（电工理论与新技术专业论文）模糊控制的单片机实现研究.pdf

a b s t r a c t t h ee x t r u d e ri st h ek e ye q u i p m e n to ft h ew i r ea n dc a b l ei n d u s t r y n o w a d a y sw i r e a n dc a b l ef a c t o r i e sm o s t l ya d o p tt h ea u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do np l c o no n e h a n d ，b e c a u s et h em o d e l i n go f t h ec o n t r o l l e do b j e c ti sc o m p l e x ，t h e r ea r eq u i t eaf e w i n p u ta n do u t p u tv a r i a b l e s ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t p u tv a r i a b l e si sc l o s e ， t h e r ei sao u t s t a n d i n gp r o b l e mt h a tt h ed e g r e eo fa u t o m a t i o ni sn o th i g hi nt h ec o n t r o l s y s t e mb a s e do np l c o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np l ca d o p t s a n a l o ga n ds w i t c hq u a n t i t yc o n t r o l ，w h i c hl e a d st ol o wp r e c i s i o na n db a dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m s t a r t i n g w i t ht h eb a s i ct h e o r yo ff u z z yc o n t r o l , t h ep a p e ra n a l y s e sa n d c o m p a r a t i v e l ys t u d i e st h ed e s i g nm e t h o d so ff u z z yc o n t r o l l e ra n dt h er e a l i z a t i o n m e t h o d so ff u z z yc o n t r o lb ys c m ，o nt h eb a s i so fw h i c h ，af u z z yc o n t r o ls y s t e mo f e x t r u d e rb a s e do nm o t o r o l am c 6 8 h c 0 5 8 6s c mi sb r o u g h tf o r w a r d a4i n p u t - 2 o u t p u tf u z z yc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e di nt h i sp a p e r , w h o s ef u z z yc o n t r o lr u l e sc a n i m i t a t et h ee x p e r i e h c eo fas k i l l e do p e r a t o re f f e c t i v e l y t h e nac o n c i s ea n dc o n v e n i e n t f u z z yc o n t r o ll o o k u pt a b l ei so b t a i n e do f f - l i n et h r o u g hf u z z yl o g i ci n f e r e n c ec o m b i n e d w i t hc o m p l e xm a t h e m a t i cc o m p u t a t i o n f i n a l l yt h ep a p e rp r e s e n t st h er e a l i z a t i o n m e t h o do fs o f t w a r ef u z z yc o n t r o ll o o k u pa n dt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e f l o w c h a r to f t h em a i nc o n t r o lp a r to f t h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mo f e x t r u d e r t h ea u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fe x t r u d e ra d o p t i n gf u z z yc o n t r o lc a ng r e a t l y i m p r o v et h ea u t o m a t i o nd e g r e eo fp r o d u c e ，t h r o u g hw h i c ho n ew o r k e rc a l lo p e r a t e s e v e r a lp r o d u c tl i n e se a s i l y , t h ep r o d u c t i v i t yc a nb ee n h a n c e df a i r l y i na d d i t i o n ，t h e a n a l o gq u a n t i t ya n ds w i t c hq u a n t i t yc o n t r o lo ft h ef o r m e rs y s t e mi sr e p l a c e db yt h e d i g i t a lq u a n t i t yc o n t r o l ，w h i c hc a ni m p r o v ep r e c i s i o no fp r o d u c t i o na n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m t h es t u d yc a nb e n e f i tt h ew h o l es e t sd e s i g na n dp r o d u c eo fd o m e s t i cw i r e a n dc a b l ei n d u s t r y , a n di tw i l lr e s u l ti nq u i t e g r e a te c o n o m i cv a l u ew i t hf u r t h e r r e s e a r c ha n dd e b u gw o r k k e y w o r d s ：f u z z yc o n t r o l ；e x t r u d e r ；s c m ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 1 1 引言 第一章绪论 1 9 6 5 年美国伯克利加州大学教授扎德发表了著名的论文 f u z z ys e t s 提 出了模糊性问题，给出了其定量的描述方法，从而模糊数学诞生了。模糊数学不 是使数学变得模模糊糊，而是让数学进入模糊现象这个客观存在的世界，用数学 的方法去描述模糊现象，揭示模糊现象的本质和规律i l q 】。模糊数学在经典数学 和充满模糊性的现实世界之间架起了一座桥梁【4 0 】。 模糊数学在短短3 0 年的时间里得到了长足的发展，在理论和应用中取得了 令人刮目的成果1 2 j l ”。模糊数学的应用领域涉及自动控制、图像和文字识别、人。 工智能、地质地震、医疗诊断、气象分析、航空航天、火车汽车驾驶、交通管理、 决策评价、企业管理和社会经济等等很多方面。 在自动化技术中的应用是模糊数学非常活跃而又硕果累累的一个领域【6 “。 著名的自动控制权威a u s t r o m 曾经指出：模糊逻辑控制、神经网络控制与专家控 制是三种典型的智能控制方法【lo j 。1 9 7 4 年英国学者e h m a m d a n i 开模糊控制 之先河，将模糊控制理论应用于热电厂的蒸汽机控制。1 9 8 7 年日本仙台市模糊 控制的地铁电力机车自动运输系统投入运行，是模糊控制成功地应用于自动控制 领域的一个光彩夺目的范例。9 0 年代初，模糊家电风靡日本，给日本企业带来 了巨大的商业效益。日本的成功带动了欧美和其它国家，促进了模糊技术的发展。 1 9 8 5 年世界第一块模糊逻辑芯片在美国贝尔实验室问世，这是模糊技术的又一 里程碑。日本、美国、德国等许多著名的公司都积极从事这方面的研究“，推 出了许多商品化的模糊逻辑芯片。这给模糊技术的应用特别是在控制领域中的应 用注入了新的活力，开辟了诱人的前景。 我国在模糊控制理论方面的研究处于世界先进水平【l 卜】，先后出版了几十 本有关模糊理论方面的书籍，每年发表的研究论文也非常之多，相比之下工程技 术应用则相对较弱。近年来，计算机技术的发展给模糊技术的推广应用带来了美 好前景，模糊技术在我国逐步从理论殿堂走入工程应用，不断深入发展。 自动控制理论从诞生发展到现今，其理论丰富而成熟，在各行各业的控制应 用中起到了不可或缺的作用。但无论是采用经典控制理论还是采用现代控制理论 去设计一个自动控制系统，都需要事先建立被控对象的数学模型，要知道模型的 结 _ i j 、层次、参数等等m 4 ”。在此基础 二合理选择控制策略，进行控制器的设 汁。然而，大量事实告诉我们，在r l ：多情况下，被控对象由于其过程复杂，机理 有不i j 之处，缺乏必要的检测手段或者测试装- 置不能进入被测区域等等各种原 因致使无法建立被控过程的数学模型。这类过程的变量多，过程往往具有非线 性，强耦合等特点，各种参数也往往存在时变性。因此要建立这类过程的数学模 型非常蚓难，甚至是不可能。虽然我们已经有了对付非线性、时变参数系统的方 法，但是有些场合因为许多因素结合在一起，使问题解法复杂化以至缺乏使用价 值。因此，用经典控制理论和现代控制理论解决这类对象的控制往往难以奏效， 得不到满意的控制效果。 与此相反，对这类常规办法难以控制的对象，有经验的操作人员手动控制， 却往往可以收到较为满意的控制效果。模糊控制的基本思想 2 2 - 2 5 就是利用计算 机来实现人的控制经验。而人的控制经验般由语言来表达的，这些语言表达的 控制规则又带有相当的模糊性。我们可以用模糊数学的方法来描述过程变量以及 它们之间的关系，又可以根据这种模糊关系及某时刻过程变量的检测值( 需化成 模糊量) 用模糊推理的办法得出此时刻的控制量。这即是模糊控制的基本思路。 1 2 本文的研究目的及意义 押出机是电线电缆工业中为电线电缆制作绝缘外皮的生产设备。制作电线电 缆绝缘外皮是整个电线电缆生产工艺流程中要求最高、难度最大的核心技术。我 国现行的众多电线电缆成套设备生产厂家，广泛采用基于p l c 的自动控制系统 1 2 ”。这种系统虽然有设计方便快捷、开发周期短等独特优点，但却存在着自 动化程度低、生产精度不高和可靠性差的突出缺陷。一方面，系统在开机和运行 期阳j 都必须配备专门的操作人员不问断地监视系统的运行状况，并且做频繁地操 作：系统无法脱离操作人员而实现程度更高的自动控制，它在本质上是一个缺陷 很多的开环控制系统。自动化程度低的主要原因是：系统本身是一个建模十分困 难、迟滞严重的多输入多输出，并且输出之间关联复杂的系统，很难实现比较理 想的p i d 闭环控制。另一方面，系统大多运用模拟量控制，模拟量参数易受生产 现场的恶劣环境的干扰，致使系统的生产精度低，可靠性差。 而采用基于单片机的模糊控制系统能够回避对复杂的被控对象押出机 的建模问题，将熟练操作人员的操作经验转换化成全面而精炼的模糊控制规则， 形成模糊语言控制器，对被控对象进行自动化程度较高的自动控制。另外，在该 系统中采用基于数字通信的s c l 串行总线控制代替基于p l c 押出机控制系统中的 模拟量控制，能够提高系统生产的精度和可靠性，而且系统布线简洁，生产、安 装和维修方便。 1 3 本文的内容安排及主要研究工作 本文的第一章为绪论；第二章介绍模糊控制的基础理论知识，包括模糊数学 基础和模糊控制系统理论基础；第三章讲述模糊控制器的设计及算法的实现途 径：第四章论述模糊控制的单片机实现方法，并简要介绍了m o t o r o l a m c 6 8 h c 0 5 8 6 单片机的重要特性：第五章给出了基于单片机的押出机模糊控制 系统的控制器设计和模糊控制核心部分的软硬件实现方法。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 1 ) 分析、比较了模糊控制器的设计方法和模糊控制系统的单片机实现方法， 并运用模糊数学的推理方法从理论上证明了其正确性和可行性。 2 ) 指出了现行的基于p l c 的押出机自动控制系统存在的不足，并分析了其 根本原因，在此基础上提出了基j 二单片机的模糊控制系统，从理论上给出了其可 行性和有效性。 3 ) 对押出机模糊控制系统控制器进行了全面、系统地设计。在总结熟练操 作人员的经验的攮础上，得出完整而简洁的模糊控制规则，运用模糊推理的方法 并结合大量的数学运算离线计算出了比较可行的模糊控制查询表：给出了基于单 片机的押山机模糊控制系统核心控制部分的硬件电路、软件实现方法和程序流程 图。 第二章模糊控制的基础理论概述 2 1 模糊数学理论概述 模糊数学理论是模糊控制理论的基石。1 9 6 5 年，美国加里福尼亚大学的自动 控制专家z a d e h 教授在他的著名论文“f u z z ys e t ”中首次提出了模糊的概念。经 过多年以来的发展，模糊理论已经成为以模糊集合、模糊逻辑和模糊测度为核心 的崭新的数学分支模糊数学。模糊理论是建立在模糊逻辑的基础之上，描述 和处理人类语言所特有的模糊信息的理论。它的主要概念包括模糊集合、模糊算 予和模糊关系斟 5 1 。 2 1 1 模糊集合 般而言，集合是所研究的对象的全体。 在古典数学集合理论中( 相对于模糊集合论) 只有两个真值“真”和“假”。 任何一个元素只能属于某个集合或不属于某个集合。我们称之为分明集合( 相对 于模糊集合) 。 例如，定义1 8 岁以上的人为“成年人”，则一位超过1 8 岁的人属于集合“成 年人”。而另外一位不足1 8 岁的人，那怕差一天也不属于这个集合( 如图2 1 ( a ) ) 。 在数学上可用下列表达式描述这种隶属关系的强度： f 1当“1 8 成年人( “) = ( 2 1 ) 【0 “ 5 0 - , ，以避免在测量变量转换成语言变量时，引入噪声。 p 0 + l ( a ) ( b ) 图3 3 模糊集的划分 ( a ) 粗分；( b ) 细分 “( u ) p(u)(bl 图3 4 模糊集的选择 ( a ) 不合适；( b ) 合适 在模糊化设计时还有一个问题，| = i | j 对应于输入测量确定的) 的范围，在语 邝彳叫辽州 蹦入y陷入 f 上变。 八 鹭一心椒 毒交量竣中纛墩多少元素，这实瑷上是交量标尺魏交换( 获射。一方露我弱零 望尽可髓的多，以便于处理狭窄的模糊集：但另一方麟，又不应健存储蘼太大， 必须在二者之间折衷，一般推荐为5 3 0 。 模糊化的设计，其解答往往不是唯一的。这在很大程度上要运用启发式和试 探方式，以求褥最佳的选择。 ( 3 ) “滋合数”方法。奁大累绞秘其它一些应瑙中，菜塑毒关系凌露必麴鼹 测量是精确的，丽其它的则只怒程统计意义上可测。还有一些既要求概率特性， 又要求可能性方面的特征，被称作是“混合”式的。谨这种情况下，模糊化的策 略就要用“混合数”概念。它包含了不确定性( 模糊数) 和随机性( 随机数) 两 个方覆。在竣诗模糊控剃器时，应爝混合数算术运算楚一个+ 分有翦途豹方嚣， 舂德予遥一步开发。 3 2 2 模糊控制规则的合理调整 根据模糊控制的性质，存在两种形式的模糊控制规则：状态估价的模糊控制 撬弼帮强栎悠徐豹模裁茬割援裂秽1 0 婪。 状态往价鲍模糊控剃壤刚在簸形式下，结祭豪示成过程变量的函数，繇 曩；i fx 是a 。，和y 魑b 。，t h e n z = f ( x ，y ) 这种搬型的模糊控制规则在 ：i 寸刻t 估算过程状态( 譬如状念误差，状态误差 的积分等) ，并计算该时刻的模糊控到行为( 是x ，y ) 秘烧刘集合中控铡艇姻。 嚣标镶徐豹摸獭控铡蕊鬃楚磺灏凌在静涛来鹣控锻弦走劳建诗控铡懿嚣爨。 其典型的形式为： 月，：i f( u 为c ，一( x 怒a ，和y 是e ) ) ，t h e n u 是c 。 它是从模糊控制结粜的躁标估价中推导控制命令以满足所需的状态和酱标。 馥上嚣糖类型嚣接壤控裁黢鄹瓣产垒霸调整烹簧骞涎静方法：f 1 ) 蒸予搂鞠 关系方程的“模糊辨识”方法。它运用模糊您含和簸合算子，对规则中的箭俘j f 鞋 后件的参数进行辨识，以建立谢言变量之间的关系。( 2 ) 基于经验的启发式方法。 利用相平面分析可以对模糊控制规则进行调整。 这个方法采用的原理是在模糊逻辑控制器的论城类跟踪受控闭周系绫的孰 渣。它要求溺试久员其蠢籀乎瑟分耩( 蠡：超调、上秀嚣闯) 基疆土参数调整熬 知识以及对闭周系统行为的奁觉性感知。这种方法的优点是有可能进行全局性的 规则更新或修改，假定下面两个条件满足： ( 1 ) 系统列原点刘称； ( 2 ) 系统具有单调性。 图3 5 表示了一个受控过程的系统响应。这里模糊控制器的输入变量是误差 e 和误差导数d e 。输出是过程输入的变化c i 。我们假定输入和输出变量术语集 的基数都为3 ，即用公用的术语( 负( n ) ，零( z f ) ，正( p ) ) 控制规则的原 型如表3 1 。调整后的模糊控制规则如表3 2 。其参考范围i 的相应规则可以描述 为r ，它可以缩短上升时f 刚：区域i j 的规则r ，。可以减少超调量。即： r 。：i fc e 为正和d e 为负) ，t h e n c i 为正 r i f ( e 为负和d e 为正) ，t h e nc i 为负 d e 超调 ( a ) 设定 j 减少 a l1 1 l l ll v v 时间 ( b ) 3 5 相平面分析法示意图 如果要得到更好的控制特性指标，可以把子空间分得更细些使术语集为 n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b 。模糊控制规则的原型和调整后的附加规则 分别列于表3 3 和表3 4 。 表3 1 模糊控制规则的原型 规 则n oed ec i参考点 l p zp a , e ，i 2znn b ，幻 3nzn c ，g , k 4zpp d ，h ，l 5zzz设置点 表3 2 模糊控制规则的调整 规则n o ed e c i参考范围 6 pnpl - v _ 7 nnn i i , v l _ 8n pn i i i , v l l 9p pp t v , v i i 1 0pnz i x 1 inp zx i 表3 3 模糊控制规则的原型 规则n oed ec i参考点 lp bz ep b 2 p mz ep me 3p sz ep s 4 z en bn bb 5z en mn m 6z e n sn s j 7n bz e n bc 8n mz e n m g 9n sz en sk 1 0z ep bp bd 1 lz ep mp m 1 2z ep sp s 1 3z ez ez e设置点 表3 4 调整后的规则 规j j ! i jn oec e c l 参考范围 1 4p b n sp mi ( 上升时间) 1 5n bn bn mi i ( 超调) 1 6n bp bp m 1 7n sp bp m 1 8p sn sp s 1 9n sp s n sv i 2 2 在启发式的模糊规则调整中，还有一个方法，即在“语言相平面”中跟踪闭 周系统的语占轨迹。其主要思想是首先调节标度映射以近似地获得所希望的系统 行为轨迹。因为在一般情况下规则为 只，：i f 误差e 是a 和误差导数d e 是e ，t h e n 控制规则为c ， 可以写成： k 3 - ( ) 】= f k e ( ) ，k 2 d e ( k ) 式中f 表示模糊关系k ，江1 , 2 ，3 是适当的标度映射。f 可以是线性的和非 线性的。像常规p i d 调节参数一样，模糊控制规则也可以通过改变k ，k ：，心来 修正规则。语言相平面法则是在语苦相平面中调整语言轨迹来使系统的闭周的响 应最佳。语吉轨迹确定如下：按误差e 和误差导数d e 的语言值和相应的控制规 则，构成语言相平面e x d e 。在该平面中，隶属函数为最大者，就是语言轨迹 上的点。改变比例系数k ，k ：，k ，可以改变相应的轨迹，也同时改变了闭周系 统的l l 自应。柑平面中虽然没有明确表示k 和世，的值，但从语者相平面轨迹可以 推算k 和k ：的改变方向。 图3 6 是一个语言轨迹的例子，如果k 。或k ，选择不当，其输出轨迹就不 理想。k ，是从规则推导出来的，若模糊输出语言值要大，则应增加k 、。用语言 棚平面方法的优点在于当语言模糊集合选择恰当，如图3 4 ( b ) 所示，使它噪声不 敏感，那么在语言相空间e d e 中噪声的影响要比在空问e x d e 小。 e 1 。六一孝 毒一j de k l合适 k 2太小 ( a ) _ 。奄 !：j li 。毫 e t d e ， k la 大 k 2台适 ( b ) 图36 比例因子调挫 d e k l合适 k 2 合适 ( c ) e 3 2 3 模糊控制规则的完整性、一致性与交互性 从知觉上，个模糊控制的算法，应该对过程的每一状态都能推理出一个合 适的控制作用，这个性质就叫做“完整性”。模糊控制器的完整性与数据库和规 则库或两者有关i m 3 。 在数据库方面主要关心的是基本模糊集赖以定义的支集。支集的并应该以一 定程度覆盖有关论域，这种性质成为完整性。一般，图3 3 中隶属函数的交 点定义为覆盖的程度，希望0 5 。这样，使得总有一条规则其隶属函数0 5 这样，使得总有一条规则其隶属函数大于0 5 ，即总有一条主导规律。在规则库 方面，完整性体现在当模糊条件尚未包括在规则库或者当输入与预定模糊条件之 f n j 的匹配程度低于o 5 时可以加上附加的规则。否则，在后者的情况下将无主 导规则。 一致性是指按操作员经验所导出的模糊控制规则，会受到不同性指标的影。 响。因此，在设计中必须做规则一致性检查，使矛盾产生的可能性达到最小。 模糊控制规则的交互性问题比较复杂至今还未被充分了解。假定模糊控制 规则的一个集合具有以下形式： r 。：i fx 为a ，t h e nz 为c ，滓l ，2 ，n 如果输入为a ，我们期望的控制行为可能是c ，。但事实上根据隐含“s u p - s t a r ” 复合运算，其最后的控制行为可能是c ，的子集或c 的超集。这就产生规则间的 交互。规则间的交互也只能用适当选择模糊隐含和“s u p - s t a r ”的复合运算的来 解决。 3 3 模糊控制算法的实现概述 模糊控制算法的实现方法目前主要有三种，即查表法、硬件专用模糊控制器 和软件模糊推理1 3 】1 2 s - 3 0 1 。其最主要区别在于模糊推理的实现方法不同。 3 3 1 查表法 查表法适用于输入、输出论域为离散有限论域的情况。 在查表法中，选定了输入输出的论域，确定了输入输出的各语言值的隶属函 数，建立了模糊控制规则后，我们就可以计算出输入输出的模糊关系矩阵r 。对 于输入论域上的每一个点，我们可以选定- t i 模糊化的方法转化成一个模糊子 集f i 山模糊推理的合成算法得到输出模糊子集。然后选定一种衅 1 5 j | 糊方法就 可以得出对应于输入点的输出值，它一般也是输出论域上的一个点。这样重复计 算，就可以得到对应输入论域上的输出值。这样就可以得到一个输入论域到输出 的对应袭，称为查询表( l o o pu pt a b l e ) 查询表是输入论域上的点到输出沦域的对应关系，它已经是经过了模糊化、 模糊推理和解模糊化的过程，它可以离线计算得到，模糊控制器在线运行时，进 行查表就可以，因此可以大大加快在线运行的速度。这一过程可用图3 8 表示。 图中的上方虚线框中为离线设计部分，离线设计得到一查询表用于在线运行。下 边的虚线框即为在线运行部分。该幽是个两输入单输出模糊控制器的例子，输 入量为误差e 和误差的变化量e c 。在每一个采样的时刻，对采样值e 和e c 进行 量程转换，p 乘以比例因子k ，和k ：，然后进行量化，将输入的物理信号值转化 成论域上的点，就可以通过查询表得到输出控制作用，它也是输出论域上的点， 在乘以比例因子k ，进行量程转换，就得到输出的硬件接口所要求的物理量。 幽3 8 查表法 查询表结构简单，实现方便，资源开销少，在线运行速度快早期的模糊控 制器多采用这一方法实现。但查询表一般只适用于离散有限论域的情况，精度不 高，改变控制规则和隶属函数曲线形状鞍为困难。在要求不太商的场合可以采用。 3 3 2 硬件模糊控制器 冀露模糊推理功能抟v l s i 模凝芯片首先是1 9 8 5 年在a t & t 煲尔实验室鲍户 盈、渡迭等开发翁，i l 最大一最，j 、合残算法撬理戆力达虱8 万f i p s ( f u z z yl o g i c a l i n f e r e n c ep e rs e c o n d ) ，每一芯片可以封装1 6 条规则。在这之后模糊芯片得到很 快发艉。例如1 丛界上最早从事模糊处理器的公司之一的日本的冲电气工业( o k i ) 研制的m s m 9 1 u 0 4 4 ( 前件部) 和m s m 9 1 u 0 4 5 ( 后件部) 的模糊芯片，在2 个 臻入鬃、3 0 条援慰故情况下霹强达型7 5 万m f l i p s 夔处理速度，娥姻数霹激多 这9 6 0 条，输入交鼙可阻多达1 6 个。蘸俘帮的隶属邈数可以宙s 6 耪，采用最大 一最小法推理，解模糊采用熏心法。 采j ： _ | 模糊芯片可以构成硬件模糊控制器，它推理速度快，控制精度高，处理 速度至少比软件提高一个数量级。 毽瓣露经有疆磋斧实蠛懿霹群模穰整髑器产燕。妇嚣本立石惫穰公霹翡摸粳 控翻器f z ，1 0 0 0 ，3 0 0 0 ，5 0 0 0 ，6 0 0 0 ，翻零类井公司的摸颧控制器f o c 2 0 0 t a ， 同新龟机公司的模糊控制器簿等。采用硬件控制器的模糊控制系统的设计和调试 一般都有专用的丌发软件支持，它支持进行控制规则的制作、隶属函数的制作、 控制系统的仿真等。 3 3 3 软件模韬推理法 软件模糊推理法是指用软件实现输入模糊化、模糊推理算法以及输出解模糊 化等模糊控制的主要过程，尤其是模糊推理过程。它不同于查表法，可以把模糊 推理过程在线完成，两楚在绂时每一采样周期都疆进行模糊推理。 l 荛予采滔软箨实襞模凝搂理，丞j 邈这一方法灵活瞧痣，逶溺瞧强，应矮莛番 广，它可以用输入输出论域为离散有限论域的情形，也可隧用于连续无限型的情 形，它比蠢表法有更高的精度，因为推理要花赞一定的时间，因而骚求计算机有 较高的运行速度。早期查袭法应用较为广泛，现在软件推理法应用的越n 求越多。 竣秘已经有不少用软 串实现媳遥崩模糊控制鼗缝产菇。妇日本察1 9 8 5 年 箍蠢7 产品f r u i t a x ( f u z z yr u l ei n f o n n a t i o np r o c e s s i n gt o o l 妫ra d a n c e d c o n t r o ls y s t e m ) 通用模糊控制器，它采用“v 一”推理规则，采用熏心解模糊 方法，规则数可达2 5 6 个，前件部和后件部变擞分别可达5 和2 ，隶属函数形式 以三角形为基础，i o 点数为1 2 8 输入8 输出，控制周期最小为1 0 s ，该软件运 行于c o m p a c ta 系列汁算机。同本】必电含于1 9 8 7 年推出的模糊控制系统采用i i 发 公司的p o r t n 作为主系统，用于人机对话，过程i o 接口、控制规则、隶 属函数和推理形式的表示，予系统推理计算机i 8 0 8 6 只用于模糊推理。该系统采 用“v 、”推理规则，重心法解模糊，每个推理机装有2 5 0 条规则，前件部和 后件部各含4 和2 个变量，隶属函数分5 0 档离散化，控制周期最小为0 1 s 。 另外许多厂家在它们的可编程控制器( p c ) 和分布式控制系统( d c s ) 产 品中也有模糊控制模块，般称为模糊控制组件。如富式公司的p c 系列产品 m i c r e x f 5 0 0 ，f 2 5 0 中装有通用模糊控制器f r u i t a x m f 作为p c 的一个功能。 f 1 本横河的d c sc e n t u m x l ，i t x l 中也装有模糊控制组件。日本山武在其 t d c s 3 0 0 0 l c n 中也装有模糊控制组件，f 1 本日立在e x 1 0 0 0 系列d c s 中配黄 了e x f u z z y 模糊控制软件。 第四章模糊控制的单片机实现方法 4 1 模糊控制的单片机实现方法 要执行模糊控制，在数字计算机中就必须以一定的算法来实现。这些模糊控 制算法的目的是从输入的连续精确量中，通过模糊推理的算法过程，从而求出相 应的精确控制值来。模糊控制算法有多种实现形式，常用的方法有合成推理的关 系矩阵法、合成推理的查表法、合成推理的解析公式法、强度转移法和后件函数 法等p 8 1t 4 1 - 4 4 1 。 4 1 1 合成推理的关系矩阵法 在合成推理方法中，m a m d a n i 法比较适合于实时控制，故在模糊控制中用得 较多。 设控制系统的控制规则格式为： i f e = a ，a n de c = b ，t h e nu = c 。 ( 4 1 ) 其中i = 1 ，2 ，m ，j = l ，2 ，n ，且e 是偏差，一。是偏差的语言变量值；e c 是偏差变化率，b 是偏差变化率的语言变量值；u 是控制量，c 。是对应于4 、 b j 的控制量的语言变量值。则有模糊关系r ，且r 为 r = u a ，b ，x c 。 ( 4 2 ) p 其中净1 2 ，m ，j = l ，2 ，n ，运算符“”表示表示对模糊两的内积， 即模糊关系的隶属函数为： i - n r ( “，b ，c ) 。v ，。，( “) 芦口，( 6 ) l t c , j ( 。) ( 4 3 ) 其中v ae a ，v b b ，v c c ，且a ，b ，c 分别是偏差、偏差变化率、控制量的 论域。 对于特定输入精确量a + 、b + ，则有输出： u = ( 4 b ) o r 即 ，。( c ) = = 。v 。，z ( d ) ，一( 6 ) ，“( d ，b , c ) ( 4 4 ) 最后再用重心法对u 求精确值，即可得到最终的控制量c 。 1 1 j 上可知，实现上述推理过程必须执行复杂的算法，计算工作量太大。凶此， 在线实施推理很难满足控制系统的实时性要求，下述查表法就是为了避免复杂的 数学运算而提出的一种离线推理方法。 4 1 2 合成推理的查表法 查表法就是要事先制造模糊控制响应表，在软件设计时将该表格事先置入内 存中供实时查表使用。在实际控制时，模糊控制器首先把输入量量化到输入量的 语言变量论域中，再根据量化的结果去查表查出控制量，这样可大大提高模糊控 制的实时效果，节省内存空间。 4 1 2 1 间接法制造控制表 这种方法的特点是首先求出模糊关系r ，再根据输入的偏差和偏差变化率利 用合成推理方法求出模糊输出量，最后经过反模糊化可把模糊量转换为精确量， 即可得到控制表。 i 殳有k 条控制规则，形如“i f a ，a j l db ，t h e nc 。”，分别为： r l = a l b 1 c | l r 2 。a 2x b 2x c 2 2 r = a 。x b 。c 。 ( 4 5 ) 上述模糊条件语句可以用一个模糊关系矩阵米描述，即： r = u 爿，口，c p ( 4 6 ) f ， 设一( f _ 1 , 2 ，”1 ) ，b ，( = 1 , 2 ，h ) ，c 。的论域均为： 一p , - p + 1 ，一，一1 ，0 ，1 ，一，p l ，p 对于偏差a + ，在量化之后，它必定为对应论域中的某个元素。故a + 在量化 之后，它可能为下列任一模糊量a ，( f = 1 , 2 ，2 p + 1 ) a ，= 1 ( - p ) + o ( 一p + 1 ) + 。+ 0 0 + + o ( p 一1 ) + o p 爿2 = o i ( 一p ) + 1 “一p + 1 ) + ，+ 0 1 0 + - - + o l ( p 一1 ) + o i p a 2 p = o i ( 一p ) + 0 1 ( 一p + 1 ) + + 0 1 0 + + 1 i ( p 一1 ) + o p a 2 l = 0 1 ( 一p ) + 0 1 ( 一p + 1 ) + + 0 1 0 + - + o i ( p 一1 ) + 1 ，p ( 4 7 ) 对于偏差变化率b + ，同样有对应模糊量哆。根据已知的模糊量4 和b j ，通 过模糊合成运算即可求得对应输出量c ，且为 c f = ( 爿b ，) 。r( 4 8 ) 在求取了输入对应的模糊输出c ，之后，利用最大隶属度法进行反模糊化，可得 这种方法就是直接从控制规则( 即推理语句) 去求控制量，从而产生控制表。 为【；乇l 】问题方便起见，先考虑只有条舰i j l l j 酐j 情况。殴有推理语句为 其中a h ，a ：，吒j ，b ，e 如，6 ：，b ， c 。e c 。，c ：，c ， ，。对于输入爿。和b ，有 1 日i 6 口l b 2“l b 3 爿i b 1 = l 口2 b l口2 b 2口2 6 3 ( 4 1 0 ) l 3 b l 3a b 2 口3a 6 3 j 口1 d 1 人c 口l 6 2 c 口la 0 l c2 口】 6 2 c 2 口la 0 lac 3 臼i 6 2 c 3 口) 岛 c ia 3 b 3 c 2a 3 b 3 6 - 当有输入爿口b 0 且分别为 a ? = ( 1 , 0 ，0 ) b j = ( 1 , 0 ，0 ) ( 4 1 1 ) 小弘 根据合成推理方法，对应的输出c j 为 c ? = ( 一? b ? ) 。r 。 = ( 1 , 0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ) 。r = ( q 6 i 、c l ，口ia b i c 2 ，d t 甄a g 3 ) 当有输入一? 和b 0 且分别为 4 7 = d , o ，0 ) ，口：= ( o ，1 ，o ) 小耻l a = ( o ，l ，o ，o ，o ，o ，o ，o ，0 ) 。蜀 = ( d 【 6 2 c 【，口ia b 2a f 2 ，l 也 c 3 ) 依次类推，不难发现：对于4 的论域和目的论域，不管它的元素有多少， 当爿? 量化之后只会选中某一个元素。例如第i 个元素，并且只有该元素的隶属 度为1 其余均为0 ，即有 a ? = ( o ，o 10 ，o ) 同理b ：的量化也只会选中某一个元素，例如第j 个元素，并且只有该元素 的隶属度为1 ，其余均为0 ，即 b ? = ( o ，0 , 1 ，v ，0 “，o ) 此时，i 难得到c 胃c ? 为 c 寸： 麓援；：2 参；： ? 墨；j 。：， 1 ( “，) 竭( 6 ) 2 r l l ( 巳) j 为了方便起见，c - 也可以用下式表示 同理，对于第二条推理语句 i f a 2a n db 2 t h e nc 2 在输入为a h 口b i l 】寸有输 _ _ 5 c ：也可表示为 若有k 条模糊推理规则，则一h 口b ix , f g gk 条语句，可产生 对求得的模糊控制输出c o c ：，( 1 ：求并，则可得到模糊输出c 。 k c = u c j ( 4 1 3 ) ，= 1 最后，利用“最大隶属函数方法”求得对应的精确控制量。 把爿j 、矗j 的内容进行相应的改变，令爿? 量化之后对应的元素的序号i 从1 m 变化，令b j 量化之后对应的元素的序号j 从1 一n 变化，则可以分别得到相应的 精确量。根据爿? 、a ：量化后的组合和相应的控制量就可以产生控制表。 1，、j p 0 p n “ ， ， ， 6 6 6 ( ( ( h h h “ 人 ； 口 口 口 ( d “n n l 1 i f_i， 卜 4 1 3 合成推理解析公式法 礼简h 模糊控；| j | j 算法中，可将控 剐规则概括为如卜- 哞析公式 “= ( 4 1 4 ) 3 - p 表示一个与x1 1 _ 司号，而绝对值大于等于蚓的最小按数。 例如： = 1 ， = 3 比如，如粜将偏差e ，偏差变化率e c 和控制u 的论域均取为 f 一3 ，2 ，一l ，0 ，+ 1 ，+ 2 ，+ 3 那么将可以得到一个典型的模糊控制表，见表4 1 表4 1 ：典型控制表 e c u ，3210i23 33- 322- 11 0 23- 22- l1o l 12- 21一1o1i e o 21一l0ll 2 1- l101l2 2 2- l0l l223 3011223 3 4 1 4 基于后件函数的计算法 后件函数的特点是推理的结粜是前件的语言变量值的函数，一般形式为 i f x i = a ia n d x 2 = a 2a n d a n d x ，= a 。t h e ny = f ( x l ，x 2 ，x 。) ( 4 1 5 ) 后件函数的简单形式可表示为 i f x i = a la n d a n d x 。= a 。t h e ny = p o + p 1 工l + + p 。x ，) ( 4 1 6 ) 在上面条件语句中，x l ，x ：，x 。是语高变量，a ，a ：，a ，是语言变量值， 风，p 一，p 。是系数。 列于有k 条规则的模糊控制，则可表示为 r 。：i f x f = a fa n d a n dx ：= a ：t h e n y = p j + p ；x f + + p ：x ： ( 4 1 7 ) 式中，i = l ，2 ，k 。 设有输入x i ，x ：，x ：则输出控制量| _ l f 】精确值y 的计算过程如下： 1 对麓条燧羽r ，诗箕其磊馋y 豹恁 2 ，求命题y = y 的真值，即厝俘的投重 命题y = y7 的真值用l y = y7 l 表示，| ； + 自 i = | = 三x ：) 3 求输出控制的精确值 若采弼“燕心法”求精确德y ，剿有 y = 岱一y ，国 计算式中i t ，jr o 。= y = y l 。 铡知，没有3 条控制规则，且分别为 r ：i f x = s la n dx 2 = s z t l l e n y 黛并l + x z r2 ：i f x l = et h e ny = 2 x r3 ：i f x 2 = 如2t h e ny = 3 x 式一i ，s l 表示小1 ；s ：表示小2 ；b ，表示犬l ；b ：表示大2 。 当输入一= 1 2 ，z ：= 5 时，求输出值y 。 先求 i _ 祭舰i ! j 的后件y 的值，且一角 y 2 = 2 x ：2 4 y 。= 3 x 2 = 1 5 后求姆条规则的权重i y = y i ，即有 o 1 1 = f ( 墨) 声岛( 等2 ) = f s ；( 1 2 ) a 冀( s ) c o | , u e ( xl ) = ( 1 2 ) 3 4 ( 4 1 9 ) ( 4 2 0 ) 铂 翻有 困琵有糖蕊f | | y , u s ( 1 2 ) = 0 2 5 ，n ( 1 2 ) = 0 2 5 ( 1 2 ) = 0 2 5 ，瓠( 1 2 ) = 0 2 5 o 2 5 c oo = o ，2 甜3 = o 。3 7 5 y = 脚一y = 1 7 8 4 。2m c 6 8 h c 0 5 系列荤鸶橇麓分 本文的实例押出机模糊控制系统的控制核心选用m o t o r o l a 公司的 m c 6 8 h c 0 5 系列单片机【4 3 “叫。m c 6 8 1 i c 0 5 系列单片机是m o t o r o l a 公司在 1 9 8 3