSP系统板31的端口ADCIN15，通过运算放大器U1和U2的阻抗匹配特性即输入阻抗大、输出阻抗小的特点，能减少外接电路对后级测量电路的影响及对仪表内部传感器调理电路的影响，以减小测量误差。发动机冷却液温度传感器2的信号经过两级反相比例系数分别为-0.6、-1的级联后得到0.6倍的比例缩放以免AD口电压超出ADC参考电压。该电容C11并联于DSP系统板31的端口ADCIN15，即该电容C11一端连接于运算放大器U2的信号输出端，另一端接地(数字地)，能起到滤除干扰杂波的作用。 

本发明基于平衡点增量的温度模糊控制方法是基于平衡点增量的温度模糊控制策略，各温度段基本平衡点的事先确定，能为后续输出量的合理取值提供确切参考，结合模糊控制策略，能大幅节省探寻调整时间，调节速度快、稳态误差小，控制效果良好，鲁棒性强，该控制策略可适合惯性较大系统的动态控制。 

本发明基于平衡点增量的温度模糊控制系统结构设计简单、合理，操控简单、方便，使用安全、稳定，可进行温度传感器参数测量与标定、调理及驱动电路设计、控制策略验证、仪表技术研究等，不仅能满足相关的实践教学，也是很好的毕业设计和课余电子设计应用的实践平台。