以單片機(jī)為平臺(tái)的有自校正能力的通用模糊控制器設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯以單片機(jī)為平臺(tái)的有自校正能力的通用模糊控制器設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用1引言

模糊控制系統(tǒng)是基于的控制系統(tǒng)模糊邏輯-分析的一個(gè)數(shù)學(xué)系統(tǒng)模式輸入價(jià)值根據(jù)邏輯承擔(dān)連續(xù)的價(jià)值在0和1之間的可變物，與古典對(duì)比或數(shù)字式邏輯，動(dòng)手術(shù)在二者之一的離散值0和1（真實(shí)和錯(cuò)誤）。

模糊邏輯是用途廣泛在機(jī)器控制。期限啟發(fā)有些懷疑，聽(tīng)起來(lái)等效與“未完成的邏輯”或“偽造邏輯”，但“模糊的”部分在方法不提到缺乏嚴(yán)峻，寧可到事實(shí)介入的邏輯可能應(yīng)付模糊的概念-不可能被表達(dá)如“真實(shí)”或“錯(cuò)誤”的概念，但是寧可和“部份地配齊”。雖然基因算法并且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可執(zhí)行作為模糊邏輯在許多情況下（實(shí)際上，某些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以證明數(shù)學(xué)上是等值對(duì)某些模糊邏輯系統(tǒng)[1]），模糊邏輯有好處對(duì)問(wèn)題的解答可以被熔鑄用人工操作能了解的術(shù)語(yǔ)，因此他們的經(jīng)驗(yàn)可以用于控制器的設(shè)計(jì)。這使它更加容易機(jī)械化已經(jīng)由人成功地執(zhí)行的任務(wù)。

模糊控制（FuzzyControl）是目前自動(dòng)控制研究中活躍而富有成果的領(lǐng)域之一，模糊理論是當(dāng)前能用來(lái)對(duì)信息進(jìn)行軟處理的技術(shù)，可以將人的定性思維和判斷方法定量化為適合計(jì)算機(jī)處理的過(guò)程，使計(jì)算機(jī)能判斷像“大概”、“輕”這樣的模糊信息。

模糊控制是基于規(guī)則的智能控制方式，它不依賴(lài)于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，特別適合對(duì)具有多輸入一多輸出的強(qiáng)耦合性、參數(shù)的時(shí)變性、嚴(yán)重非線(xiàn)性與不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)或過(guò)程的控制，且控制方法簡(jiǎn)單，魯棒性好[1][2]。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于一般的電子產(chǎn)品在國(guó)外已是很普遍的現(xiàn)象，單片機(jī)常用的控制器件，把二者結(jié)合起來(lái)，可使控制器的性能指標(biāo)達(dá)到的目的。本文就是通過(guò)利用單片機(jī)作為平臺(tái)，圍繞模糊控制規(guī)則，以模糊推理算法作為控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出具有自校正能力的通用的模糊控制器。以一個(gè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)為實(shí)例介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

2模糊控制系統(tǒng)的組成及原理

2.1模糊控制系統(tǒng)的基本組成與原理

圖1模糊控制器原理圖

如圖1所示，模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的部分，也是和其它控制器區(qū)別環(huán)節(jié)。模糊控制器有四個(gè)基本部分組成：

（1）模糊化。

（2）知識(shí)庫(kù)。

（3）模糊推理。

（4）清晰化。

2.2模糊控制系統(tǒng)的基本工作原理

模糊控制系統(tǒng)通常由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)（包括PC機(jī)、單片機(jī)、單板機(jī)以及DSP等），一般設(shè)計(jì)思想是：

①.以誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器輸入量，u為輸出控制量。定義誤差e和誤差變化率ec及輸出變量u的模糊集及論域。

例如：

e和ec的模糊集為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}

u的模糊集為{NB，NM，NS，NO，O，PO，PS，PM，PB}

e的論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

ec的論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

u的論域{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}

其中：NB，NM，NS，NO，O，PO，PS，PM，PB分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，零，正零，正小，正中，正大這樣的模糊語(yǔ)言變量。

②.確定模糊規(guī)則R（模糊關(guān)系）。

例如：

ife=NBorNMand△e=NBorNM，thenu=PB

or

ife=NBorNMand△e=NSorO，thenu=PB

③.模糊語(yǔ)言變量確定隸屬函數(shù)，即對(duì)模糊變量進(jìn)行賦值。

④.計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)采樣和A/D轉(zhuǎn)換獲得被控量的值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)e和ec。把e和ec模糊量化，得到e和ec的模糊子集（實(shí)際是模糊向量e和ec）。

⑤.根據(jù)模糊向量e、ec和模糊控制規(guī)則R，按推理合成規(guī)則進(jìn)行模

糊決策，得到控制量（模糊向量u）。

3基于單片機(jī)的溫控系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)有溫度傳感器DS18B20,ATmega8單片機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，外圍電路包括鍵盤(pán)，LED顯示以及保護(hù)電路構(gòu)成的閉環(huán)控制回路，控制對(duì)象為水溫。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

3.2硬件設(shè)計(jì)

①ATmega8是采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于A(yíng)VRRISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)。工作電壓4.5-5.5V，芯片內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換功能。通過(guò)編寫(xiě)程序，可將芯片的PC0至PC6口從普通的I/O口功能用作8位或10位A/D轉(zhuǎn)換，從而省去外圍的A/D轉(zhuǎn)換電路。ATmega8內(nèi)部有3個(gè)定時(shí)器T0，T1和T2，本系統(tǒng)使用2個(gè)，分別用作Ss的溫度數(shù)據(jù)采集和5NS的LED刷新顯示。

②DS18B20支持“一線(xiàn)總線(xiàn)”接口，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性。溫度測(cè)量范圍從-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃時(shí)測(cè)量精度為0.5℃。DS18B20采用3腳TO－92封裝。分別為GND電源地，DQ數(shù)據(jù)輸人/輸出端（單線(xiàn)總線(xiàn)），VDD外接供電電源輸人端（3.0～5.5V）。DS18B20內(nèi)部主要由寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線(xiàn)接口和配置寄存器等組成。在本系統(tǒng)中，將DQ接ATmega8的PC4口，VDD與單片機(jī)Vcc同接+5V電源，并在DQ和VDD之間接一個(gè)4.7kΩ的上拉電阻，即可完成溫度的采集部分的硬件電路。

③鍵盤(pán)用作上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的通信控制。顯示電路采用10位共陰極LED，通過(guò)3片Max595芯片與單片機(jī)相連，同時(shí)顯示當(dāng)前溫度值和設(shè)定值。外圍電路同時(shí)有4個(gè)按鍵，可進(jìn)行溫度逐次加減、功能切換以及保存等功能。

3.3軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。在本系統(tǒng)中采用增量型PID控制算法，即：

△u（k）=u（k）-u（k-1）=KP[e（k）一e（k-1）]+Ki（k）+Kd[e（k）一2e（k-1）+e（k-2）]

式中，△u（k）為控制增量；KP為比例參數(shù)；Ki為積分參數(shù)；Kd為微分參數(shù)；e（k）為系統(tǒng)偏差。先根據(jù)KP、Ki、Kd的值，計(jì)算出輸出U的初值，再根據(jù)操作人員的給定值得到偏差e和偏差變化率ec，然后通過(guò)模糊規(guī)則表推導(dǎo)出KP‘、Ki'、Kd’的值，再計(jì)算出△u。

由于增量型的算法不需要累加量，控制增量△u僅僅與近的采樣次數(shù)有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)的影響小，而且比較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。這也是本系統(tǒng)采用增量型的PID控制算法作為FuzzyPID控制器中的PID調(diào)節(jié)器部分算法的原因。

模糊控制器的關(guān)鍵是總結(jié)操作人員和技術(shù)人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，并建立合適的模糊規(guī)則表，并將模糊規(guī)則表通過(guò)程序編寫(xiě)人單片機(jī)ATmega8中的EEPROM中去，在線(xiàn)時(shí)通過(guò)查詢(xún)得到合適的PID參數(shù)。

控制器的控制范圍為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍，各個(gè)隸屬函數(shù)的論域范圍既要滿(mǎn)足覆蓋的原則，又不要使規(guī)則過(guò)多。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)，在本系統(tǒng)中，偏差e和偏差變化率ec的變化范圍為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊子集為e、ec={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。在本系統(tǒng)中，所設(shè)定的偏差e和偏差變化率ec以及KP、Ki、Kd的各個(gè)子集均采用正態(tài)分布。

圖3程序設(shè)計(jì)流程圖

應(yīng)用模糊合成推理使在線(xiàn)運(yùn)行的過(guò)程中完成對(duì)PID參數(shù)的自行調(diào)整，具體步驟為：（1）采樣獲取當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)。（2）獲取偏差和偏差變化率：e（k）=R（k）-Y（k）；ec（k）=e（k）-e（k-1）。（3）e（k）和ec（k）模糊化。（4）計(jì)算當(dāng)前KP、Ki、Kd。（5）PID控制器輸出。

在編寫(xiě)程序時(shí)，考慮到由于溫度系統(tǒng)變化化緩慢，所以采樣周期用軟件和硬件相結(jié)合的方法，即用ATmega8的T1和軟件計(jì)時(shí)相結(jié)合的方法。

在等待采樣周期到達(dá)的期間內(nèi)不斷進(jìn)行掃描和顯示過(guò)程，通過(guò)LED顯示給定溫度和采樣的溫度，通過(guò)ATmega8的T0進(jìn)行5ms的定時(shí)刷新LED。

模型控制子程序是根據(jù)采樣值和給定值求得溫度的偏差和偏差變化率，將KP、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則表寫(xiě)人單片機(jī)的EEPROM中，通過(guò)在線(xiàn)查表獲得控制。具體流