CN103913990A - 基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统，该控制系统是在经典模糊控制的基础上，利用状态机的信号流向进行加权，并考虑环境温度梯度影响，在相应的温度控制平台上进行算法设计和验证。本发明的控制方法步骤简单，能将温度状态机和模糊控制有效结合，解决ec滞后的问题，使模糊控制决策增加可靠依据且可广泛应用于惯性较大系统。该控制系统包括下位机单元、上位PC机人机界面、发动机冷却液温度工况模拟装置、发动机冷却液温度传感器和汽车水温仪表。本发明的控制系统结构设计简单、合理，测试和标定直观、精确且效率高，发动机冷却液温度传感器信号测量准确可靠，模拟温度工况控制快速平稳。

Description

基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及温度传感器技术领域，尤其涉及一种基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统。 

背景技术

传统的模糊控制策略考虑误差e和误差变化率ec的输入来进行温度控制决策，对于温度这样较大延迟的系统，由于温度响应较大滞后，虽然ec反映了温度变化的趋势，但因为ec也较大滞后于输入控制量，所以ec作为输入量容易引起控制失调，控制效率低且不够精确，无法广泛应用于惯性较大系统，无法有效应用于水温传感器及汽车水温仪表产品的标定以及输出特性、灵敏度、线性度、重复度等检测，或者相关技术培训、高校汽车电子专业实践等领域。同时，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 “发动机冷却液温度传感器”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。 

发明内容

本发明是为了解决传统温度模糊控制中由于惯性延迟导致误差变化率测量较大滞后以及控制系统测试和标定不够直观、精确，效率低等问题而提出一种能将温度状态机和模糊控制有效结合，解决ec滞后的问题，使模糊控制决策增加可靠依据，同时操控简单，测试和标定直观、精确、效率高且可广泛应用于惯性较大系统的基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

上述的基于状态机的温度模糊控制方法，首先根据实验将得到一般情况下的温度响应共划分多个状态，状态机的转换流向将为后续最终控制量输出进行加权；然后分别将温度偏差e(T) 和偏差率ec(T)模糊化为多个区间，并分别设定温度偏差e(T) 和偏差率ec(T)的范围，再通过线性变换使温度偏差e(T) 和偏差率ec(T)的范围归一化到同一模糊集论域；接着根据实验中温度运行特性建立模糊控制规则表，再由模糊控制规则表得到输出U，采用“最大隶属度”方法求解模糊化的输出U，并设模糊控制器输出波头数m_U的范围；最后通过线性变换去模糊化，建立模糊控制器输出波头数m_U与模糊化的输出U之间的关系。

所述基于状态机的温度模糊控制方法，其中： 

所述温度偏差e(T)模糊化为7个区间E； 

所述偏差率ec(T)模糊化为7个区间EC； 

所述温度偏差e(T)的范围为[e(T)_min,e(T)_max]； 

所述偏差率ec(T)的范围为[ec(T)_min,ec(T)_max]； 

所述温度偏差e(T)和所述偏差率ec(T)的模糊集论域都为[-6,6]，即： 

$E=\frac{12}{e_{\max }-e_{\min }}(e-\frac{e_{\max }+e_{\min }}{2})---\left(1\right);$

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

所述模糊化的输出U的论域为[0,1]； 

所述模糊控制器输出波头数m_U的范围为(m_Umin,m_Umax)； 

所述模糊控制器输出波头数m_U与模糊化的输出U之间关系的关系式为： 

m_U＝(m_Umax-m_Umin)U+m_Umin      (3)； 

最终波头数m与所述模糊控制器输出波头数m_U之间关系的关系式为： 

m＝m_U*K₁*K₂      (4)； 

其中，K₁为基于状态机的加权系数，K₂为环境温度修正系数。 

所述基于状态机的温度模糊控制方法，其中，所述基于状态机的加权系数K₁总的加权原则是：在E变化缓慢、EC很小的情况下考虑加权，否则EC较大时继续加权，二者叠加将导致系统超调，一旦EC超过临界域值，则取消K₁加权，K₁恢复为默认值1。 

所述基于状态机的温度模糊控制方法，其中：当前态在平衡态之下，即如果当前态从低温态上升而来，K₁权值减小；当前态如果从高温态下降而来，K₁权值应加大；当前态在平衡态之上，即如果当前态从较低温态上升而来， K₁权值应减小；如果当前态从较高温度态下降而来，K₁权值应加大；当历史态进入当前态后，历史态的延时参量清零，同时启用当前态的延时参量。 

所述基于状态机的温度模糊控制方法，其中，所述环境温度修正系数K₂的加权原则是：假设在环境温度为25℃时取得了较好的控制输出；当初始态是从低于40℃开始，则认为初始温度即为环境温度T₀；当初始温度大于40℃，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=25℃； 

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：

                                        （5）。

所述基于状态机的温度模糊控制方法，其中：首先根据实验得到一般情况下的温度响应曲线状态图，共划分八个状态，状态机的转换流向将为后续最终控制量输出进行K₁系数加权。 

所述基于状态机的温度模糊控制方法，其中，所述模糊控制规则表的模糊规则包括：1)欠温大偏差时大增功率运行，超温大偏差时以大减功率运行；2)欠温中偏差时，即温度下降快、较快则大增功率运行；温度下降慢或平缓则中增功率运行；温度上升较慢则小增功率运行；温度上升较快、很快则分别以中减和大减功率运行；3)欠温小偏差时，即温度有下降趋势则中增功率运行以及时提升；温度平缓则小增功率运行；温度缓升则保持当前输出，依靠惯性达到平衡区；4)平衡区时，即温度下降快则中增功率运行；温度下降较快、慢则小增功率运行；温度平缓则保持当前输出；5)超温小偏差时，即温度下降快、较快则小增功率运行；温度下降慢则保持当前输出，依靠惯性达到平衡区；温度上升慢则小减功率运行；温度上升较快、快则中减功率运行；6)超温中偏差时，即温度下降快、较快则保持输出，依靠惯性俯冲到低温区间；温度下降慢、平缓、上升慢则中减功率运行；温度上升较快、快则大减功率运行。 

一种基于状态机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；其特征在于：所述控制系统还包括发动机冷却液温度工况模拟装置、发动机冷却液温度传感器和汽车水温仪表；所述下位机单元包括DSP系统板、冷却液温度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液温度工况模拟装置；所述发动机冷却液温度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；所述发动机冷却液温度传感器通过所述冷却液温度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。 

所述基于状态机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；所述冷却液温度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与发动机冷却液温度传感器匹配插接；所述发动机冷却液温度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。

所述基于状态机的温度模糊控制系统，其中：所述发动机冷却液温度传感器采用的是NTC型热敏电阻式冷却液温度传感器，其与冷却液温度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冷却液温度传感器的参数值；所述发动机冷却液温度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与所述发动机冷却液温度传感器连接。 

有益效果： 

本发明基于状态机的温度模糊控制方法步骤简单，其控制策略具有快速、稳定、精确的控制效果；其在经典模糊控制的基础上，利用状态机的信号流向进行加权并考虑了环境温度梯度影响；同时，结合温度状态转换流，能够依据历史状态来判别温度变化趋势，从而解决ec滞后的问题，使模糊控制决策增加可靠依据；该控制思想可广泛推广应用于惯性较大系统的控制设计。

本发明基于状态机的温度模糊控制系统结构设计简单、紧凑，测控方便，测试和标定直观、精确且效率高，发动机冷却液温度传感器信号测量准确可靠，模拟温度工况控制快速平稳；同时，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，也可应用于水温传感器及汽车水温仪表产品的标定以及输出特性、灵敏度、线性度、重复度等检测，或者相关技术培训、高校汽车电子专业实践等领域。其中，冷却液温度传感器调理电路的设计不仅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，减小测量误差，而且能起到滤除干扰杂波的作用，提高了控制系统的抗干扰能力；加热棒驱动电路的抗电磁干扰能力强，工作稳定可靠。通过万用表可以实时测量当前发动机冷却液温度传感器的参数值，并结合玻璃温度计、汽车水温仪表以及上位PC机人机界面的虚拟水温表可进行多位一体的显示，使得水温的测试和标定变得更加直观、精确。整个控制系统操控简单，使用安全、可靠，灵活的模块化设计及插拔连接，可广泛应用于冷却液温度传感器及汽车水温仪表产品的标定以及输出特性、灵敏度、线性度、重复度等检测。 

附图说明

图1为本发明基于状态机的温度模糊控制方法的控制流程图； 

图2为本发明基于状态机的温度模糊控制方法的1s内预期控制导通的波头数m=2的导通情况示意图；

图3为本发明基于状态机的温度模糊控制方法的温度响应曲线状态图；

图4为本发明基于状态机的温度模糊控制方法的状态转换图； 

图5为本发明基于状态机的温度模糊控制方法的设定温度T_S=80℃时的温度响应曲线图；

图6为本发明基于状态机的温度模糊控制系统的结构原理图； 

图7为本发明基于状态机的温度模糊控制系统的电路连接图；

图8为本发明基于状态机的温度模糊控制系统的测控流程图。

具体实施方式

本发明基于状态机的温度模糊控制方法，参考图1，首先根据实验将得到一般情况下的温度响应共划分多个状态，状态机的转换流向将为后续最终控制量输出进行加权； 

然后分别将温度偏差e(T) 和偏差率ec(T)模糊化为多个区间，并分别设定温度偏差e(T) 和偏差率ec(T)的范围，再通过线性变换使温度偏差e(T) 和偏差率ec(T)的范围归一化到同一模糊集论域；

接着根据实验中温度运行特性建立模糊控制规则表，再由模糊控制规则表得到输出U，采用“最大隶属度”方法求解模糊化的输出U，并设模糊控制器输出波头数m_U的范围；

最后通过线性变换去模糊化，建立模糊控制器输出波头数m_U与模糊化的输出U之间的关系。

其中，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≤m+1，虽然最多可能有1个波头的误差，但是控制策略的鲁棒性可以使其影响忽略不计。图2显示了m=2的导通情况。 

本发明基于状态机的温度模糊控制方法，具体步骤为： 

首先根据实验得到一般情况下的温度响应曲线状态图（如图3），共划分八个状态，即z=0、1、11、2、22、3、4、5。其中22态为平衡态。无论当前态在哪态，都将最终调节进入22平衡态，进而得到状态转换图（如图4）。其中2态又分为“2+、2-”两个子态，22态又分为“22+、22-”两个子态。状态机的转换流向将为后续最终控制量输出进行加权。

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，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)，通过线性变换使温度偏差e(T) 和偏差率ec(T)的范围归一化到论域[-6,6]，即： 

$E=\frac{12}{e_{\max }-e_{\min }}(e-\frac{e_{\max }+e_{\min }}{2})---\left(1\right);$

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

根据实验中温度运行特性建立模糊控制规则表如表1：

1)欠温大偏差时大增功率运行；超温大偏差时以大减功率运行，从而快速纠偏。

2)欠温中偏差时：温度下降快、较快则大增功率运行；下降慢或平缓则中增功率运行；上升较慢则小增功率运行；上升较快、很快则分别以中减、大减功率运行，防止惯性过冲。 

3)欠温小偏差时：温度有下降趋势则中增功率运行以及时提升；平缓则小增功率运行；缓升则保持当前输出，依靠惯性达到平衡区。 

4)平衡区时：温度下降快则中增功率运行；下降较快、慢则小增功率运行；平缓则保持当前输出。 

5)超温小偏差时：温度下降快、较快则小增功率运行，防止冲到欠温区；下降慢则保持当前输出，依靠惯性达到平衡区；上升慢则小减功率运行；上升较快、快则中减功率运行。 

6)超温中偏差时：温度下降快、较快则保持输出，依靠惯性俯冲到低温区间；下降慢、平缓、上升慢则中减功率运行；上升较快、快则大减功率运行。 

接着，由模糊控制规则表1得到输出U，采用“最大隶属度”方法求解模糊化的输出U，U论域为[0,1]，设模糊控制器输出波头数m_U的范围为(m_Umin , m_Umax)，通过线性变换去模糊化，建立模糊决策的波头数m_U与模糊化的输出U之间的关系，即关系式为： 

m_U＝(m_Umax-m_Umin)U+m_Umin                                 （3）；

最后，建立最终波头数m与模糊决策的波头数m_U之间关系，关系式为：

m＝m_U*K₁*K₂          （4）；

其中，K₁为基于状态机的加权系数，K₂为环境温度修正系数。

K₁总的加权原则是：在E变化缓慢、EC很小的情况下考虑加权，否则EC较大时继续加权，二者叠加将导致系统超调，一旦EC超过临界域值，则取消K₁加权，K₁恢复为默认值1。根据图3、图4，总体上可分两大类情况分析。 

1)当前态在平衡态之下 

如果当前态从低温态上升而来，则说明前期状态能量积蓄较多，经过惯性延迟后会在后期体现，所以K₁权值减小，避免后续过冲；

当前态如果从高温态下降而来，则说明前期能量散发较多，必须及时补充，否则大的惯性会导致系统继续冲入不期望的更低温度态，所以K₁权值应加大。

2)当前态在平衡态之上 

如果当前态从较低温态上升而来，则需及时减少输出功率，避免前期积累的能量惯性过冲到更高的远离平衡态，所以K₁权值应减小；

如果当前态从较高温度态下降而来，则需及时增加功率输出，避免过冲到平衡态之下，所以K₁权值应加大。

表2选取了上述几个有代表性的状态加权情况。这样就修正了EC变化滞后对控制滞后的影响。此外从历史态进入当前态后，历史态的延时参量清零，同时启用当前态的延时参量，从而避免继续用历史态控制造成的控制滞后。 

表2 加权规则表 

K₂作为环境温度修正系数是为了考虑环境温度对系统散热的影响。K₂的加权原则是：假设在环境温度为25℃时取得了较好的控制输出。当初始态是从低于40℃开始，一般室内环境温度不会高于40℃，所以认为初始温度即为环境温度T₀；否则若初始温度大于40℃，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=25℃。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：

                                        （5）

显然，环境温度T₀越高，K₂越小，反之K₂越高。当T₀=25℃时，K₂=1。

图5是设定温度T_S=80℃时的温度响应曲线。可以看出，初期大功率输出时曲线上升依然平缓，这说明了系统的大惯性特性。中前期上升较快，接近平衡态时及时纠偏进入稳态，超调量小，稳态精度在0.2%之内。在开环实验进行标定时，若要达到80℃左右的稳态，大致需要40分钟左右，而通过控制系统模糊闭环调节，10分钟左右即到达稳态，显示了控制策略快速、稳定、精确的控制效果。 

如图6至图8所示，本发明基于状态机的温度模糊控制系统，是基于状态机的温度模糊控制方法，包括发动机冷却液温度工况模拟装置1、发动机冷却液温度传感器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和冷却液温度传感器调理电路33。 

发动机冷却液温度工况模拟装置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冷却液温度传感器2，该发动机冷却液温度工况模拟装置1还连接有玻璃温度计7；该发动机冷却液温度工况模拟装置1包括固态继电器11和加热棒12；该加热棒12为内嵌加热棒的铜棒，其连接220V交流电，同时与固态继电器11连接，其中，本实施例中该发动机冷却液温度工况模拟装置1是采用内嵌加热棒的铜棒模拟实现；该固态继电器11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。 

发动机冷却液温度传感器2通过冷却液温度传感器调理电路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连接发动机冷却液温度传感器2；同时，在发动机冷却液温度传感器2与冷却液温度传感器调理电路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冷却液温度传感器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，该发动机冷却液温度传感器2同时接地，该发动机冷却液温度传感器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液温度工况模拟装置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液温度工况模拟装置1的固态继电器11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液温度工况模拟装置1的固态继电器11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，当发动机冷却液温度工况模拟装置1的固态继电器11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液温度工况模拟装置1的加热棒12，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，使发动机冷却液温度工况模拟装置1的固态继电器11与地的通路进行通断控制，从而控制发动机冷却液温度工况模拟装置1的加热棒12与220V交流电的通断。 

冷却液温度传感器调理电路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与发动机冷却液温度传感器2匹配插接，使发动机冷却液温度传感器2的信号经冷却液温度传感器调理电路33送往DSP系统板31；其中，在发动机冷却液温度传感器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。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。 

本发明基于状态机的温度模糊控制系统的工作原理： 

上位PC机人机界面4与DSP系统板31通过串口进行双向通信，上位PC机人机界面4接受DSP系统板31传来的温度测量数据后同步进行显示，同时能设定实验者所期望的温度并发送给DSP系统板31；发动机冷却液温度传感器2通过冷却液温度传感器调理电路33实时反馈送给DSP系统板31后实时测量当前实际温度，与上位PC机人机界面4的设定温度比较后，经过软件控制算法，发出相应PWM波形经加热棒驱动电路32后驱动发动机冷却液温度工况模拟装置1，使得设定温度和实际温度趋向一致；当前发动机冷却液温度传感器2的参数值，可以实时的通过测量端口用万用表6测量，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。

本发明基于状态机的温度模糊控制方法步骤简单，其在经典模糊控制的基础上，利用状态机的信号流向进行加权，并考虑了环境温度梯度影响；在相应的温度控制平台上进行了算法设计和验证，该控制思想可广泛推广应用于惯性较大系统的控制设计。 

本发明基于状态机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。 

Claims (10)

1.一种基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于，首先根据实验将得到一般情况下的温度响应共划分多个状态，状态机的转换流向将为后续最终控制量输出进行加权；

然后分别将温度偏差e(T) 和偏差率ec(T)模糊化为多个区间，并分别设定温度偏差e(T) 和偏差率ec(T)的范围，再通过线性变换使温度偏差e(T) 和偏差率ec(T)的范围归一化到同一模糊集论域；

接着根据实验中温度运行特性建立模糊控制规则表，再由模糊控制规则表得到输出U，采用“最大隶属度”方法求解模糊化的输出U，并设模糊控制器输出波头数m_U的范围；

最后通过线性变换去模糊化，建立模糊控制器输出波头数m_U与模糊化的输出U之间的关系。

2.如权利要求1所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于： 

所述温度偏差e(T)模糊化为7个区间E； 

所述偏差率ec(T)模糊化为7个区间EC； 

所述温度偏差e(T)的范围为[e(T)_min,e(T)_max]； 

所述偏差率ec(T)的范围为[ec(T)_min,ec(T)_max]； 

所述温度偏差e(T)和所述偏差率ec(T)的模糊集论域都为[-6,6]，即： 

所述模糊化的输出U的论域为[0,1]； 

所述模糊控制器输出波头数m_U的范围为(m_Umin,m_Umax)； 

所述模糊控制器输出波头数m_U与模糊化的输出U之间关系的关系式为： 

m_U＝(m_Umax-m_Umin)U+m_Umin      (3)； 

最终波头数m与所述模糊控制器输出波头数m_U之间关系的关系式为： 

m＝m_U*K₁*K₂      (4)； 

其中，K₁为基于状态机的加权系数，K₂为环境温度修正系数。 

3.如权利要求2所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于，所述基于状态机的加权系数K₁总的加权原则是：在E变化缓慢、EC很小的情况下考虑加权，否则EC较大时继续加权，二者叠加将导致系统超调，一旦EC超过临界域值，则取消K₁加权，K₁恢复为默认值1。

4.如权利要求3所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于：当前态在平衡态之下，即如果当前态从低温态上升而来，K₁权值减小；当前态如果从高温态下降而来，K₁权值应加大；

当前态在平衡态之上，即如果当前态从较低温态上升而来， K₁权值应减小；如果当前态从较高温度态下降而来，K₁权值应加大；

当历史态进入当前态后，历史态的延时参量清零，同时启用当前态的延时参量。

5.如权利要求2所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于，所述环境温度修正系数K₂的加权原则是：假设在环境温度为25℃时取得了较好的控制输出；当初始态是从低于40℃开始，则认为初始温度即为环境温度T₀；当初始温度大于40℃，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=25℃；

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：

                                        （5）。

6.如权利要求2所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于：首先根据实验得到一般情况下的温度响应曲线状态图，共划分八个状态，状态机的转换流向将为后续最终控制量输出进行K₁系数加权。

7.如权利要求1所述的基于状态机的温度模糊控制方法，其特征在于，所述模糊控制规则表的模糊规则包括：

1)欠温大偏差时大增功率运行，超温大偏差时以大减功率运行；

2)欠温中偏差时，即温度下降快、较快则大增功率运行；温度下降慢或平缓则中增功率运行；温度上升较慢则小增功率运行；温度上升较快、很快则分别以中减和大减功率运行；

3)欠温小偏差时，即温度有下降趋势则中增功率运行以及时提升；温度平缓则小增功率运行；温度缓升则保持当前输出，依靠惯性达到平衡区；

4)平衡区时，即温度下降快则中增功率运行；温度下降较快、慢则小增功率运行；温度平缓则保持当前输出；

5)超温小偏差时，即温度下降快、较快则小增功率运行；温度下降慢则保持当前输出，依靠惯性达到平衡区；温度上升慢则小减功率运行；温度上升较快、快则中减功率运行；

6)超温中偏差时，即温度下降快、较快则保持输出，依靠惯性俯冲到低温区间；温度下降慢、平缓、上升慢则中减功率运行；温度上升较快、快则大减功率运行。

8.一种基于上述权利要求1至7任意一项所述的基于状态机的温度模糊控制方法的基于状态机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；其特征在于：所述控制系统还包括发动机冷却液温度工况模拟装置、发动机冷却液温度传感器和汽车水温仪表；

所述下位机单元包括DSP系统板、冷却液温度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液温度工况模拟装置；

所述发动机冷却液温度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；

所述发动机冷却液温度传感器通过所述冷却液温度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。

9.如权利要求8所述的基于状态机的温度模糊控制系统，其特征在于：所述DSP系统板具有端口ADCIN15及供PWM波形输出的端口IOPE6；

所述冷却液温度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与发动机冷却液温度传感器匹配插接；所述发动机冷却液温度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。

10.如权利要求8所述的基于状态机的温度模糊控制系统，其特征在于：所述发动机冷却液温度传感器采用的是NTC型热敏电阻式冷却液温度传感器，其与冷却液温度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冷却液温度传感器的参数值；

所述发动机冷却液温度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与所述发动机冷却液温度传感器连接。