模糊溫度控制器的軟硬件設(shè)計

1、摘 要本設(shè)計完成基于單片機的模糊溫度控制器的軟硬件設(shè)計。本設(shè)計完成了將模糊控制與PID控制相結(jié)合方法用于工業(yè)溫度控制領(lǐng)域，實現(xiàn)了對大滯后、慢時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)的控制。在硬件方面，F(xiàn)uzzy-PID溫控器采用單片機作為控制核心，采用Pt100作為溫度傳感器，設(shè)計了溫度測量轉(zhuǎn)換電路，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集。HD7279構(gòu)成良好的人機接口模塊，完成溫度設(shè)定值的輸入和溫度數(shù)據(jù)實時顯示。輸出通道由D/A轉(zhuǎn)換器和AD694芯片組成，將控制量轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場總線標準的電流信號420mA。在軟件方面，本設(shè)計完成了并行Fuzzy-PID復(fù)合控制器的主流程圖和各子流程圖。編寫的軟件程序經(jīng)過編譯連

2、接無誤。在設(shè)計過程中，采用Multisim軟件對Pt100的測溫電路進行了仿真，實現(xiàn)了溫度采集精度的設(shè)計要求。本設(shè)計中的模糊PID控制器，既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強的優(yōu)點，不依賴于控制對象有精確的數(shù)學(xué)模型，同時又具有控溫精度高，動態(tài)性能好、受系統(tǒng)參數(shù)變化影響小的優(yōu)點。關(guān)鍵詞：Pt100；溫度控制；單片機；模糊-PID控制；Multisim ABSTRACTThis design has completed the design of software and hardware of the Fuzzy-PID temperature controller based on MCU. It h

3、as made the combination method of Fuzzy control and the PID control used in the industry temperature control domain, which has realized the control of complex system of long-time delay, slow time-variable, and the non-linear. In the hardware design, Fuzzy-PID temperature controller takes SMC as the

4、core of the control, adopts Pt100 as the temperature sensor, and has designed the temperature signal measurement and convert circuit; ADC TLC2543 is used to finishi the temperature data gathering. The friendly man-machine interface module is composed of HD7279, which can carry on the functions of th

5、e input of the temperature setting value and the real time display of temperature data. The output channel is composed of DAC and AD694, which can convert the control quantity into fieldbus standard current signal 420mA. In the software design, this design has completed the main flow chart of the pa

6、rallel Fuzzy-PID compound controller and each sub-flow chart. The procedure of software is unmistakable after compilation and link.In the design process, it adopts Multisim software to carry on the simulation of the Pt100 temperature signal measurement and convert circuit, and the design has met the

7、 requests of temperature measurement precision. The Fuzzy-PID controller in this design, not only has the characterics of flexibility and adaptability of Fuzzy control, which does not depend on the controlled object that has the precise mathematical model, but also has advantages of high precision t

8、emperature control, and the good dynamic performance, which is affected little by the change of system parameters.Key words: Pt100; Temperature Control; SMC; Fuzzy-PID Control; Multisim 目 錄摘要Abstract 第1章 引言11.1 序言11.2 模糊控制的現(xiàn)狀研究11.3 選題的目的、意義和主要內(nèi)容21.3.1 本課題研究的目的、意義21.3.2本設(shè)計的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)3第2章 模糊控制的理論研究42.1 模

9、糊控制的理論基礎(chǔ)42.1.1 模糊集合42.1.2 模糊集合的運算52.1.3 模糊關(guān)系52.1.4 模糊關(guān)系的合成62.1.5 模糊算子72.2 模糊控制系統(tǒng)72.2.1 模糊控制的起源72.2.2 模糊控制系統(tǒng)的組成82.2.3 模糊控制器82.2.4 模糊控制器結(jié)構(gòu)102.3 模糊控制器的設(shè)計102.3.1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)112.3.2 建立模糊控制規(guī)則112.3.3 確定模糊變量的賦值表122.3.4 精確量的模糊化132.3.5 基本模糊查詢表的建立142.4 本章小結(jié)15第3章 硬件結(jié)構(gòu)163.1 AT89S52單片機163.1.1 定時器/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)173.1.2 MCS

10、-51中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)183.2 熱電阻Pt100測溫原理和測溫電路的設(shè)計183.3 A/D通道電路的設(shè)計203.4 D/A通道電路的設(shè)計213.5 電源設(shè)計223.6 按鍵及顯示驅(qū)動芯片HD7279A電路的設(shè)計233.7 420mA電流輸出接口電路243.8 本章小結(jié)25第4章 系統(tǒng)軟件架構(gòu)264.1 模糊PID控制的軟件實現(xiàn)264.2 模糊-PID復(fù)合控制的運算和輸出274.2.1 模糊控制的程序流程圖和算法基礎(chǔ)274.2.2 經(jīng)典PID控制:274.3 按鍵、顯示運算子程序314.4 信號采集子程序324.5 本章小結(jié)33第5章 電路仿真345.1 Multisim軟件的生產(chǎn)和發(fā)展345.

11、1.1 Multisim軟件的起源345.1.2 Multisim系列軟件的形成:345.1.3 Multisim10仿真特點345.2 Multisim10仿真分析過程355.3 硬件調(diào)試及仿真355.3.1 仿真基本參數(shù)設(shè)置355.3.2 仿真原理圖:365.3.3 仿真結(jié)果及分析375.4 本章小結(jié)38結(jié)束語39參考文獻40致謝41附錄A42附錄B43 第1章 引 言1.1 序言1965年美國的伯克利加州大學(xué)教授扎德發(fā)表了著名的論文FuzzySets，提出了模糊性問題，給出了其定量的描述方法，從而模糊數(shù)學(xué)誕生了。模糊數(shù)學(xué)不是使數(shù)學(xué)變得模模糊糊，而是讓數(shù)學(xué)進入模糊現(xiàn)象這個客觀的世界，用數(shù)學(xué)

12、的方法去描述糊涂現(xiàn)象，揭示模糊現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，模糊數(shù)學(xué)在經(jīng)典數(shù)學(xué)和充滿模糊性的現(xiàn)實世界之間架起了一座橋梁。在自動化運用上，模糊數(shù)學(xué)是非常活躍又碩果累累的一個領(lǐng)域。著名的自動控制權(quán)威Austrum曾經(jīng)指出：模糊控制邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與專家控制是三種典型的智能控制方法。模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)上的。對于一個熟練的操作人員，他并非需要了解被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，而是憑借其豐富的實踐經(jīng)驗，采取適當?shù)膶Σ邅砬擅畹乜刂埔粋€復(fù)雜的過程。在許多情況下，被控對象由于其過程復(fù)雜，機理有不明之處，缺乏必要的檢測手段或者測試裝置不能進入被測區(qū)域等等各種原因，致使無法建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。這類過程的變量多，過程

13、往往具有非線性、強耦合等特點，各種參數(shù)也往往存在時變性。因此要建立這類過程的數(shù)學(xué)模型非常困難，甚至不可能。雖然我們己有了對付非線性、時變參數(shù)系統(tǒng)的方法，但是有些場合因為許多因素結(jié)合在一起，使問題解法復(fù)雜化以至缺乏使用價值。用經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論解決這類對象的控制往往難以湊效，得不到滿意的控制效果。模糊控制利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗，很好地解決了這一問題。它無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型，運用人類的思維實現(xiàn)智能化控制，運用單片機來構(gòu)造模糊控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)無異，模糊控制算法用軟件來實現(xiàn)，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性14。1.2 模糊控制的研究現(xiàn)狀模糊控制從它的誕生至今，已從單純

14、的理論到成功地應(yīng)用于工業(yè)控制，且成為自動控制技術(shù)領(lǐng)域中非常有前途的一個分支，一方面用傳統(tǒng)的控制理論中的方法解決控制模糊問題，另一方面用模糊控制的理念為解決各種控制問題提供新的思路2。模糊控制的另一個發(fā)展方向是與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等新優(yōu)化算法相融合，使模糊控制擁有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)功能。模糊控制具有良好控制效果的關(guān)鍵是要有一個完善的控制規(guī)則。但由于模糊規(guī)則是人們對過程或?qū)ο竽：畔⒌臍w納，對高階、非線性、大時滯、時變參數(shù)以及隨機干擾嚴重的復(fù)雜控制過程，人們的認識往往比較貧乏或難以總結(jié)完整的經(jīng)驗，這就使得單純的模糊控制在某些情況下很粗糙，難以適應(yīng)不同的運行狀態(tài)，影響了控制效果。常規(guī)的模糊控制的

15、兩個主要問題在于：改進穩(wěn)態(tài)控制精度和提高智能水平與適應(yīng)能力。在實際應(yīng)用中，往往是將模糊控制或模糊推理的思想，與其它相對成熟的控制理論或方法結(jié)合起來，發(fā)揮各自的長處，從而獲得理想的控制效果。由于模糊控制和語言很容易被人們廣泛接受，加上模糊化技術(shù)在微處理器和計算機中能很方便的實現(xiàn)，所以這種結(jié)合展現(xiàn)出強大的生命力和良好的效果。模糊控制仍然是一個充滿爭議的領(lǐng)域。由于它的發(fā)展歷史還不長，理論上的系統(tǒng)性和完善性，技術(shù)上的成熟性和規(guī)范性都還是不夠的，有待人們的進一步提高。模糊系統(tǒng)理論還有一些重要的理論課題沒有解決，其中兩個重要的問題是：如何獲得模糊規(guī)則及隸屬函數(shù)，這在目前完全憑經(jīng)驗來進行；以及如何保證模糊系

16、統(tǒng)的穩(wěn)定性。大體上說來，在模糊控制理論和應(yīng)用方面應(yīng)加強研究的主要課題為：（1）解決工程問題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性評價理論體系；控制器的魯棒性分析，系統(tǒng)的可控性和可觀測性判定方法等。（2）模糊控制規(guī)則設(shè)計方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)的設(shè)定方法，量化水平，采樣周期的最優(yōu)選擇，規(guī)則系數(shù)，最小實現(xiàn)以及規(guī)則和隸屬函數(shù)參數(shù)自動生成等問題；進一步則要求給出模糊控制器的系統(tǒng)化設(shè)計方法。（3）模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調(diào)整理論的確定，以及修正推理規(guī)則的學(xué)習(xí)方式和算法等；模糊動態(tài)的辨別方法；模糊預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計方法和提高計算速度的方法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合，發(fā)展一套新的智能控制理論。（4）模糊控制算法改進的研究：

17、由于模糊邏輯的范疇很廣，包含了大量的概念和原則，然而這些概念和原則能真正的在模糊邏輯系統(tǒng)中得到應(yīng)用的卻為數(shù)不多，這方面的嘗試有待深入。最優(yōu)模糊控制器設(shè)計的研究，依據(jù)提出的性能指標，規(guī)范控制規(guī)則的設(shè)計依據(jù)，并在某種意義上達到最優(yōu)。1.3 選課題的目的、意義和主要內(nèi)容1.3.1 本課題研究的目的、意義模糊控制的特點是不需要考慮控制對的數(shù)學(xué)模型和復(fù)雜情況，而僅依由操作人員經(jīng)驗所制訂的控制規(guī)則就可構(gòu)成。凡是可用手動方式控制的系統(tǒng)一般都可通過模糊控制方法設(shè)計出由計算機執(zhí)行的模糊控制器。模糊控制依據(jù)的控制律不是精確定量的。其模糊關(guān)系的運算法則、各模糊集的隸屬函數(shù)，以及從輸出量模糊集到實際的控制量的轉(zhuǎn)換方法

18、等，都帶有相當大任意性。對于模糊控制器的性能和穩(wěn)定性，常常難以從理論上作出確定的估計，只能根據(jù)實際效果評價其優(yōu)劣。模糊控制實現(xiàn)了人的某些智能，它利用數(shù)值方法來表示結(jié)構(gòu)性知識，用數(shù)值方法進行處理，因而它能夠用大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)模糊系統(tǒng)3。?？刂浦饕芯磕切┰诂F(xiàn)實生活中廣泛存在的、定性的、模糊的、非精確的息系統(tǒng)的控制問題，其控制過程是先將信息模糊化，然后經(jīng)模糊推理規(guī)則到模糊控制輸出，再將模糊指令進行精確化計算最終輸出控制值。模糊系統(tǒng)可以看作是一種不依賴于模型的估計器，給一個輸入，便可得到一個合適的輸出。它主要依賴模糊規(guī)則和模糊變量的隸屬度函數(shù)，而需知道輸入與輸出之間的數(shù)學(xué)依存關(guān)系。由于模糊控制不

19、需要精確的數(shù)學(xué)型，因此它是解決不確定性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。模糊控制既具有廣前景，又具有許多待開發(fā)和研究的理論問題。模糊控制與傳統(tǒng)PID控制方法相比，具有時變性、大時滯性，在非線性系統(tǒng)中控制效果有著明顯優(yōu)勢。1.3.2 本設(shè)計的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)本文共分五章，各章主要內(nèi)容如下：第一章：引言。第二章：模糊控制理論研究。第三章：硬件設(shè)計。本章是對熱電偶熱電阻通用輸入通道的硬件設(shè)計機理作了研究，給出硬件原理圖，論述熱電阻三線制接法的原理和實現(xiàn)方法。420mA控制信號輸出電路。應(yīng)用Altium Designer6軟件，設(shè)計溫度控制系統(tǒng)的原理圖。實現(xiàn)了液晶顯示模塊與CPU的接口設(shè)計；最后完成了微處理器外圍

20、電路的設(shè)計。第四章：系統(tǒng)各部分軟件的設(shè)計。主要是模糊-PID復(fù)合控制模塊的程序、按鍵、顯示、信號采集程序的設(shè)計等。第五章：電路仿真。 第2章 模糊控制理論研究 2.1 模糊控制的理論基礎(chǔ) 模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)上的。對于一個熟練的操作人員，他并非需要了解被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，而是憑借其豐富的實踐經(jīng)驗，采取適當?shù)膶Σ邅砬擅畹乜刂埔粋€復(fù)雜過程1。若能把這些熟練操作員的實踐經(jīng)驗加以總結(jié)和描述，并用語言表達出來，它就是一種定性的、不精確的控制規(guī)則。如果用模糊數(shù)學(xué)將其定量化轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，模糊控制理論就形成了。模糊控制器有以下明顯的特點：（1）無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以人對被控

21、系統(tǒng)的控制經(jīng)驗為依據(jù)而設(shè)計的控制器，故無需知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。（2）它是一種反映人類智慧思維的智能控制。模糊控制采用人類思維中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理導(dǎo)出。這些模糊量和模糊推理是人類智能活動的體現(xiàn)。（3）易被人們所接受。模糊控制的核心是控制規(guī)則，這些規(guī)則是以人類語言表示的。（4）構(gòu)造容易。用單片機等來構(gòu)造模糊控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)無異，模糊控制算法用軟件實現(xiàn)。（5）魯棒性好。模糊控制系統(tǒng)無論被控對象是線性的還是非線性的，都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。模糊控制的定義是這樣描述的：模糊控制器的輸出是通過觀察過程的狀態(tài)和

22、一些如何控制過程的規(guī)則推理得到的。模糊邏輯控制器8的這一定義主要是基于以下三個概念：測量信息的模糊化、推理機制和輸出模糊集的精確化。測量信息的模糊化是將實測物理量轉(zhuǎn)化為在該語言變量相應(yīng)論域內(nèi)不同語言值的模糊子集。推理機制使用數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，它的作用是根據(jù)當前的系統(tǒng)狀態(tài)信息來決定模糊控制的輸出子集。模糊集的精確化計算是將推理得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為一個清晰、確定的輸出控制量的過程。2.1.1 模糊集合 模糊集合的定義實際上是將經(jīng)典集合論中的特征函數(shù)表示擴展到用隸屬度函數(shù)來表示。設(shè)U為離散或連續(xù)的集合，用u表示，U被稱為論域，u表示論域U的元素，模糊集合是用隸屬函數(shù)來表示的，論域是所討論的任意一個子

23、集、任意一個元素都屬于集合U，即全集。所謂的集合就是指具有某種特定屬性的對象全體。論域U中的模糊集F用一個在區(qū)間0，l上的取值的隸屬函數(shù)來表示，即 (2.1)是用來說明u隸屬于U的程度。模糊集可看成隸屬度只取0和1的普通集的推廣，那么U中的模糊集F可以用元素和它的隸屬度來表示： (2.2)2.1.2 模糊集合的運算設(shè)A和B為論域u的兩個模糊集，隸屬函數(shù)分別為和，則模糊集合A和B的并集，交集和補集的運算可以通過他們的隸屬函數(shù)來定義。（1）并集：其中，“”表示二者比較后取大值。（2）交集：其中，“”表示二者比較后取小值。（3）補集：模糊集合A和B的代數(shù)積、代數(shù)和(A+B)、有界和、有界差。2.1.

24、3 模糊關(guān)系模糊關(guān)系的標準形式：R：如果A則B其中A，B為兩個模糊集合。在模糊數(shù)學(xué)上該關(guān)系可以用叉積表示：R：0，l每一數(shù)(a，b)都對應(yīng)于介于0和1中的一個實數(shù)，用以描述該數(shù)對相互之間關(guān)系的強弱。在模糊邏輯中這種叉積常用最小算子運算： (2.3)若A，B為離散模糊集合，其隸屬函數(shù)分別為：則其叉積運算為：其中“”為模糊矢量乘積。設(shè)G1，G2為論域，G1G2是正交論域，則稱R：G1G20，1為二階模糊關(guān)系。當正交論域是有n個組成，則稱之為n階模糊關(guān)系。模糊關(guān)系常用隸屬函數(shù)表示。設(shè)Rl，R2：G1G20，1為同一正交域上的二階模糊關(guān)系，則Rl和R2的正交關(guān)系定義為：0，1 =min， (x，y)和

25、的并定義為：0，1 (x，y)設(shè)R：0，1，S：0，1為在不同正交論域上的二階模糊關(guān)系，則其乘積推理為：RS：0，1 其中(x，z)2.1.4 模糊關(guān)系的合成模糊關(guān)系是指笛卡爾積上的模糊集合，表示多個集合的元素間所具有的某種關(guān)系的程度。模糊關(guān)系的合成是指由第一個集合和第二個集合之間的模糊關(guān)系及第二個集合和第三個集合之間的模糊關(guān)系得到的第一個集合和第三個集合之間的模糊關(guān)系的一種運算。模糊關(guān)系的合成，因使用的運算不同而各有定義。下面給出常用的max-min合成法。設(shè)R是中的模糊關(guān)系，S是中的模糊關(guān)系，所謂R和S合成是指下列定義在上的模糊關(guān)系Q，記做或這里代表取小，代表取大。設(shè)， 其中，稱Q為模糊矩

26、陣R和S的合成，其元素公式為：；i=1，2，m； j=1，2，n模糊關(guān)系合成的基本性質(zhì)：設(shè)R，S(以及T)，U分別為，中的模糊關(guān)系，則有結(jié)合律、并運算上的分配律、交運算上的弱分配律和單調(diào)律。2.1.5 模糊算子模糊算子是連接模糊集的運算算子，它的定義方法有多種。模糊控制使用最多的是模糊控制理論的奠基人Zadeh提出的最大最小算子。設(shè)A和B為定義在X論域上的兩個模糊集合，按照最大最小算子定義，有（1）and運算模糊集合A和B交集的隸屬函數(shù)為A和B隸屬函數(shù)的最小值： （2.4）（2）or運算模糊集合A和B并集的隸屬函數(shù)為A和B隸屬函數(shù)的最大值： （2.5）（3）not運算模糊集合A的補集的隸屬函數(shù)

27、為1減去A的隸屬函數(shù)： （2.6）2.2 模糊控制系統(tǒng)2.2.1 模糊控制的起源把模糊數(shù)學(xué)理論用于自動控制領(lǐng)域而產(chǎn)生的控制方法稱為模糊控制。模糊控制的誕生是和社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與需要分不開的。傳統(tǒng)控制方法在執(zhí)行控制時，往往需要取得對象的數(shù)學(xué)模型，而在實際中，很多被控對象的數(shù)學(xué)模型是難于求取或者無法求取的，特別是那些時變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，往往根本無法取得精確的數(shù)學(xué)模型，所以對這樣的對象要進行有效的控制是很困難的，需要尋求新的控制方法解決這些問題。在生產(chǎn)實踐中，人們發(fā)現(xiàn)有經(jīng)驗的操作人員雖然不懂被控對象的數(shù)學(xué)模型，但卻能十分有效地對系統(tǒng)執(zhí)行控制。正如一個汽車司機，不懂汽車的數(shù)學(xué)模型而能很好的駕駛

28、汽車一樣。這是因為操作人員對系統(tǒng)的控制是建立在直觀的經(jīng)驗上的，憑借在實際中取得的經(jīng)驗采取相應(yīng)的決策就可以很好的完成控制工作。人的經(jīng)驗是一系列含有語言變量值的條件語句和規(guī)則，而模糊集合理論又能十分恰當?shù)乇磉_具有模糊性的語言變量和條件語句。因此，模糊集合理論用于描述人的經(jīng)驗就有著獨特的優(yōu)勢?？梢园讶说慕?jīng)驗用模糊條件語句表示，然后用模糊集合理論對語言變量進行量化，再用模糊推理對系統(tǒng)的實時輸入狀態(tài)進行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策。這也就是模糊控制器的工作過程。2.2.2 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)模型一般由四個部分組成。（1）模糊控制器：實際上是一臺微型計算機，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，可選用通用計算機也可

29、選用單片機。（2）輸入輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過模糊化，將其轉(zhuǎn)化為模擬信號，送給執(zhí)行機構(gòu)去控被控對象。（3）廣義對象：包括被控對象及執(zhí)行機構(gòu)，被控對象可以是線性的和非線形的、定?；驎r變的，也可以是單變量或多變量、有時滯的以及有強干擾的多種情況。當被控對象缺乏確的數(shù)學(xué)模型的情況適宜選擇模糊控制，但也不排除有較精確數(shù)學(xué)模型的被控對象采用模控制的方案。（4）傳感器：傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換成為電壓信號的一類裝置被控制量往往都是非電量，如溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)占有十分重要的地位，

30、它的精度往往直接影響整個控制系統(tǒng)的精度13。2.2.3 模糊控制器由圖2.1可知，模糊控制系統(tǒng)與通常的計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要差別是，采用了?？刂破鳌Ｄ：刂破魇悄：刂葡到y(tǒng)的核心，一個模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，主要取決模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法，以及模糊決策的方法等因素。?？刂破饕卜Q為模糊邏輯控制器，由于所采用的模糊控制規(guī)則是模糊理論中的模糊語句來描述的，因此模糊控制器是一種語言控器，故也稱為模糊語言控制器。1、模糊化接口模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于控制輸出的求解，因此它實際上是模糊控制器的輸入接口。它的主要作用是將真實的確定量輸入轉(zhuǎn)換成為一個模糊矢量。對于一個

31、模糊輸入量e，其模糊子集通常可以作如下劃分：（1）e=負大，負小，零，正小，正大=NB,NS,ZO,PS,PB（2）e=負大，負中，負小，零，正小，正中，正大=NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB（3）e=負大，負中，負小，零負，零正，正小，正中，正大=NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB輸出輸入知識庫數(shù)據(jù)庫規(guī)則庫推理機模糊化接口解模糊化接口圖2.1 模糊控制器的組成框圖2、知識庫由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分組成。（1）數(shù)據(jù)庫所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬矢量值(即經(jīng)過論域等級離散化以后對應(yīng)值的集合)，若論域為連續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過程中

32、，向推理機提供數(shù)據(jù)。（2）規(guī)則庫模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動操作人員的長期積累的經(jīng)驗，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列關(guān)系詞連接而成，如if-then，else，also，and，or等，關(guān)系詞必須經(jīng)過“翻譯”才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。最常用的關(guān)系詞為If-then，also，對于多變量模糊控制系統(tǒng)，還有and等。例如，某模糊控制系統(tǒng)輸入量為e(誤差)和ec(誤差變化)，它們的對應(yīng)的語言變量為E和EC，可給出一組模糊規(guī)則：R1：if E is NB and EC is NB then U is PBR2：if E is NB and EC is NS then U

33、 is PM通常把if部分稱為“前提部”，而then部分稱為“結(jié)論部”，其基本結(jié)構(gòu)可歸納為：if A and B then C，其中A為論域U上的一個子集。根據(jù)人工的控制經(jīng)驗，可離散組織其控制決策表R，R是笛卡兒乘積UXV上的一個模糊子集，則某一時刻其控制量由下式給出：C=(A×B)R (2.7)式中，×-模糊直積運算；*-模糊合成運算。規(guī)則庫是用來存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時為“推理機”提供控制規(guī)則。由上可知，規(guī)則條數(shù)和模糊變量的模糊子集劃分有關(guān)，劃分越細，規(guī)則條數(shù)越多，但并不代表規(guī)則庫的準確度越高，規(guī)則庫的“準確性”還與專家知識的準確度有關(guān)。推理與解模糊接口推理是模

34、糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考慮到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知識工程學(xué)領(lǐng)域的專家系統(tǒng)中。推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則功能已經(jīng)完成。但是，至此所獲得的結(jié)果仍然是一個模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須做一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。通常把輸出端具有轉(zhuǎn)換功能作用的部分稱為解模糊接口。2.2.4 模糊控制器結(jié)構(gòu)在確定性控制系統(tǒng)研究中，根據(jù)輸入變量和輸出變量的個數(shù)，可以分

35、為單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng)。在模糊控制系統(tǒng)中，也可類似的分為單變量模糊控制和多變量模糊控制。在單變量模糊控制器中，將其輸入變量的個數(shù)定義為模糊控制器的維數(shù)12。一維模糊控制器的輸入變量往往選擇為受控量和輸入給定的誤差量E。由于僅僅采用偏差值，很難反映受控過程的動態(tài)特性品質(zhì)，因此，所能獲得的系統(tǒng)動態(tài)性能不能令人滿意。這種一維控制器往往被用于一階被控對象。二維模糊控制器的兩個輸入變量基本上都選用受控變量和輸入給定的誤差量E和誤差變化量EC，由于它們能夠較嚴格的反映受控過程中輸出變量的動態(tài)特性，因此，在控制效果上要比一維模糊控制器好得多，也是目前采用比較廣泛的一類。這種控制器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便

36、，是最基本的一種形式。下面本設(shè)計就以單變量二維模糊控制器為例，闡述模糊控制器的設(shè)計步驟，其設(shè)計思想是設(shè)計其它模糊控制器的基礎(chǔ)。2.3 模糊控制器的設(shè)計+REECKeKet模糊控制規(guī)則PID控制規(guī)則模糊切換驅(qū)動電路執(zhí)行部件溫度傳感圖2.2 模糊PID控制系統(tǒng)框圖模糊控制器是以語言變量作為其輸入輸出變量:以模糊條件語句作為模糊控制規(guī)則，進行模糊邏輯處理后將模糊信息精確化輸出到執(zhí)行機構(gòu)從而達到控制被控對象的目的15。其最簡單的實現(xiàn)方法是將一系列模糊控制規(guī)則離散化為一個查詢表，存儲在計算機中，供在線控制時使用。見圖2.2所示。2.3.1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)如前所述，單變量二維模糊控制器是最常見的結(jié)構(gòu)

37、形式。對誤差變量E，誤差變化量EC和控制量u的模糊集及其論域定義如下：EC和u的模糊集均為：NB，NM，NS，0，PS，PM，PBE的模糊集為：NB，NM，NS，N0，P0，PS，PM，PBE和EC的論域均為：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6u的論域為：-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7上述的誤差模糊集選取八個元素，區(qū)分了N0和P0，主要是著眼于提高穩(wěn)態(tài)精度。2.3.2 建立模糊控制規(guī)則根據(jù)人的直覺思維推理，由系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變化趨勢來消除系統(tǒng)誤差的模糊控制規(guī)則，可以由以下21條模糊條件語句來描述。（1）if E=NB

38、or NM and EC=NB or NM then u=PBor（2） if E=NB or NM and EC=PS or 0 then u=PBor（3）if E=NB or NM and EC=PS then u=PMor（4）if E=NB or NM and EC=PM or PB then u=0or（5）if E=NS and EC=NB or NM then u=PMor（6）if E=NS and NM and EC=NS or 0 then u=PMor（7）if E=NS and EC=PS then u=0or（8）if E=NS and EC=PM or PB th

39、en u=NSor（9） if E=N0 or P0 and EC=NB or NM then u=PMor（10）if E=N0 or P0 and EC=NS then u=PSor（11）if E=N0 or P0 and EC=ZO then u=0or（12）if E=N0 or P0 and EC=PS then u=NSor（13）if E=N0 or P0 and EC=PM or PB then u=NMor（14）if E=PS or EC=NB or NM then u=PSor（15）if E=PS and EC=NS then u=0or（16）if E=PS and

40、 EC=0 or PS then u=NMor（17）if E=PS and EC=PM or PB then u=NMor（18）if E=PM or PB and EC=NB or NM then u=0or（19）if E=PM or PB and EC=NS then u=NMor（20）if E=PM or PB and EC=0 or PS then u=NBor（21）if E=PM or PB and EC=PM or PB then u=NB上述的條件語句構(gòu)成了描述的眾多被控過程的模糊模型，因此在條件語句中，誤差E、誤差變化EC及被控量u對于不同的被控對象有著不同的意義。模糊

41、規(guī)則見表2.1所示。表2.1 模糊規(guī)則UECE-NBNMNS0PSPMPBNBPBPBPBPBPM00NMPBPBPBPBPM00NSPMPMPMPM0NSNSNOPMPMPM0NSNMNMPOPMPMPM0NSNMNMPSPSPS0NMNMNMNMPM00NMNBNBNBNBPB00NMNBNBNBNB2.3.3 確定模糊變量的賦值表模糊變量誤差E、誤差變化EC和控制量u的模糊集和論域確定后，須對模糊語言變量確定隸屬函數(shù)，即所謂對模糊變量賦值，模糊變量E，EC及u的賦值如下表2.2所示。表2.2 模糊變量E，EC，u的賦值表ueEC-6-5-4-3-2-100123456PB00000000

42、000.10.411PM0000000000.20.7110PS000000000.30.810.500PO000000000.60.10000NO00000110000000NS0001110.30000000NM0.20.7110000000000NB10.8000000000000uec EC-6-5-4-3-2-10123456PB0000000000.10.40.81PM000000000.20.710.70.2PS00000000.910.70.200O000000.510.500000NS000.20.710.90000000NM0.20.710.70.200000000NB10

43、.80.40.10.100000000uUu-6-5-4-3-2-10123456PB0000000000.10.40.81PM000000000.20.710.70.2PS000000010.80.40.100O000000.510.500000NS000.10.40.810000000NM00.20.710.70.20000000NB10.80.40.10.1000000002.3.4 精確量的模糊化我們把模糊控制器的輸入變量誤差、誤差變化的實際范圍稱為這些變量的基本論域，顯然基本論域內(nèi)的量為精確量。將精確量轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱為模糊化，模糊化常用的兩種方法：第一種方法是將精確量離散化，如

44、把在-6，+6之間變化的連續(xù)量分為七個檔次，每個檔次對應(yīng)一個模糊集，這樣處理使模糊化過程簡單。在-6，+6區(qū)間的離散化了的精確量與表示模糊語言的模糊量建立了關(guān)系，第二種方法時將在模區(qū)間的精確量X模糊化成這樣一個模糊子集，它在點X處的隸屬函數(shù)為1，除了X點外其余各點的隸屬均為0.3。模糊推理與模糊判決在模糊控制原理圖中，對建立的模糊控制規(guī)則要經(jīng)過模糊推理才能決策出控制變量的一個模糊子集，它是一個模糊量不能直接控制被控對象，還需要采用合適的方法將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，把模糊量轉(zhuǎn)化為精確量的過程稱為模糊判決。模糊推理及其模糊判決有多種方法：MILT-MAX重心法、模糊加權(quán)型推理法、最大隸屬度法。2.3

45、.5 基本模糊查詢表的建立如果已知系統(tǒng)誤差E，為論域E=-6，+6中的一個元素，誤差變化EC，為論域EC=-6，+6中的一個元素。那么根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)則所決定的模糊關(guān)系R，應(yīng)用推理合成規(guī)則計算出在E和EC情況時反映控制量變化的模糊集合U。然后采用適當?shù)姆椒▽ζ溥M行模糊判決10，由控制量U的論域-6，+6可獲得最終加到被控對象的實際控制量的精確值。對論域E，EC中全部元素的所有組合，計算出相應(yīng)的控制量的精確值。寫成矩陣形式就構(gòu)成了模糊查詢表。見表2.3所示。表2.3 模糊查詢表UEC E-6-5-4-3-2-10123456-66565663310001-55555555331000-46565

46、666331000-35555555210-1-1-1-23334333000-1-1-12-2-2033341100-1-1-3-3-303334100-1-1-1-3-3-31222200-1-1-1-1-3-3-32111-10-2-3-3-3-2-3-3-33000-1-2-2-5-5-5-5-5-5-54000-1-3-3-6-6-6-5-6-5-55000-1-3-3-5-5-5-5-5-5-56000-1-3-3-6-6-6-5-6-5-6為實現(xiàn)基本模糊控制器的控制作用，一般的做法是將上述查詢表存放到計算機中，于是在過程控制中，計算機直接根據(jù)采樣和論域變

47、換得來的以論域元素形式表現(xiàn)的E和EC的值通過查詢表得出相應(yīng)的控制量的值，加到控制過程上。一般情況下，查詢表是通過實現(xiàn)離線計算出來的，一旦將其存放到計算機中，在實時控制過程中，實現(xiàn)模糊控制的過程便轉(zhuǎn)化成計算量不大的查找查詢表的過程。因此，盡管在離線情況下完成模糊控制算法的計算量很大且費時，但是以查詢表形式實現(xiàn)的模糊控制卻有良好的實時性。2.4 本章小結(jié)本章主要介紹模糊控制系統(tǒng)的基本原理、組成及建立模糊控制規(guī)則表。模糊控制是模糊推理和控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。用模糊集合和模糊概念描述過程系統(tǒng)的動態(tài)特性，以數(shù)學(xué)公式的形式來代表系統(tǒng)的信息或經(jīng)驗知識。根據(jù)模糊集和模糊邏輯來作出控制決策。 第3章 硬件結(jié)構(gòu) 3.1 AT89S52單片機AT89S52單片機是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS型8位單片機，片內(nèi)8Kbytes可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，具有高密度、非易失