智能型IC卡水表阀门模糊控制器的设计

智能型IC卡水表阀门模糊控制器的设计

Design of intelligent IC card water meter

valve fuzzy controller

作 者 姓 名 张亚芳 学 位 类 型 工程硕士 学 科、专 业 电气工程 研 究 方 向 现代控制理论及其应用 导 师 及 职 称 葛锁良 副教授

2014年

月

合 肥 工 业 大 学

本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 答辩委员会签名：（工作单位、职称）

主 席：

委 员：

士学位论文质量要求。

导 师：

独 创 性 声 明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签字： 签字日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文者签名： 导师签名：

签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日

学位论文作者毕业后去向：

工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编：

智能型IC卡水表阀门模糊控制器的设计

摘要

关键词：

Design of intelligent IC card water meter

valve fuzzy controller

Abstract

Key words:

致 谢

转眼间我的进修学习即将结束，在这几年的学习中不少老师和同学都给予了我很大的帮助。

首先向我的导师葛锁良副教授致以衷心的感谢！感谢葛锁良副教授对我学习、工作所给予的无私关心、悉心指导和严格要求。尤其是在我的论文进展最困难的时候，葛老师多次对我进行了精心的指导。老师的帮助给了我信心和动力，并激励我在今后的人生道路上努力学习、勤奋工作。借此机会谨向导师表示崇高的敬意和诚挚的感谢。

衷心感谢学院的其他老师在学习中给予我的指导和帮助，感谢周峰、陈曼、杨茂慧等同学对我的帮助。感谢MATLAB中文论坛的诸位网友对我的帮助。

最后，特别感谢我的亲人。他们的关爱、支持和鼓励是我完成学业的坚强后盾，谢谢他们多年来为我默默无私的付出。

作者：张亚芳

2014年 月 日

目录

图表清单

第一章 绪论

1.1引言

智能IC卡水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。它除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量自动进行控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能。由于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可以实现由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费的转变。

IC 卡水表的外观与一般水表的外观基本相似，其安装过程也基本相同。IC卡水表的使用很简单，从用户的角度看，就时把IC卡卡片向水表里插一下。 IC 卡水表的工作过程一般如下：将含有金额的IC卡片插入水表中的IC卡读写器，经微机模块识别和下载金额后，阀门开启，用户可以正常用水。当用户用水时，水量采集装置开始对用水量进行采集，并转换成所需的电子信号供给微机模块进行计量，并在LCD显示模块上显示出来。当用户的用水金额下降到一定数值时，微机模块进行声音报警，提示用户应该去持卡交费购水。如超过用水金额，则微机模块会自动将电控阀门关闭，切断供水。直至用户插入已经交费的IC卡片重新开始开启阀门进行供水。

1.2智能IC卡水表的特点

采用智能IC卡水表，可以为供水管理部门和用水户带来许多方便，可以为传统的供用水管理模式进行现代化改造提供基础性的技术支持。与传统的用水计量仪表相比，采用智能IC卡水表技术可以带来许多新变化。

1、对供水部门来说，可以实现先交费再供水的用水管理模式。它对解决水费拖欠的难题会有帮助。

2、改变了入户抄表收费的模式。采用智能IC卡水表及其管理系统，将可以从根本上改变由供水部门派人去千家万户抄表收费的模式。只要供水部门合理设置交费机构，基本上不会给用户带来麻烦。如果得到金融系统的配合，还可以减少布点的成本。因此大规模采用智能IC卡水表技术，对降低供水部门的管理成本会有显著帮助。而使用IC卡进行交易结算，用户可以自主决定交费时间和数量，增大了用户的自主性。特别是随着人们家庭安全意识和隐私意识的增强，入户抄表和上门收费等随意进入私人住户的做法将逐渐不受欢迎甚至受到抵制，这是一个必须给予重视的社会发展趋势。

3、可以有效解决一些技术难题。比如，随着水资源的紧张，将会逐步实行超计划水价和阶梯式水价等较为复杂的用水管理模式。这些，都对供用水表交易提出较高的技术要求。采用智能IC卡水表，将很容易解决这些问题。同时也为制造高精度计量仪表提供技术支持。

4、随着科学技术的发展，供水业也需要逐步实现用高科技手段进行供水管理。采用智能IC卡水表，将为运用计算机技术进行现代化管理奠定一个技术基础。

5、智能IC卡水表还有其他优点，比如可以有效地解决计量扯皮、用水纠纷、贪污水费、人情用水、用水统计困难等问题。

6、与远传抄表系统相比，智能IC卡水表具有使用和维护成本很低的优势，没有布线造成的混乱和高故障率等问题。

IC卡交易系统还具有交易方便、计算准确、可利用银行进行结算等特点。 智能IC卡水表的以上优点，将会使其逐渐被接受并成为一种基本用水计量配置。

在目前这个社会中， 传统的上门入户抄表既耗费了大量的人力物力，还耽误了用户的时间，并且有时还存在数据差异造成用户或自来水厂的经济损失，所以传统的上门入户抄表已不能适应社会的需要，在时代的驱使之下新型智能IC卡水表以不可阻挡的势头登上了时代的舞台，走进了各个新建或是已建小区中。新型智能IC卡水表由于其数据传递和交易结算通过IC卡进行的，所以实现由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费的转变，既节省了人工成本也给了用户合理的时间安排。智能IC卡水表可对用水量进行记录和电子显示，并且可以按照约定对用水量自动进行控制，以及自动完成水费计算和进行用水数据存储。 与传统的水表相比智能IC卡水表还有以下几点优势。

1、智能水表实现了先交费再供水的用水管理模式，这样有效的杜绝了水费拖欠的问题并且间接地防止了一部分的水资源浪费的问题。

2、用户自主通过IC卡缴费，这样首先为供水部门节约了管理成本，并且给了用户合理安排时间的选择权，增大了用户的自主性。特别是随着人们家庭安全意识和隐私意识的增强，入户抄表和上门收费等随意进入私人住户的做法将逐渐不受欢迎甚至受到抵制，这是一个必须给予重视的社会发展趋势。

3、智能IC卡是高精度计量仪表，能够精确的计量水表交易记录，有效控制水资源浪费。 4、智能IC卡水表可以有效地解决计量扯皮、用水纠纷、贪污水费、人情用水、用水统计困难等问题。

以上只是智能IC卡水表的几个主要的优点，其他的优点就不多介绍了。通过以上优点可以看出智能IC卡水表登上时代舞台是大势所趋、时代进步。

1.3阀门“瓶颈”问题常用的解决方法

IC卡水表由发信基表，电路主板，电池，液晶显示屏，电动阀等组成。电路主板主要是处理和储存数据。首先要拿IC卡到管理中心充值，然后插进水表，这时水表会读取IC卡中的水量并储存在水表中，电路主板检测到有可用水量后会发出指令使电动阀打开，水表正常供水，水表按流量计量用水量，当水表中储存的水量用完后电路主板会发出指令使电动阀关闭，这时停水。

阀门是智能IC卡水表关键部件，也是长期制约智能IC卡水表发展的瓶颈。住宅IC卡水表阀门从先导阀发展到电动球阀和电动陶瓷阀，现在已初步解决了实用性问题。但是所需控制能量与供电方式仍不匹配，

其长期稳定性和可靠性仍有改进和创新的空间。

随着计量准确度的提高，近年来设计人员开始更加注重测控的控制方面，如开始采用智能控制技术控制阀门、为保护电池使用寿命而采用电机的软启动技术等。虽然水表行业规定六年强检，但根据我国的实际运作情况，IC卡水表应具有更高的使用寿命方能体现产品的价值。目前功耗已不是主要矛盾，电池自身的寿命基本决定了IC卡水表的使用寿命。现今而言更为关键的是，由于阀门的锈蚀导致驱动电流增大进而造成电池的损伤及阀门的失效，从而造成IC卡水表的失效。因为此瓶颈问题，大大降低了其使用寿命，甚至有些IC卡水表只使用两年左右便失效，大大低于预期寿命。此故障还将随着在役年限的增加越来越凸显。

近10年来，设计人员采用过如先导阀、磁力助推阀、不锈钢阀芯、陶瓷阀芯及润滑剂等，但效果不明显。亦有采用定时开关阀门的设计，虽然在一定程度上可以缓解此问题，但因时因地不同所导致的阀门锈蚀程序是不同的，以一定的规则去适应复杂变化的锈蚀情况显然是不科学的，不仅不利于合理使用有限的电量，而且势必造成一定的故障率。而锈蚀情况的数学模型是很难或不可能精确建立的，此种情况采用模糊控制理论往往可以取得令人满意的结果。

1.4本文的主要工作

采用模糊控制技术可更加有效地使用有限电量并避免阀门锈死，彻底解决了IC卡水表使用寿命的“阀门瓶颈”问题。为了克服模糊算法计算量大这一缺点，采用了查表法进行模糊控制。即采用MATLAB模糊逻辑工具箱进行离线设计，得到符合控制要求的模糊控制表，存入系统的存储器中。本研究以采集的电控阀的驱动电流值I与设定电流值Ig的偏差e=I-Ig及相邻两次偏差变化率ec为输入变量，下次开关电控阀的时间调整量U为输出变量，建立典型的双输入单输出PD结构模糊控制器，并利用模糊推理系统编辑器（FIS）对控制参量进行设定。试验表明，驱动电流的安全范围在50～100mA之间，正常情况下，电控阀每10天左右开关一次可以保证阀门不锈蚀。

第二章 模糊控制器的理论基础

2.1 模糊控制理论的诞生与发展

在社会科学和自然科学中有着大量模糊概念和模糊现象，而传统的经

典数学无法准确得描述这些模糊现象。大多数人在日常生活中都会经常遇到大量含糊的概念，比如“这条路很宽”中的“很宽”、“他力气比我大很多”中的“大很多”等等，它们都没有明确的量化标准作为界定。像这些没有明确界定标准的理论概念，都可以称之为模糊概念。虽然人们没办法将这些模糊概念用精确数量来表示清楚，但是大家听起来却都能明白对方需要表达的是什么意思。这表明在精确数学无法表示清楚的地方，我们可以用界限模糊一点语言来表示。因此，研究人员寻找了新的方法来解决出现的模糊性问题，于是就产生了模糊理论。模糊理论是在已有的精确数学理论的基础上而产生和发展起来的。[7]

早在20世纪20年代国外就已经有学者在研究如何描述客观世界中所存在的模糊现象。著明的数学家和哲学家B.Russell在1923年就撰写了有关“含糊性”的论文。在他的论文中提到了含糊和精确都是语言的属性，而不是现实存在物质。他认为人类的语言都是模糊的。例如，“大的”和“远的”都是模糊不清晰的。1937年英国学者M.black也对“含糊性”进行过研究，其在发表的文章中提出了“轮廓一致”的概念．这一新概念和以后扎德提出的隶属函数很相似，在其文章中，还提出了模糊集合、子集合的概念。所以也有学者认为M.black才是模糊集合的鼻祖。

在传统的经典集合论中，任何一个元素与集合之间的关系，只有两种情况：“属于”或者“不属于”，而这两种情况有且只有一个成立。那种模棱两可的情况是不容许出现的。例如在现在的市区的公共交通服务中，可以享受免费服务的老年群体的条件就是年龄在70周岁以上。可是，我们也常遇到界限不明确的概念，这些概念具有一定的模糊性，它们都有一个共同的特点就是有一个程度的比较。像“年龄太大”就是一个界限相对模糊概念，应为要给“太大”一个明确的界限比较困难，比如在经典集合论中以80岁作为太大的界限，那么100岁和90岁都属于“年龄太大”。但是很显然100岁比90岁的太大的程度更高，不过经典的集合论中要为所有程度有所区别的情况都作出定义不太现实。这些问题可以利用模糊理论来解决，模糊集合的特点就是集合的边界并不明确，它的集合是以不同强度也称为隶属度来划分而具备某种统一特性的元素的集体。在模糊数学中，把集合中的元素特征函数的定义为一个连续逻辑，它的取值为【0,1】闭区间的任意值，这个特征函数称为模糊集合的隶属度函数，隶属度函数是一个模糊集合的重要组成部分，隶属度函数描述了在一个论域中所有元素属于一个特定模糊集合的不同强度。在不同的模糊系统中常使用不同的隶属度函数，隶属度函数的种类很多，常使用的有高斯型、钟型、三角型等。模糊理论中并没有对隶属度函数的形状作严格的要求，函数可以是任意形状的曲线，只要在使用中简单、有效就可以，但是也有一些约束条件：

一是隶属度函数的值域均为【0,1】；二是函数必须是单值函数[8]。

1965年著名控制论学者美国的L.A.Zadeh发表开创性论文，首次系统的阐述了一种完全不同于传统经典数学与控制理论的模糊集合理论，1986年世界上第一块基于模糊逻辑理论设计的人工智能芯片由贝尔实验室研制成功。模糊系统理论作为一门新兴的学科具有很强的生命力，应用前景十分广阔。

模糊理论之所以能迅速的发展，是因为模糊理论提供了—种全新的数学工具和解决问题的手段。模糊理论拥有许多优点：

首先，模糊理论是一种可以表现人们的自然语言的理论和方法，使人类的自然语义为机器所识别并接受，这样就提高了机器在工作中的灵活性。

其次，日益发展的模糊逻辑和模糊推理的理论以及方法，使得机器只要增加简单的软硬件就会变得更加聪明，系统的智能化程度也更高。例如现在使用的家电模糊控制产品和在工业中应用的模糊控制系统。

还有，模糊理论应用面比传统的经典数学理论更广，除了工程技术领域外。模糊理论还能为各种人文学科提供科学的数学描述语言和工具，为人文学科的发展起到了有力的推进作用。

以模糊集理论为基础的模糊控制理论的出现使得在自动控制策略之中加入人类积累的系统控制经验和推理判断过程变得更加方便。传统的模糊控制理论已经在实际中取得了很多成功。

[9]

在传统的控制系统设计中，越是性能好的控制系统越需要被控制对

象的数学模型更加精确。但是在很多生产过程，要想得到一个既能提供足够的精确性，又能便于控制系统进行分析的数学模型是非常困难的。不过对于一个熟练的操作人员来讲，能够对系统中受控对象的各种参考量改变，例如温度、颜色、气味的变化等，做出准确判断并系统加以控制，最终获得较好的人工控制效果。像烹饪中对时间、火候的掌握这类控制方式事不依赖于经典的数学模型的，它只完全凭借人的经验积累、感觉和大脑的逻辑判断。模糊控制就是将人的经验进行总结，按照总结出的控制经验形成控制规则，由控制规则构成一个控制器以取代人对复杂的生产过程进行控制。随着先进的模糊思想向传统的控制领域的渗透，为控制理论的发展开辟了新方向，提供了模糊控制这一新的设计方法。

我国对模糊控制理论的研究起步较晚，但是发展很快，在模糊控制、模糊辨识、模糊图像处理、模糊信息论等领域的研究都取得了不少有影响的成果。1979年李宝经、刘志俊等人开始使用连续数字仿真方法来研究典型模糊控制器的性能，以后越来越多的高校和科研单位的专家学者都加入到了模糊控制的研究队伍之中。1981年，我国成立了模糊系统和模糊数学

学会，并且还创办了当时世界上第二份模糊专业的学术杂志《模糊数学》。1988年，模糊理论的研究被列入 “863”计划项目和国家自然科学基金项目。1989年，北京师范大学成了国家级的模糊系统实验室。

模糊控制的发展非常迅速，但大致可分为三个阶段[10]：模糊理论的简单控制、与传统经典控制理论相结合的复合控制和应用了智能控制理论的仿生控制：

1、在早期所研制的模糊控制器只是单一的应用模糊控制理论，现在在一些比较简单的控制系统中仍然采用单一控制的方式。单一的模糊控制就是以模糊语言逻辑控制作为基础，多数系统都是使用L.A.Zadeh教授提出的模糊推理规则进行判断以获得控制决策。例如Max-Min控制方法就是一种经典的控制方法，随着控制方法的不断改进，基本模糊控制的内容逐渐丰富。

2、当然基本模糊控制自身存在许多不足之处，在实际应用中的也存在不可避免的局限性。传统的经典控制理论方法已经有着长时间的实践和研究，已经积累了相当丰富的知识和经验。因此新旧理论相结合便产生了复合控制方法，模糊控制技术便上升到了一个新的高度。

3、近几年来随着智能仿生控制技术在现代自动控制领域的应用日趋广泛，具有自组织、自学习和自适应能力的智能模糊控制理论正在迅速发展。

2.2 模糊控制系统概述

模糊控制技术适用于那些被控过程没有精确的数学模型或者很难建立精确数学模型的工业生产过程，这些过程中的参数基本上都是时变的，并且呈现极强的非线性特征。而模糊控制是不需要精确的数学模型的[11]。

模糊控制是以模糊集合、模糊语言及模糊逻辑推理等模糊数学知识作为理论基础的，以传感器技术、计算机控制技术和自动控制理论作为实现手段的一种控制理论和方法。

模糊控制所研究的对象通常具有如下特点：

1、被控对象的模型具有不确定性。如对象模型未知或者了解极少，或是控制模型的结构和参数的变化范围很大等。

2、被控制对象具有明显的非线性特性。

3、被控对象具有比较复杂的任务要求。例如，在工业过程控制系统中，除了控制对象的被控物理量要求能更具需要实现定值调节外，还要求整个系统能实现自启动与停止，对出现的故障进行自动诊断以及对紧急情况的自动处理等。

2.2.1模糊控制系统的基本结构

模糊控制器(fuzzy controller，FC)也可以称之为模糊逻辑控制器

(fuzzy logic controller，FLC)，控制系统所采用的模糊控制规则的描述是由模糊集合论中模糊条件语句来表达的。因此，模糊逻辑控制器是一种语言型的控制器被称为模糊语言控制器(fuzzy language controller，FLC)。

一般的模糊控制器，主要由模糊化、知识库、模糊推理和去模糊化等四个部分组成[12]。基本结构如下图所示：

图表 1 模糊控制器的一般结构

1、模糊化模块：这一部分的功能是将输入控制器的精确量转换为推理所需要的模糊量。这里的输入量包括参考输入和受控系统的输出或状态等，模糊化就是将输入量进行尺度变换，使其达到不同的论域范围，将原先的精确输人量转变为现在的模糊量，并用已作定义的模糊集合来表示。

2、知识库模块：知识库中包含了应用领域中的具体知识和需要达到的控制目标，知识库一般由数据库和规则库两部分组成。数据库由尺度变换因子、语言变量的隶属函数以及模糊空间的分类等；规则库中的内容是系统的控制规则，他们使用模糊语言变量来表示的，反映了专家的控制经验和知识。

3、模糊推理模块：它的功能是模拟人们基于模糊概念进行推理．推理的基础是知识库中的模糊逻辑关系和控制规则。

4、去模糊化模块：去模糊化是将模糊推理得到的模糊控制量变换为用于实际控制的标准量，包括两个过程：首先是将模糊控制量变换为在论域范围内的标准量；然后再将论域中的标准量经过尺度变换得到实际控制用的标准量。

2.2.2模糊控制器的设计方法

模糊控制是一种基于控制规则而产生的控制系统。控制器中采用的控制规则均为语言型的表示方式，在控制器设计过程中不需要建立精确地数学模型，控制原理和控制策略都很容易被接受和理解，设计的过程也比较简单，而且便于应用。设计模糊控制器就是依据控制问题，根据操作人员的积累起来的控制经验或者是相关专家的科研知识，设计出与被控过程相适应的控制器，使被控系统达到预先设定的目标[13]。控制器的设计一般分为六步：

1、确定输入与输出变量

多数系统中选择受控系统输出的误差e和误差的变化率ce作为输入

变量，而输出变量多为系统调节量的变化量。

2、确定输入与输出变量的语言值及变量的隶属度函数

常选的语言值数目多为3个，5个和7个：3语言值时多选用{N，Z，P}。5语言值时一般定义为：{NB，NS，ZO，PS，PB}。7个语言值的定义域一般为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM．PB}。其实就是用语言表示实际量偏离参考量程度的大小。

在为每个模糊集定义各自隶属函数时。只要求隶属度函数必须能覆盖整个取值的范围。至于函数分布是否均匀，形状如何都可以，只要方便有效就行。通常在敏感一点的取值范围内的隶属函数会相对密一点。

3、建立合适的控制率

控制率是控制器设计中的核心，它是描述输入与输出特性的一系列语言型的规则。设计人员掌握的知识和积累的经验以及质量都关系到所设计出的控制器的性能好坏。但是在复杂的系统中，积累丰富的知识和建立合理的控制规律是非常困难的。并且，随着受控系统输入、输出数量的增加，所需建立的控制规则也会成倍地增加。对于一个双输入单输出的模糊控制器，如果输入模糊变量采用7个语言值，那么控制规则数就需要49个。假如输入增加为3个则系统的控制规则就需要353个。成倍增长的控制规则数目使设计变得复杂。研究人员们也在研究根据系统的特性自动生成变量的隶属度函数和系统控制规则的方法，以缩短设计时间提高设计质量。

在建立控制规则时，要求必须覆盖输入可能出现的所有状态，以保证在每一种输入状态下都能有相应的控制规则在起作用。同时输入变量隶属函数之间必须有一定的重叠，一般大约重叠25％~50％。在设计控制规则的时候必须避免出现相互矛盾的控制规则。

4．模糊推理和去模糊化方法

模糊推理方法常选的有两种：最大最小推理和最大乘积推理，根据实际情况选定一种就可以了。去模糊化方法多用的有面积重心法以及平均最大值法两种。在计算能力强且时间要求并不苛刻的情况下，可选择面积重心法。但是在时间要求相对苛刻的情况下，则应采用平均最大值的方法进行去模糊化。

5．模糊控制器的实现

模糊控制器的实现有两种：硬件实现和软件实现。其中软件实现又有两种，分别为离散式的实现和连续式的实现。在那些存储量和计算时间都要求高的系统中一般采用离散式实现的方法，即先将输入量离散化，对于每一组输入量都计算出输出，通过制成的查询表对系统进行控制。在精度要求高且通用性强的系统中则宜采用连续式实现的方法，就是对于输入量实时计算相应的输出量。

6．最后是优化模糊控制器

当系统设计好运行后，根据其实际的控制性能对模糊控制器进行必要的修改。一般作为优化手段通常的方法有调整控制规则和比例因子。有时结合具体情况通过调整隶属度函数的位置和形式等也能得到较好的效果。 2.2.3模糊控制应用研究的发展方向

要使一个模糊控制系统拥有良好的控制效果关键是要有一个合适的控制规则。但是由于模糊控制规则是人们对控制过程或控制对象信息的归纳，对于那些高阶、大时滞、非线性、参数时变以及随机干扰比较严重的复杂控制过程的认识往往比较少也难以总结出完整的经验。这使得单一的模糊控制在一些情况下的控制效果并不十分理想。改进稳态时的控制精度和提高控制器的智能水平与适应能力是提高控制效果的两个主要方面。

在实际的应用中，通常将模糊控制及其推理思想，与其它已经比较成熟的控制理论或方法相结合。这样能发挥各自的长处，从而获得比较理想的控制效果。由于模糊规则和语言是很容易被人们接受的，加上模糊化技术通过微处理器和计算机实现起来很方便，所以这种复合的控制方法展现出了强大的生命力和良好的控制效果。对模糊控制的改进方法一般有模糊复合控制、自学习自适应的模糊控制以及将智能化控制方法与模糊控制结合的等几个方面[14]：

1、模糊复合控制：

复合控制的种类比较多。如：模糊-PID复合控制、模糊-线性复合控制、史密斯-模糊控制器、三维模糊控制器、多变量模糊控制等。

2、自适应、自学习模糊控制：

这一类控制器通常有：自校正模糊控制器、参数自调整模糊控制器、模型参考自适应模糊控制器、具有自学习功能的模糊控制和自组织模糊控制器等。

3、模糊控制与其它智能控制方法的结合：

尽管模糊控制仍然存在着不少不足之处，但在大量工程应用上已经取得了成功，尤其是那些无法用经典理论和现代控制理论建立出精确数学模型的复杂的控制系统中的应用效果比较好，模糊控制已经成为智能控制的一个重要组成部分。

4、专家模糊控制：

专家系统能够弥补模糊控制器结构简单、规则单一的缺陷。二者相结合可使模糊控制具有更高的智能，还能够拥有复杂的过程控制知识，并能够在更加复杂的情况下有效地利用这些知识。

5、基于神经网络的模糊控制：

如利用神经网络实现部分或整个模糊逻辑控制的功能、自适应的神经

网络模糊控制、以模糊神经网络为基础的隶属度函数及推理规则的获取方法等均有应用。

此外，模糊控制的研究方向还有模糊预测控制、模糊系统变结构方法、模糊系统的建模和参数辨识、模糊模式识别研究等。

2.3PID控制的基本原理

在我们的日常生活中，应用最为广泛的控制规律还是比例、积分、微分控制，简称PID控制，也称为PID调节。PID控制器出现至今已有近百年的历史，它已成为工业控制中的主要技术之一，PID控制的特点有：结构比较简单、稳定性较好、可靠性高、系统调整方便等。在被控对象的参数和结构不能完全掌握，或者得不到系统精确的数学模型时，其它的控制理论技术应用起来就比较困难。这时候系统控制器的结构以及参数就必须依靠人们的经验和现场调试的情况来确定，这时应用PID控制技术是最为方便的。换句好说，就是当我们不完全了解一个系统和被控对象，或者不能通过现有有效的测量手段来获取系统参数时，最适合使用PID控制技术。PID控制在实际使用中根据系统需要也有PI和PD控制[15]。

PID控制器基本控制方法就是根据系统的误差，并利用比例、积分、微分计算出控制量对系统进行控制的[16]。

给定值 比例 实际输 出值

积分 微分 图表 2 PID控制器的原理框图

被控对象

PID控制器是一种线性的控制器，传统的PID控制器控制规律如下：

u(k)?KP[e(t)?1TITDde(t)]dt

上式中：e?t??r?t??y?t?为系统的控制误差 KP—比例系数； TI—积分时间常数； TD—微分时间常数。

?t0e(t)dt?比例（P）、微分（D）和积分（I）部分的作用[17]分别是：

1、比例控制：比例控制是一种最简单的控制方式。比例控制器的输出与输入的误差信号成比例关系。当产生误差时，控制器便产生控制作用，以减小误差。但是当仅有比例控制作用时系统输出会存在稳态误差。

2、积分控制：积分的主要作用是消除静差，提高系统稳态时的性能。在积分控制器中，输出与输入的误差信号的积分结果成正比关系。对自动控制系统来说，如果在进入稳态后任然存在稳态误差，则称这个控制系统有稳态误差简称有差系统。为了能消除稳态误差，在控制器中就必须引入积分项。积分项对误差的影响取决于积分的时间，随着时间的增加，积分项会逐渐增大。这样，即便原有的误差很小，但是积分项也会随着时间的增加而逐渐加大，它会引起控制器输出的增大使得稳态误差进一步减小，直到误差为零。因此，比例积分(PI)控制器作用的系统在进入稳态后没有稳态误差。

3、微分控制：这部分控制反映的是系统误差变化的趋势，控制器的输出与输入的误差信号的微分成正比关系。这样控制系统能在系统误差变得过大之前，为系统中引入一个相对有效的前期控制信号，从而加快系统调节的动作速度，减少系统调节时间。自动控制系统在消除误差的调节过程中往往会出现振荡甚至失稳，解决这些问题的办法就是超前抑制误差的变化。这就使得在控制器中仅引入比例控制项往往是满足不了要求的，因为比例项的作用信号只是误差的幅值，而这时就需要增加的是微分控制项，由于误差微分反映的是系统误差变化的趋势，所以微分控制器能够提前使降低对误差的抑制作用，从而避免了由于惯性环节等因素造成的被控量严重超调的情况。所以对于有较大惯性或滞后组件的被控对象，加入微分控制器能有效的改善受控系统在调节过程中一些的动态特性。 2.3 模糊控制器的基本原理

模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言及模糊逻辑为基础的控制，它是 模糊数学在控制系统中的应用，是一种非线性智能控制。

模糊控制是利用人的知识对控制对象进行控制的一种方法，通常用“if条 件，then结果”的形式来表现，所以又通俗地称为语言控制。一般用于无法以 严密的数学表示的控制对象模型，即可利用人(熟练专家)的经验和知识来很好 地控制。因此，利用人的智力，模糊地进行系统控制的方法就是模糊控制。模 糊控制的基本原理如图所示：

模糊控制系统原理框图

它的核心部分为模糊控制器。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现，实现一步模糊控制算法的过程是：微机采样获取被控制量的精确值，然后将此量

与给定值比较得到误差信号E；一般选误差信号E作为模糊控制器的一个输入量，把E的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示；从而得到误差E的模糊语言集合的一个子集e(e实际上是一个模糊向量); 再由e和模糊控制规则R(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u为：

式中u为一个模糊量；为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量u进行非模糊化处理转换为精确量：得到精确数字量后，经数模转换变为精确的模 拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制；然后，进行第二次采样，完成第 二步控制??。这样循环下去，就实现了被控对象的模糊控制。

模糊控制(Fuzzy Control)是以模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制同常规的控制方案相比，主要特点有：

(1)模糊控制只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据，不需要建立过程的数学模型，所以适用于不易获得精确数学模型的被控过程，或结构参数不很清楚等场合。

(2)模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性的表达，不用传递函数与状态方程，只要对人们的经验加以总结，进而从中提炼出规则，直接给出语言变量，再应用推理方法进行观察与控制。

(3)系统的鲁棒性强，尤其适用于时变、非线性、时延系统的控制。

(4) 从不同的观点出发，可以设计不同的目标函数，其语言控制规则分别是独立的，但是整个系统的设计可得到总体的协调控制。

它是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性问题的一种有效方法，同时也构成了智能控制的重要组成部分。

模糊控制器的组成框图主要分为三部分：精确量的模糊化，规则库模糊推理，模糊量的反模糊化。

（1） 精确量的模糊化

模糊化是一个使清晰量模糊的过程，输入量根据各种分类被安排成不同的隶属度，例如，温度输入根据其高低被安排成很冷、冷、常温、热和很热等。

一般在实际应用中将精确量离散化，即将连续取值量分成几档，每一档对应一个模糊集。控制系统中的偏差和偏差变化率的实际范围叫做这些变量的基本论域，设偏差的基本论域为[-x,+x]，偏差所取的模糊集的论域为(-n，-n+1,?0，n-1,n),即可给出精确量的模糊化的量化因子k：

（2） 规则库和推理机

模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如If-then,else,also,and,or等。例如，某模糊控制系统输入变量为e(误差)和ec(误差变化率)，它们对应的语言变量为E和EC，可给出一组模糊规则。

R1：If E is NB and EC is NB then U is PB R2：If E is NB and EC is NS then U is PM

通常把If...部分称为“前提”，而then...部分称为“结论”。其基本结构可归纳为If A and B then C，其中A为论域U上的一个模糊子集，B为论域V上的一个模糊子集。根据人工的控制经验，可离线组织其控制决策表R，R是笛卡儿乘积集U×V上的一个模糊子集，则某一时刻其控制量C由式(2-2)给出：

规则库用来存放全部模糊控制规则，在推理时为“推理机”提供控制规则。由上述可知，规则条数和模糊变量的模糊子集划分有关。划分越细，规则条数越多，但并不代表规则库的准确度越高，规则库的“准确性”还与专家知识的准确度有关。

在设计模糊控制规则时，必须考虑控制规则的完备性、交叉性和一致性。完备性是指对于任意的给定输入均有相应的控制规则起作用。要求控制规则的完备性是保证系统能被控制的必须条件之一。如果控制器的输出值总由数条控制规则来决定，说明控制规则之间相互联系、相互影响。这是控制规则的交叉性。一致性是指控制规则中不存在相互矛盾的规则。 常用的模糊控制规则生成方法有： a、 根据专家经验或过程控制知识生成控制规则

模糊控制规则是基于手动控制策略而建立的，而手动控制策略又是人们通过学习、试验以及长期经验积累而形成的。手动控制过程一般是通过被控对象或过程的观测，操作者再根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使系统达到预期目标。 b、根据过程模糊模型生成控制规则

如果用语言去描述被控过程的动态特性，那么这种语言描述可以看作为过程的模糊模型。根据模糊模型，可以得到模糊控制规则集。 c、 根据对手工操作的系统观察和测量生成控制规则

在实际生产中，操作人员可以很好地操作控制系统，但有时却难以给出用于模糊控制所用的控制语句。为此，可通过对系统的输入、输出进行多次测量，再根据这些测量数据去生成模糊控制规则。 推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。Mamdani推理法, 本质上是一种合成推理方法

（3） 反模糊化

通过模糊控制决策得到的是模糊量，要执行控制，必须把模糊量转化为精确量，也就是要推导出模糊集合到普通集合的映射(也称判决)。实际上是在一个输出范围内，找到一个被认为最具有代表性的、可直接驱动控制装置的确切的输出控制值。主要反模糊化判决方法有：最大隶属度法，重心法和加权平均法。 模糊控制器的结构

根据输入变量和输出变量的个数，分为单变量模糊控制和多变量模糊控制。 二维输入-单输出模糊控制器

二维模糊控制器如图2-2(b)，两个输入变量基本上都采用受控变量的 偏差e和偏差的变化率ec，由于它们能够严格地反映受控过程中输出变量 的动态特性，因此在控制效果上要比一维模糊控制器好得多，这也是最常 用的一类模糊控制器。

供暖锅炉控制系统属于过程控制系统，过程控制系统是指把生产过程的温度、压力、流量、液位和浓度作为被控参数的控制系统。因此供暖锅炉控制系统作为过程控制系统其控制的总任务是维持总的出水温度恒定，同时燃烧效率尽可能高、污染尽可能小，保证设备运行安全，满足用户的供热要求，以及对各运行参数和设备状态进行检测，以便进行显示、报警、工况计算以及制表打印等。

第三章 阀门模糊控制器的设计

3.1模糊控制的必要性

随着计测准确度的提高，近年来设计人员开始更加注重测控的另一方面，即控制，如开始采用智能控制技术控制阀门、为保护电池使用寿命而采用电机的软启动技术等。虽然水表行业规定六年强检，但根据我国的实际运作情况，IC卡水表应具有更高的使用寿命方能体现产品的价值。目前功耗已非主要矛盾，电池自身的寿命基本决定了IC卡水表的使用寿命。现今而言更为关键的是，由于阀门的锈蚀导致驱动电流增大进而造成电池的损伤及阀门的失效，从而造成IC卡水表的失效。因为此瓶颈问题，大大降低了其使用寿命，甚至有些IC卡水表只使用两年左右便失效，大大低于预期寿命。此故障还将随着在役年限的增加越来越凸显。

近10年来，设计人员采用过如先导阀、磁力助推阀、不锈钢阀芯、陶瓷阀芯及润滑剂等，但效果不明显。亦有采用定时开关阀门的设计，即设时间间隔为D，如按六年使用寿命计算，则：

D=（2190E1）/E

式中，E——电池组2的总的可用电量；E1——开关一次阀门所需的电量。

此方法虽然在一定程序上可以缓解此问题，但因时因地不同所导致的阀门锈蚀程序是不同的，以一定之规去适应复杂变化的锈蚀情况显然是不科学的，不仅不利于合理使用有限的电量，而且势必造成一定的故障率。而锈蚀情况的数学模型是很难或不可能精确建立的，此种情况采用模糊控制理论往往可以取得令人满意的结果。

3.2 控制变量的确定

为了克服模糊算法计算量大这一缺点，采用了查表法进行模糊控制。即采用MATLAB模糊逻辑工具箱进行离线设计，得到符合控制要求的模糊控制表，存入系统的存储器中。 本研究以采集的电控阀的驱动电流值I与设定电流值Ig的偏差e=I-Ig及相邻两次偏差变化率ec为输入变量，下次开关电控阀的时间调整量U为输出变量，建立典型的双输入单输出PD结构模糊控制器，并利用模糊推理系统编辑器（FIS）对控制参量进行设定。

3.3 变量的模糊化

试验表明，驱动电流的安全范围在50～100mA之间，正常情况下，电控阀每10天左右开关一次可以保证阀门不锈蚀。本设计选择75mA作为驱动电流的给定值，选定10天作为给定驱动周期，在此基础上进行调整，调整范围设定为2～18天。则e的基本论域设定为[-25，25]，ec的基本论域也设定为[-25，25]，u的基本论域设定为[-8，8]。限于篇幅，具体设计过程此处从略。

经上述分析及两万多具在役IC卡水表的实际使用情况，可以得出如下结论： （1）采用双电源可明显提高测控板的工作可靠性，保护电池并提高 IC卡水表的使用寿命及降低故障率。

（2）采用模糊控制技术可更加有效地使用有限电量并避免阀门锈死，彻底解决了IC卡水表使用寿命的“阀门瓶颈”问题。

第四章 仿真模型的建立与仿真结果

4.1 MATLAB模型的建立 4.2 仿真结果

第五章 总结

5.1 总结 5.2 展望

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3pr7.html