（电机与电器专业论文）模糊温度控制器的研究.pdf

模糊温度控制器的研究 r e s e a r c ho f f u z z yt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t ya n dt e c h n o l o g y c o n t r o ll e v e lo f t h es y s t e mn e e d st ob e m o r ea n dh i g h e ri nm o d e r ne n g i n e e 她s o ，c o n v e n t i o n a lc o n t r o lt h e o r yc a nn o tm e e tt h i s r e q u i r e m e n t i nt h i sb a c k g r o u n d , f u z z yc o n t r o lt h e o r yi sw i d c l ya p p l i e d f u z z yc o n t r o lu s e sf u z z ym a t h e m a t i cd e p i c tt h ef u z z yd e f i n i t i o na sp r o c e s sv a r i a b l eo r c o n t r o lf u n c t i o na n dt h e i rr e l a t i o n s h i p , t h e nb a s e do nt h ef u z z yr u l e r sa n dt h ei n p u ta n do u t p u t o fc o n t r o le l e m e n t s , c a l c u l a t e sc o n t r o l l e ro u t p u t s ，s oa st og e tt h e0 1 m m i z e dc o n t r o lr e s u l l f u z z yc o n t r o li ss u i tf o rn o n l i n c a ra n dh y s t e r e t i cs y s t e mw h o s em o d e li su n k n o w n 1 1 1 ef u z z yt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ri n t r o d u c e di nt h i sp a p e rc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo f c o n t r o lo b j e c tw i t hh y s t e r e t i cp r o p e r t y t i l ep a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e d e s i g no fh ec o n t r o l l e r 弛em a i nc o n t r o l l i n gp a r to ft h ec o n t r o l l e ri sb a s e do ns i n g l e - c h i p p i c i s f 2 5 2w h i c hi sp r o d u c e db ym i c r o c h i pc o m p a n y p i cc o l l e c t st e m p e r a t u r es i g n a l c a r r i e so u tt h ef u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ca n ds e n d st h ec o n t r o lo u t p u t s 1 1 1 cs i n g l e - c h i p i n t e g r a t e sa dm o d u l e t e m p e r a t u r et e s tc f f c u l ti sb a s e do np t l 0 0 龋礼s 虬a n dc o m p e n s a t e si t t h e p a r to f k e y b o a r da n dl e dd i s p l a yi sb a s e do n8 - b i t - h i g h - p e r f o r m a n c ea t 8 9 c 5 2w h i c hi s p r o d u c e db ya t m e lc o m p a n y 1 1 舱t w os i n g l e c h i p sc o m m u n i c a t et h ed a t aw i t hs e r i a l c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ec o s a r t ) a sf o rs o f t w a r c ，f u z z yc o n t r o li su s e da st h ek e r n e l a r i t h m e t i c ，a n dcl a n g u a g ei su s e dt oc o m p i l et h ew h o l ep r o g r a m 1 1 s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a t , c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lc o n t r 0 1 f u z z y c o n t r o lh a sl o t so fs t r o n g p o i n ts u c ha st h es h o r ta d j u s tt i m e ，t h es m o o t hi n t e r g r a d a t i o n s ，a n d t h ew e l la n t i i n t e r f e r e n c e k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；p i c l 8 f 2 5 2 ；a t 8 9 c 5 2 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：毽数益、日期：塑丝肚q 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：氲缎瓠! 挪虢掀绉 垄j 正年上月监日。 大连理t 大学硕士学位论文 1绪论 1 1 模糊控制系统概况 随着社会及科技的发展，现代工程实践对系统的控制要求也在不断提高，传统的控 制理论己无法满足其中的要求，于是就产生了许多新的控制思想及理论。尤其是2 0 世 纪6 0 年代出现的最优控制理论，成功地应用到了航空航天领域的控制系统中。然而， 不幸的是，现代工业过程因其无法得到系统精确的数学模型( 且模型常常因外界环境的 变化而改变) 而无法使用最优控制理论来进行系统设计。随着研究系统的复杂程度及不 确定程度的逐步提高，一种新的系统方法一模糊思想诞生了。模糊控制的产生背景如下 所述： ( 1 ) 工业过程控制的要求在上业过程控制领域，p i d 调节器的应用仍占主导地位。 其主要原因是p i d 对各种工作环境下的工业过程有较好的控制效果和p i d 无需建立精确 的对象模型而2 0 世纪6 0 年代发展起来的以状态空间方法为基础、最优控制理论为主 要结果的现代控制理论，虽然在理论上是完善的，在许多领域内也卓有成效，但一直取 代不了p i d 在工业过程控制中的地位。原因在于现代控制理论以对象精确的数学模型为 前提，而工业过程往往是多变量的高维复杂系统，其精确的数学模型难以建立。因此， 工业过程自身要求寻找对模型要求低、在线计算方便、控制综合质量好的算法。模糊控 制便是为适应这种要求而发展起来的【。 从应用的角度看，模糊控制具有以下优点： ( a ) 方便易懂由于传统的控制理论所用的数学工具越来越复杂，应用工程师们倾向 于采用一些易懂的方法，模糊控制就是其中之一。由于模糊控制模仿人脑的控制策略， 因此即使对非专业人员，其控制原理也不难理解。 ( b ) 执行简便模糊逻辑系统作为模糊控制的主体，其具有高度的并行处理能力。模 糊超大规模集成电路( v l s i ) 芯片的出现，使得模糊控制器的执行快速简便 2 1 。 ( c ) 成本低廉从实用的角度来看，产品的开发成本是产品成功与否的重要指标之一。 由于模糊控制方法简便易懂，缩短了培训时间，即“软件成本”降低。同时模糊控制执 行简便，“硬件成本”也较低。另外，模糊控制器的设计已有商品化的软件工具。这样， 模糊控制就成为一种高性能价格比的方法。 ( 2 ) 理论上不断完善的要求模糊控制虽然有鲁棒性好、适应于方法复杂的工业过程 建模的特点，但模糊理论体系也有不完善的地方。就工程应用的角度而言，2 0 世纪9 0 年代以前的模糊系统理论有两大弱点：一是没有一套系统而有效的方法来获取知识，只 模糊温度控制器的研究 能采用专家问卷的形式，费时且又难以得到满意的结果；二是缺少完整的理论体系来保 证系统的稳定性、收敛性等基本要求。9 0 年代以来的模糊系统理论在这两方面取得了突 破性进展。愈来愈多的具有严格数学证明的模糊控制论文的出现，使得模糊控制不再是 一种只能基于经验的简单控制器，丽是具有严格理论支持的高性能非线性控制器【l l 。但 模糊控制要建立起像现代控制理论那样完整的理论体系仍有大量的工作要做。 模糊控制的发展历程如下： 1 9 6 5 年l a z a d e h 教授发表了题为“模糊集”( f u z z ys e t s ) f 3 】和“模糊集与系统” ( f t i z z ys e t sa n df u z z ys y s t e m s ) h 两篇开创性论文，奠定了模糊集理论应用研究的基础。 一些学者很快将模糊集的思想引入到系统控制之中，提出模糊控制的概念，对模糊控制 器展开了理论研究、实验室仿真及工业项目的应用实践。1 9 7 3 年z a d e h 教授给出了用模 糊语言进行系统描述的方法，英国学者m a m d a n i 和a s s i l i a n 在1 9 7 4 年首先利用模糊控 制方法设计模糊控制器1 5 1 ，并将它成功地应用于锅炉和蒸汽机的实验控制系统。这一开 拓性的工作，标志着模糊控制的诞生【删。从此以后，模糊系统理论在工业、交通、医 疗、经济、军事等各个领域得到了广泛的应用。2 0 世纪9 0 年代以来，基于模糊控制的 洗衣机、空调器、摄像机、吸尘器、电冰箱等相继问世，产生了家用电器的一场技术革 命。而模糊芯片和模糊软件、硬件的开发与应用，更是推动了机器人、信息处理系统、 知识工程及新一代计算机等的迅速发展1 1 0 l 。我国研究人员自1 9 7 9 年以来，对模糊系统 理论进行了深入研究，在模糊控制器的定义，性能、算法、鲁棒性、电路实现方法、稳 定性、规则自调整等方面取得了大量的成果【1 l - 1 。1 。 近年来，模糊系统和模糊控制 1 9 - 2 2 】领域的研究取得了迅速的进展。模糊控制在消费 品和工业过程控制中的成功实践，促使越来越多的学者对模糊系统理论及其应用进行了 严密的研究。这些学者试图通过理论研究解释实践成功的原因，并使模糊系统的现有研 究方法系统化，从而逐步形成更加强大的方法。所有的这些努力都将使整个模糊系统和 模糊控制理论的前景变得更加清晰。 模糊系统一直广泛应用于各个领域，从控制、信号处理、通信、集成电路制造到商 业专家系统、医药、行为科学等，不过，其最大的应用一直集中在控制问题上。具体应 用如下所列： ( 1 ) 在过程控制中的应用：水泥窖控制、锅炉烧结控制、发酵罐含氧量控制、发电 机组负荷控制、升降机控制、废水处理、天文望远镜控制以及采矿、炼钢、造纸、轧钢 等过程控制等； ( 2 ) 在军事上的应用：机翼控制、雷达故障诊断、运载工具控制等； 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 在医学上的应用：医学图像处理、肢体外循环控制、临床自动给药系统、医疗诊 断系统以及模糊激光疗法等； ( 4 ) 在经济管理中的应用：宏观经济调控、经济决策支持系统、经济预测、生产调度 等； ( 5 ) 在信息技术中的应用：机器人控制、仿人记忆系统、模糊芯片、智能计算机、专 家系统、新一代软硬件等； ( 6 ) 在交通领域中的应用：交通系统控制、城市交通网、卡车自动装卸系统、地铁控 制系统、汽车传动系统控制、汽车自动停车系统等； ( 7 ) 在日常生活中的应用：高性能家用电器等。 我们相信随着模糊系统理论的进一步发展，模糊技术的应用范围将不断扩大，水平 也将日益提高。 模糊系统发展到今天，经历了从冷到热，从普遍怀疑到基本接受的一个漫长的发展 过程。其中，2 0 世纪7 0 年代的主要工作是进行计算机仿真分析和理论研究，8 0 年代则 是从实验室转入工业实践并由此走进世人注目的年代，8 0 年代中后期，日本的系列模糊 家电产品所取得的巨大的经济效益更引起了国际控制界学者的广泛关注而加入其研究 行列。因而，模糊控制理论的研究与应用在9 0 年代初中期达到了兴盛时期。模糊理论 作为智能技术的重要组成部分，得到了广泛的重视并成为国内外学术界研究的热点。从 1 9 9 2 年开始，工e e e 模糊系统国际会议每年举行一次，在工e e e 、工f a c 等重要的国 际会议上以及国外的a c c 、国内的c c c ，c d c 会议上也都有模糊系统的专题。1 9 9 4 年， 创办了国际著名专业学术杂志i e e e t a n s o n f u z z ys y s t e m s 。另外，在其它著名的国 际学术杂志 a u t o m a t i c ，( i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f c o n t r o l 】) 和国内的自动化学报、 控制与决策、控制理论与应用、模糊数学与系统等杂志上，都有大量的有 关模糊理论及应用的文章。应当指出的是，模糊理论作为智能技术的重要组成部分是包 括我国在内的许多国家重点支持的高科技研究领域。 1 2 温度测控技术的发展与现状 温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何 物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接 和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因 此，温度的测量在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。 一3 一 模糊温度控制器的研究 近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快 速实时地进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温场进行较精确的控制，仍然是 目前需要解决的问题。 温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。 在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、 低廉，测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时 间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测 温，不能用于极高温测量，难于测量运动物体的温度。非接触式测温是通过对辐射能量 的检测来实现温度测量的方法，其优点是不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体， 适于测量运动温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较 大，结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的测量中，要根据具体的测量对象选择 合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少人力和物力的投入。 温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动 态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工 业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应 温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温 度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度( 即稳态误差) 不能超过某一给定值。本课题 所研制的模糊温度控制器就是要实现恒值温度控制的要求，故以下仅对恒值温度控制进 行讨论。 从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种： ( 1 ) 定值开关控温法 所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温 度值之间的关系，进而对系统加热源( 或冷却装置) 进行通断控制。若当前温度值比设 定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；著当前温度值比设定温度值低，则开 启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下， 用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工 厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电 源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使 系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。 ( 2 ) p i d 线性控温法 一4 大连理工大学硕士学位论文 这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，p i d 控制是最早发展起来 的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控 制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于p i d 调节器模型中考虑 了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开 关控温法。其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现p i d 调节功能。前者 称为模拟p i d 调节器，后者称为数字p i d 调节器。其中数字p i d 调节器的参数可以 在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方 法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个p i d 参数( 即比例值、积分值、 微分值) 。只要p i d 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比 较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参 数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。 ( 3 ) 智能温度控制法 智能控温法采用神经元网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智 能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法 在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。 1 3 本文的研究意义及主要工作 在自动控制领域里，如果被控制对象是个比较复杂的非线性、时变而且又有大的滞 后的系统的话，往往很难获得精确的数学模型，并且由于传统的经典控制方法是建立在 数学模型的基础上的，没有数学模型，这些经典的控制方法是很难获得良好的动态和静 态性能的。但是，模糊控制是一种模仿人的智能的控制方法，它不依赖于对象的数学模 型，而是通过对模糊信息的处理做出对复杂对象的控制的。 在实际工作和科研中，温度是一个很重要的基本物理量，在很多领域都要涉及到， 例如：冶金工业、化工生产、造纸行业、机械制造、电加热炉及家用电器等，均需要用 加热器来加热实验对象，并对其进行测量和控制，使被控对象达到并保持在某一设定的 温度范围内( 即恒温控制) ，而且在设计的过程中，被测对象的温度有时候要求稳定性很 高，因此要进行恒温控制。文中的控制对象具有很大的滞后性，是比较具有代表性的温 度控制系统。模糊温度控制器很好地针对此控制对象进行了恒温控制，对于以后研究各 种温度控制系统具有重要意义。 本文的主要工作： ( 1 ) 分析模糊控制原理，研究模糊控制器的设计，包括模糊化接口、推理决策、解 模糊接口的设计。 5 一 模糊温度控制器的研究 ( 2 ) 完成控制系统的硬件设计，包括主控电路，测温电路，l e d 显示电路，键盘中 断电路，等等。 ( 3 ) 深入研究了适合于该系统的各种控制策略。 原理进行定性分析，进行了系统控制器的设计 ( 4 ) 完成该系统的软件设计。包括主程序模块、 功能模块的设计，并完成了系统的软件调试工作。 一6 通过对常规p i d 控制与模糊控制的 控制运算模块、输入输出及一些子 大连理工大学硕士学位论文 2 模糊控制原理 以往各种传统控制方法均是建立在被控对象的精确的数学模型之上的，随着系统 复杂程度的提高，将难以建立系统的精确数学模型和满足实时控制的要求。而模糊控制 是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制方法【2 5 - 3 5 1 。 2 1模糊控制系统的基本原理 图2 1 模糊逻辑控制系统的基本结构 f i g 2 1 s t r u c t u r eo f f u z z yi o g i cc o n t r o ls y s t e m 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和 模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系 统。模糊控制系统是一种典型的智能控制系统，它的组成核心是具有智能性的模糊控制 器，在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理的知识，模拟人的 模糊思维方法，对复杂过程进行控制。模糊逻辑控制是利用模糊逻辑建立的一种“自由 模型”的非线性控制算法，特别是在那些采用传统定量技术分析过于复杂的过程或者提 供的信息是定性、非精确的、非确定的系统中，模糊逻辑控制的效果是相当明显的。模 糊逻辑控制系统的基本结构如图2 1 所示。 从图中可以看出，模糊控制系统的主要部件是模糊化过程、知识库( 含数据库和规 则库) 、推理决策和清晰化计算。可以看出模糊控制系统和传统的控制系统没有太大的 差别，主要不同之处在于控制器采用了模糊控制器。由于模糊控制器是采用数字计算机 来实现的，因此它应该具备下列三个重要功能： ( 1 ) 把系统的输入从数字量转化为模糊量( 模糊化过程、数据库两部分完成) 。 ( 2 ) 对模糊量由给定的规则进行模糊推理( 规则库、推理决策完成) 。 模糊温度控制器的研究 ( 3 ) 把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或模拟量( 反 模糊化接口) 。 因此，模糊控制器的设计问题就是模糊化过程、知识库、推理决策和清晰化过程四 部分的设计问题。 2 1 1 模糊化过程 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能适用于模糊控制器的求解，因此模糊化接口 实际上是模糊控制器的输入接口，它的主要作用是将输入空间精确的观测量转换成输入 论域上的模糊矢量。模糊化在处理不确定信息方面具有很重要的作用。在模糊控制中， 观测到的数据常常是清晰量，由于模糊控制器对数据进行处理是基于模糊集合的方法， 因此对输入数据进行模糊化是必不可少的一步。 模糊化过程主要完成：测量输入变量值，并将数字表示形式的输入量转化为通常用 语言表示的某限定码的序数。每一个限定码表示模糊论域内的一个模糊子集，并由其 隶属度函数来定义。对于某一个输入值，它必定与某一个特定限定码的隶属程度相对应。 在模糊控制中主要采用以下两种模糊化方法。 心单点模糊集合 如果输入量数据勒是精确的，则通常将其模糊化为单点模糊集合。只有在点处 的隶属度为l ，其他输入值对应的隶属度函数值都为0 。设该模糊集合用a 表示，则有： 删2 墨盖 晓。， 其隶属度函数如图2 1 所示。 这种模糊化方法只是形式上将清晰量转化成了模糊量，而实际上它表示的仍是准确 量。在模糊控制中，当测量数据准确时，采用这样的模糊化方法是十分自然合理的。 协三角形模糊集合 如果输入数据存在随机测量噪声，这时模糊化运算相当于将变化量变为模糊量。对 于这种情况，可以取模糊量的隶属度函数为三角形，如图2 3 所示。它给出了输入变量 x o 在给定限定码模糊子集中具有最大隶属程度，也即表示当前输入x o 属于语言值a 的程度最高。另一种常用的方法是取隶属度函数为高斯函数，这种方法处理起来有点复 杂。 8 大连理工大学硕士学位论文 产。( 工) 1 0 j ：( 1 o 图2 2 单点模糊集合的隶属度函数图2 3 三角模糊集合的隶属度函数 f i g 2 2 d o to f m e m b e r s h i pf u n c t i o n f i g 2 3t r i a n g l e s h a p eg a d eo f m e m b e r s h i pf u n c t i o n 2 1 2 知识库 知识库包括数据库和规则库，数据库提供必要的定义，包含了语言控制规则论域的 离散化、量化和正则化以及输入空间的区分、隶属度函数的定义等。规则库根据控制目 的和控制策略给出一套由语言变量描述的并由专家或自学习产生的控制规则的集合，在 建立控制规则时，首先要解决诸如状态变量的选择、控制变量的选择、规则类型的选择 和规则数目的去认定等事项。 模糊控制设计的主要任务是以被控系统的性能指标作为设计和调节控制器参数的 依据，控制器的最终控制性能应该达到预期的目的。一般说来，模糊控制器设计需要考 虑的设计参数有：采样频率( 根据香农定理和被控工程控制的技术限制来选择) 、量化 等级( 影响系统的响应，如超调、上升时间、稳态精度等) 、隶属度函数的类型和不同 隶属度之间的重叠率、规则的数目和清晰化计算方法。实际上，模糊控制器设计的关键 在于如何有效地建立知识库即数据库和规则库，决策逻辑控制实际上是依赖规则库来实 现的。 ( 1 1 数据库 模糊逻辑控制中的数据库包含了与模糊控制规则及模糊数据处理有关的各种参数， 其中包括尺度变换参数、模糊空间分割和隶属度函数的选择等。 输入量变换 对于实际的输入量，首先需要进行尺度变换，将其变换到要求的范围。变换的方法 可以是线性的，也可以是非线性的。例如，若实际的输入量为磊，其变化范围为【x m i n ， 。】，着要求的论域为【。，x 。】，采用线性变换，则 = 苎学+ 七( 一下x m a t4 - x m m - ) ( 2 2 ) 一9 一 模糊温度控制器的研究 k ：x 7 r a “- - x r m m x m “一x m h ( 2 3 ) 其中k 为量化因子。 论域可以是连续的，也可以是离散的。如果要求离散的论域，则需要将连续的论域 离散化或量化。量化有均匀和非均匀两种。表3 1 和表3 2 分别表示均匀量化和非均匀 量化的情形。 输入和输出空间的模糊分割 模糊控制规则前提中的每一个语言变量都形成一个与确定论域相对应的模糊输入 空间，而在结论中的语言变量则形成模糊输出空间。每个模糊语言名称对应一个模糊集 合，其个数决定了模糊控制精细化的程度。这些语言名称通常均具有一定的含义。如 n b ：负大( n e g a t i v eb i g ) ；n m ：负中( n e g a t i v em e d i u m ) ；n s ：负小( n e g a t i v es m a l l ) ； z e ：零( z e r o ) ：p s ：正小( p o s i t i v es m a l l ) ；p m ：正中( p o s i t i v em e d i u m ) ；p b ：正 大( p o s i t i v eb i g ) 。图3 4 表示两个模糊分割的例子。论域均为【1 ，+ l 】，且模糊分割是 完全对称的。这里假设尺度变换时已经作了预处理，一般情况下，模糊语言名称也可以 呈非对称非均匀分布。 地趣 ( a ) 图2 4 模糊分割的图形表示 f i g 2 4f i g u r eo f f u z z yd i v i s i o n c b ) 模糊分割的个数也决定了最大可能的模糊规则数目。如对于两输入单输出的模糊系 统，x 和y 的模糊分割数分别为3 和7 ，则最大可能的规则数为3 ) e 】 2 q u qu gu ，u c ：，( 2 1 3 ) 其中，q - - ( a a n d b ) 。【( 4 a n d 忍) c j 】一【4 。( 一，寸e ) 】n 【b 。( 局 e ) 】，f = 1 , 2 m 其隶属度函数为 ，乜( z ) = y 沁，( 力n ( x ) 心( z ) ”n y 讧，( 力 【目( y ) ，乜( z ) 】 7 f 。( x ) ( x ) j ，乞( z ) n y 红，( y ) 毋( y ) ，乜( z ) = ( 口4a p c , ( z ) ) n ( ，乜( z ”= ( 口4 口岛) ，乞( z )( 2 1 4 ) 2 1 4 清晰化过程 通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但在实际使用中，特别是在模糊控制中， 必须要有一个确定的值才能去控制或驱动执行机构。在推理得到的模糊集合中取一个能 最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程就是精确化过程( 又称为反模糊化) 。 反模糊化可以采取很多不同的方法，用不同的方法所得到的结果也是不同的。常用的清 晰化方法有下面三种： ( 1 ) 最大隶属度函数法 简单地取所有规则推理结果的模糊集合中隶属度最大的那个元素作为输出值。即： v o - - m a x a d 访，v e 优 模糊温度控制器的研究 如果在输出论域y 中，其最大隶属度函数对应的输出值多余一个时，简单的方法是 取所有最大隶属度输出的平均值，即：v o = ! ，艺。v j ，其中1 ，2 1 学( 以( v ”，乒i v l ，为 具有相同最大隶属度输出值的个数。 最大隶属度函数法不考虑输出隶属度函数的状态，只关心其最大隶属度值处的输出 值。因此，难免会丢失许多信息，但它的突出优点是计算简单。所以在一些控制要求不 高的场合，采用最大隶属度函数法是非常方便的。 ( 2 ) 重心法 重心法是取模糊隶属度函数曲线与横坐标未成面积的重心为模糊推理的最终输出 值棚：吒：掣。 i ，以( v ) 咖 m v k p ，饥) 对于具有所个输出量化级数的离散论域情况：v o = 皇- 一。 以以) i 胡 与最大隶属度法相比，重心法具有更平滑的输出推理控制，即对应于输入信号的微 小变化，其推理的最终输出一般也会发生一定的变化，且这种变化明显要比最大隶属度 函数法要平滑。 ( 3 ) 加权平均法 v f t 加权平均法的最终输出值是由式：= 号- 一决定的。 t l - l 这里的系数的选择要根据实际情况而定，不同的系数就决定系统有不同的响应特 性。当该系数岛取为力时，即取其隶属度函数值时，就转化为重一f i , 法了。在模糊逻 辑控制中，可以选择和调整该系数来改善系统的特性。 精确化计算的方法还有很多，如左取大、右取大、取大平均等。总的来说，精确化 计算方法地选择与隶属度函数地形状选择都是相关的。面积重心法对于不同的隶属度函 数形状会有不同的推理输出结果。而最大隶属度函数法对隶属度函数的形状要求不高。 大连理工大学硕十学位论文 综上分析可知，模糊控制的过程主要有三个步骤：模糊化过程、模糊逻辑推理、精 确化计算。 ( 1 ) 模糊化过程通过传感器把控制对象的相关物理量转换成电量，若传感器的输 出量是连续的模拟量，还要通过a d 转换将该模拟量转换成数字量作为计算机的输入测 量值，再将此输入测量值进行标准化处理，即把其变化范围映射到相应论域中，再将论 域中的该输入数据转换成相应语言变量的术语，并构成模糊集合。由此才能用检测到的 输入量作为模糊控制规则中的条件来运用模糊控制规则进行推理。完成这部分功能的模 块就称为模糊化接口。 ( 2 ) 模糊逻辑推理根据实现已经制定好的一组模糊条件语句构成的模糊控制规 则，运用模糊熟悉理论对模糊控制规则进行计算推理，实际上根据模糊控制规则对输入 的一系列条件进行综合评估，以得到一个定性的用语言表示的量，这个结果只给出了一 个确定的输出范围，即所谓模糊输出量。完成这部分功能的模块就称作模糊推理机。 ( 3 ) 精确化计算显然模糊输出量是不能直接去控制执行部件的，再这确定的输出 范围中，还必须要确定一个认为最具有代表性的值作为真正的输出控制量。这就是精确 化计算。 模糊温度控制器的研究 3 模糊温度控制器的硬件设计 3 1 系统总体设计 本系统的硬件设计分为两大部分，分别以单片机p i c l 8 f 2 5 2 与a t 8 9 c 5 2 为核心控 制器，主要包括控制电路，测温电路，l e d 显示电路，键盘电路等等。 其硬件总体结构框图如图3 1 所示。此控制器的控制对象是一个功率电阻，电阻的 温度由p t l 0 0 铂电阻温度传感器检测并通过测温电路变换放大至0 - 5 v 电压，送入 p i c l 8 f 2 5 2 单片机的a d 转换端口a n 0 。p i c l 8 f 2 5 2 一方面将所得的值通过串行通信接 口( s c i ) 传给a t 8 9 c 5 2 ；另一方面将该温度值与被控制值进行比较，根据其偏差值的大 小，采用模糊控制算法进行运算，控制固态继电器在控制周期内的通断占空比( 即控制 电阻平均功率的大小) ，进而达到对电阻温度进行控制的目的。单片机a t 8 9 c 5 2 把接 收过来的信号用l e d 数码管显示出来，键盘中断用来设定需要控制的温度值。 通讯数据 蓦一 a d 1 1 通讯数据 i加rx1 i p l g l f l | f ：2 5 2a l f l 龀f i 2 图3 1 模糊温度控制系统的整体结构框图 f i g , 3 1 s y s t e mb l o c kd i a g r a mo f f u z z yt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m 3 2 主控模块的器件选型与设计 3 2 1 单片机的选择 p i c 系列单片机是美国m i e r o c h i p 公司推出的一种新型高性能的8 位系列单片机微 控制器，体现了现代单片微控制器发展的新趋势，目前深受用户欢迎，正在逐渐成为单 大连理工大学硕士学位论文 片机世界的一种新潮流【2 3 l 。p i c 的名称是p e r i p h e r a li n t e r f a c ec o n t r o l l e r ( 外围接口控制器1 的缩写。由此可以清楚地知道p i c 单片机的市场定位。从p i c 单片机的问世到快速普及， 并为业界广为采用，最主要的原因是它具有完整的单片机系列芯片，可以让使用者根据 不同需求选择最合适的单片机芯片；通常无需再外扩程序存储器、数据存储器和a d 转 换器等外部芯片，这真正体现了单片机的“单片”特性，并具有实用、低价、省电、高 速、体积小、驱动强等特点，因此目前在国内市场上，p i c 系列单片机得到了广泛的应 用。控制模块需要引脚不多，但性能要求高，所以选用p i c l 8 f 2 5 2 。 a t 8 9 c 5 2 是美国a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s8 位单片机，是m c s 5 l 单片机的改造型。具有高速度，低价格，低功耗，低电压工作，抗干扰能力强等特点。 a t 8 9 c 5 2 ( 简称8 9 c 5 2 ) 的广泛使用，使单片机的价格大大下降。目前，8 9 c 5 2 的市场 零售价已经低于8 2 5 5 、8 2 7 9 、8 2 5 3 、8 2 5 0 等专用接口芯片中的任何一种：而8 9 c 5 2 的 功能实际上远远超过以上芯片。因此，如把8 9 c 5 2 作为接口芯片使用，在经济上是合算 的。 3 2 2p i c l 8 f 2 5 2 与a t 8 9 c 5 2 单片机简介 p i c 2 5 2 是m i c r o c h i p 公司的一款单片8 位带l o 位a d 的2 8 引脚高性能增强型闪存 单片机。单片机具有如下特性： 1 ) 优化的c 语言编译器架构指令集一源代码与p i c l 6 指令集和p i c l 7 指令集 兼容 2 ) 程序存储器线性寻址达3 2k b 3 ) 数据存储器线性寻址达1 5k b 4 ) 片内程序存储器闪存3 2 k , r a m l 5 3 6b y t e s ，e e p r o m2 5 6b y t e s 5 1 高达1 0 m i p s 的操作： 一d c - - 4 0m h z 振荡器时钟输入 一4 m h z - 1 0 m z 振荡器，带p l l 的时钟输入 6 11 6 位宽的指令总线，8 位宽的数据总线 7 ) 中断优先级 8 18 8 单周期硬件乘法器 外设特性： 1 1 高灌电流拉电流2 5m a 2 5m a 三个外部中断引脚 3 ) t i m e r 0 模块：带8 位可编程的预分频器的8 位1 6 位定时器计数器 模糊温度控制器的研究 t i m e r l 模块：1 6 位定时器，计数器 5 ) t i m e r 2 模块：带8 位周期寄存器( 作为p w m 时基) 的定时器计数器 6 ) t i m e r 3 模块：1 6 位定时器计数器 7 ) 副振荡器时钟选项：t i m e r i f f i m e r 3 8 ) 两个捕捉比较p w m ( c c p ) 模块。c c p 引脚可以配置为： 捕捉输入：捕捉为1 6 位， 最大分辨率为6 2 5l l s ( t c y 1 6 ) 一比较为1 6 位，最大分辨率为1 0 0 n s ( t c y ) - p w m 输出：p w m 分辨率为l 到l o 位， 8 位分辨率时最大p w m 频率为1 5 6k h z 1 0 位分辨率时最大p w m 频率为3 9k h z 9 ) 同步串行e l ( m a s t e rs y n c h r o n o u ss e r i a lp o r tm s s p ) 模块，两种操作模式： 一3 线s p i t m ( 支持所有的4 种s p i 模式1 - - 1 2 c t m 主从模式 l o ) 寻址的u s a r t 模块： 一支持r s - 4 8 5 和r s - 2 3 2 1 1 ) 并行从动端口f l a r a u e ls l a v ep o r t ，p s p ) 模块 特殊单片机特性： 1 ) 增强型典型闪存程序存储器可擦写1 0 0 ，0 0 0 次 2 ) 数据e e p r o m 存储器可擦写1 ，0 0 0 ，0 0 0 次 3 ) 闪存数据e e p r o m 保存期大于4 0 年 4 ) 软件控制下可自行再编程 5 ) 上电复位0 0 w e r - o n r e s e tp o r ) 、上电延时定时器f l o w e r - u p t i m e r , p w r a 3 和振 荡器起振定时器( o s c i l l a t o rs t a r t u pt i m e ro s t ) 6 ) 带有独立的片内r c 振荡器的看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ，w d t ) 可保证运行 可靠 7 ) 可编程代码保护 8 ) 省电的体眠模式 用户可选的振荡器包括： 4 倍锁相环( 用于主振荡器) 一3 2 k 日z 副振荡器时钟输入 大连理工大学硕士学位论文 l o ) 由5 v 单电源供电，通过两引脚电路进行在线串行编程( i n c i r c u i ts e r i a l p r o g r a m m i n g t m ，i c s p t m ) 11 ) 通过两引脚进行在线调试( i n c i r c u i td e b u g ，i c d ) c m o s 技术： 1 ) 低功耗高速闪存e e p r o m 技术 2 ) 全静态设计 3 ) 宽工作电压范围( 2 o v 到5 5 v ) 4 ) 工业级温度范围和扩展级温度范围 5 ) 低功耗： 一在5 v 。4 m h z 时，典型值小于1 6 m a 一在3 v ，3 2 k h z 时，典型值为2 5 u a - d , 于0 2na 的典型待机电流。 a t 8 9 c 5 2 简介： a t 8 9 c 5 2 是美国a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含 8 kb y t e s 的可反复擦写的f l a s h 只读程序存储器和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器 ( r a m ) ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准m c s 5 1 指 令系统及8 0 5 2 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器( c p t 0 和f l a s h 存储单元，功 能强大a t 8 9 c 5 2 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。 主要性能参数： 1 ) 与m c s 5 1 产品指令和引脚完全兼容 2 ) 8 k 字节可重擦写f l a s h 闪速存储器 3 ) 1 0 0 0 次擦写周期 4 ) 全静态操作：0 h z - - 2 4 m h z 5 ) 三级加密程序存储器 回2 5 6 x 8 字节内部r a m 7 ) 3 2 个可编程i o 口线 8 ) 3 个1 6 位定时，计数器 9 ) 8 个中断源 1 0 ) 可编程串行u a r t 通道 1 1 ) 低功耗空闲和掉电模式 模糊温度控制器的研究 3 2 3 主控电路设计 p i c i s