（计算机系统结构专业论文）中介调节算法及其在嵌入式控制系统中的应用.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 研究方向：送基撞苤毽墓查垣值虫的座旦 作 者：型坦王级硕士研究生猩猩 指导教师： 送蕴教授 题 目：中介调节算法及其在嵌入式控制系统中的应用 英文题目：m e d i u mr e g u l a t i o na l g o r i t h ma n di t sa p p l i c a t i o ni n e m b e d d e ds y s t e m 主题词：中介逻辑，真值程度，度量，调节，算法，嵌入式系统 k e y w o r d s ：m e d i u ml o g i c ，t r u t hs c a l e ，m e a s u r i n g ，r e g u l a t i o n ，a l g o r i t h m ， e m b e d d e ds y s t e m 、 。 ，l 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 在嵌入式控制领域，调节方法一直是人们高度关注的问题，特别是在调节对象具有复 杂的非线性、时变而且又有大的滞后的系统，在调节的过程中可能会出现不确定性和不精 确性的问题。本文基于处理模糊现象的中介逻辑及中介真值程度度量方法研究调节算法， 力求为调节系统提供一种新的调节方法。 首先简要介绍了嵌入式系统和调节算法的研究现状，接着对中介数学的理论基础进行 了介绍，并分别阐述了一维情形和对称数值区域的中介真值程度度量方法。 结合传统的自动控制理论，以中介真值程度度量方法为工具，提出了中介调节算法。 区分物量的正负对立面，将受控物量大小、高低、多少的输入量转化为具有中介的反对对 立面，即建立真值区域；接着构造具体应用的距离比率函数，按照距离比率函数对受控物 量的采样值进行真值程度度量，最后根据真值程度值确定输出调节量。 描述了中介调节器的结构并介绍了中介调节器的设计方法。实用角度出发本文采用二 维中介调节器结构，即以误差、误差变化率为输入变量。 为了验证设计的中介调节算法的正确性和有效性，设计了一个嵌入式温度调节系统， 并对其进行了具体的软硬件设计和调试。实验结果表明本文所提出的中介调节算法，不需 要被控对象的精确数学模型，在参数不确定、惯性大和滞后的水温调节控制系统中工作稳 定、可靠性高、适应性好。 关键词：中介逻辑，真值程度，度量，调节，算法，嵌入式系统 j 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i ne m b e d d e dc o n t r o lf i e l d ，r e g u l a t i o nm e t h o dh a sa l w a y sb e e na g r e a tc o n c e m ，p a r t i c u l a r l y w h e nc o n t r o lp l a n t sw i t hf a c t o r so fc o m p l e xn o n l i n e a rc a p a c i t y ，p a r a m e t e rt i m e v a r y i n ga n d l a g g i n g ，u n c e r t a i n t ya n di m p r e c i s i o np r o b l e m sm a ya p p e a ri nr e g u l a t i n gp r o c e s s t h i st h e s i s r e s e a r c h e sr e g u l a t i o na l g o r i t h mw i t ht h ef o u n d a t i o n o fm e d i u ml o g i c d e a l i n gw i t hf u z z y p h e n o m e n o na n dm e a s u r i n go fm e d i u mt r u t hs c a l e ，a n dt r i e st op r o v i d ean e wr e g u l a t i n g m e t h o d s a b o v ea l lt h et h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h es t u d yo fc u r r e n tc o n d i t i o n so ft h ee m b e d d e d s y s t e ma n dt h er e g u l a t i o na l g o r i t h m i tt h e r e a f t e ri n v e s t i g a t e si n t ot h et h e o r yo fm e d i u m m a t h e m a t i c sa n de x p l o r e st h ee v a l u a t i o nm e t h o d so ft h em e d i u mt r u t hs c a l eb o t hi no n e d i m e n s i o na n ds y m m e t r i c a lz o n e c o m b i n i n gw i t ht h et r a d i t i o n a la u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y , t h er e s e a r c hg e n e r a t e sm e d i u m r e g u l a t i o na l g o r i t h mu s i n gm e a s u r i n go ft h em e d i u mt r u t hs c a l em e t h o d i tf i r s t l yd i s t i n g u i s h e s p h y s i c a lq u a n t i t yi n t ot w os i d e s ，p o s i t i v eo rn e g a t i v e ，a n dt h e nt u r n st h ei n p u to fc o n t r o lp l a n t s ， s u c ha sb i ga n ds m a l l ，h i g ha n d l o w , m a n ya n df e w , a n ds of o r t h ，i n t ot w om e d i u mo p p o s i t es e t s ， t h a ti s ，t oe s t a b l i s ht h et r u t ha r e a a f t e r w a r d si tc o n s t r u c t st h ed i s t a n c er a t i of u n c t i o nf o rs p e c i f i c a p p l i c a t i o nt om e a s u r et h et r u t hs c a l eo fc o n t r o lp l a n t s ，a n dl a s t l yd e t e r m i n e st h eo u t p u tb yt h e t r u t hs c a l e t h et h e s i sa l s od e s c r i b e st h es t r u c t u r eo fm e d i u mr e g u l a t o ra n di n t r o d u c e s t h ed e s i g n a p p r o a c ho fm e d i u mr e g u l a t o r t a k i n gp r a c t i c a l i t yi n t oa c c o u n t ，t h et w o d i m e n s i o n a lm e d i u m r e g u l a t o rw h i c ht a k e se r r o ra n de r r o rc h a n g er a t ea si n p u ti si m p l e m e n t e d i no r d e rt o v e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so fm e d i u mr e g u l a t i o na l g o r i t h m ，t h e t h e s i ss e t su pa ne m b e d d e dt e m p e r a t u r er e g u l a t i o ns y s t e ma n dd e s i g n st h ec o n c r e t eh a r d w a r e a n ds o f t w a r e t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h md o e s n tr e q u i r et h ea c c u r a t e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dw o r k ss t a b l e ，r e l i a b l ea n da d a p t a b l ei nw a t e rt e m p e r a t u r er e g u l a t i n g s y s t e mw i t hp a r a m e t e ru n c e r t a i n t y , i n e r t i aa n dl a g g i n g k e y w o r d s ：m e d i u ml o g i c ，t r u t hs c a l e ，m e a s u r i n g ，r e g u l a t i o n ，a l g o r i t h m ，e m b e d d e ds y s t e m 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 嵌入式控制系统简介1 1 2 调节算法研究现状2 1 3 论文的研究意义和主要研究内容5 1 4 文章的组织安排5 第二章中介数学系统简介一7 2 1 中介概念7 2 2 中介原则8 2 3 中介真值程度的度量8 2 3 1 基本概念8 2 3 2 一维情形的真值程度的度量8 2 3 3 对称数值区域中介真值程度的度量 9 2 4 本章小结” 第三章中介调节算法1 2 3 1 中介调节算法基本思想1 2 3 2 中介调节算法1 4 3 3 中介调节器1 5 3 3 1 中介调节器结构1 5 3 3 2 中介调节器设计方法1 6 3 4 本章小结1 7 第四章基于中介调节的水温调节器设计1 8 4 1 总体方案设计1 8 4 。1 1 系统组成和功能划分1 8 4 1 2 基于中介真值程度度量的水温调节器的设计思想1 9 4 2 硬件设计2 0 4 2 1 微控制器2 0 4 2 2 温度检测电路设计2 2 4 2 3 通信接口电路设计2 4 4 2 4 控制输出电路设计2 5 4 3 软件设计一2 6 4 3 1 通信协议设计2 7 4 3 2 开发语言和开发环境2 7 4 3 3 系统软件总体结构2 9 4 3 4 主程序模块2 9 4 3 5 初始化程序模块3 0 4 3 6 通信模块3 1 4 3 7 温度采集模块3 2 4 3 8 中介调节模块3 3 4 4 系统抗干扰设计3 5 4 4 1 硬件抗干扰设计3 6 4 4 2 软件抗干扰设计3 8 4 5 本章小结4 0 第五章系统调试及运行的分析4 1 5 1 系统调试4 1 | l i 塑堡墅查奎堂堡主竺壅竺兰堡垒壅一 目录 - _ _ _ _ - - - 一一一 5 2 采样周期的选择4 2 5 3 中介调节算法实验结果及分析4 3 5 3 1 实验装置一4 3 5 3 2 实验结果及分析4 3 5 4 本章小结4 6 第六章结束语4 7 6 1 总结4 7 6 2 展望4 7 致谢4 8 参考文献4 9 在学期间的研究成果及发表的学术论文5 1 附录a 5 2 i v 1 3 1 的起点，到1 9 5 7 年它已发展成为一门相对独立的学科，在这一时期，控制过程的实现 主要依靠模拟电路和机械装置的组合。2 0 世纪5 0 年代以后，随着计算机和通信技术的发 展，计算机控制技术【4 】和系统逐渐进入工业控制领域，并且迅速成为主流技术。所谓计算 机控制技术就是利用计算机来实现人们对外在对象过程自动控制的技术，将自动控制系统 中的控制器的功能用计算机来实现就构成了典型的计算机控制系统。现在计算机控制技术 和系统已成为整个企业自动化的核心基础，它不仅直接用于生产的自动化监控，而且也是 企业上层管理信息系统的数据源和基础核心模块。常见的生产控制系统中的计算机控制系 统的核心控制器【5 1 主要有通用工业控制计算机工业p c 或i p c 、d c s 工控机“现 场工作站”、p l c 、嵌入式工控机。其中嵌入式控制系统更是由于其具有功耗低、可靠性 高、功能强大、性价比高、实时性强、面向特定应用，可根据需要灵活配置等特点获得了 广泛的应用。 通用调节系统模型如图1 1 所示，它的核心部分为调节器，除此以外还有输入输出接 口、执行机构、受控对象和传感器系统等四个部分组成。图1 1 中，“力为参考值，y ( o y 可 输出信号，p ( d 是误差信号，“( p 为经过标度变换的调节信号。 ( 1 ) 受控对象 1 南京邮电火学硕士移f 究生学位论文 绪论 它可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的、自然的、社会的、 生物的或其他各种状态转移过程。这些受控对象可以是确定的或模糊的、单变量或多变量 的、有滞后或无滞后的，也可以是线性的或非线性的、定常的或时变的，以及具有强耦合 和干扰等多种情况。 ( 2 ) 执行机构 除了电气的以外，如各类交、直流电动机，伺服电动机，步进电动机等，还有气动的 和液压的，如各类气动调节阀和液压马达，液压阀等。 ( 3 ) 调节器 调节器是各类自动调节系统中的核心部分。由于受控对象的不同，以及对系统静态、 动态特性的要求和所应用的调节规则或策略相异，可以构成各种类型的调节器。 ( 4 ) 输入输出接口 在实际系统中，由于多数受控对象的调节量及可观测状态量是模拟量。因此，调节系 统必须具有模数( a d ) 、数模( d a ) 转换单元。 ( 5 ) 传感器系统 它是将受控对象的各种非电量，如流量、温度、压力、速度、浓度等转换成电信号的 一类装置。通常由各类数字的或模拟的测量仪器、检测元件或传感器等组成。它在调节系 统中占有十分重要的地位，其精度往往直接影响整个系统的性能指标，因此要求其精度高、 可靠且稳定性好。 ! 。一。l 图1 1 中介调节基本原理 1 2 调节算法研究现状 早期的控制系统的控制策略主要是通过建立系统的数学模型，构建开( 闭) 环控制系 统，利用正( 负) 反馈回路对控制变量进行纠偏，再对变量进行相应的p i d 6 1 、p i 、p d 等调节，从而使系统获得稳定。但是，常规p i d 控制器本身存在的一些缺陷使得控制效 果不是很理想。在实际应用中，被控对象模型和扰动模型往往是不精确的，时变的，甚至 是不可知的。于是，对于具有一组固定参数的p i d 控制器来说，问题就出现了。首先， 2 两京邮电大学硕士研究生学位论文绪论 当被控对象模型与实际对象之间出现偏差时，根据原来模型确定的p i d 控制器参数通常 不再是最优的了。因此，当被控对象为不可知或者时变时，要确定最优p i d 控制器参数 变得十分困难。其次，p i d 控制器只借助于系统输出等反馈信息进行控制，对于具有延迟 特性的被控对象来说，由于反馈量往往不能及时地反映对象模型和扰动的变化，使得p i d 控制器输出总是不能跟上对象模型和扰动的变化，所以，常规p i d 控制器对于这类对象 的控制效果很不理想。再次，常规p i d 控制器的比例、积分和微分作用之间相互影响， 在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规p i d 控制器参数往往整定 不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。 科学技术日渐深化，研究对象也越来越复杂化，某些复杂的工业过程如工业锅炉、水 泥生产过程等被控对象在结构、规模上变得日益复杂化、大型化。控制系统具有多输入多 输出强耦合性、参数时变、非线性特性、变结构以及各种不确定性因素干扰，更突出的问 题是从系统对象所能获得的知识信息量相对不足、难以准确测量，使得建模比较困难或得 到的数学模型不精确1 7 j ，而人们对系统控制性能的要求却大幅度地提高，对于这样的系统， 无论是经典的还是现代的控制理论，实现控制的预期目标都比较困难。正如不相容原理【8 】 所阐述地那样：“当系统的复杂性增大时，则其精确化的能力将自然而然的降低，在达到 一定阈值时，复杂性和精确性将相互排斥。”由于系统的复杂性与所要求的精确性之间存 在尖锐矛盾，很多科学家提出了智能控制的思想，以1 9 8 7 年召开的第一届智能控制国际 会议为标志，智能控制己经开始成为一门新兴的学科。控制理论专家a u s t r o m 在智能控制 国际大会上指出：模糊逻辑、神经网络与专家系统是三种典型的智能控制方法阴。 ( 1 ) 模糊逻辑 模糊控制是智能控制研究中最为活跃而又富有成果的领域，涌现出众多新的模糊控制 技术和方法并得以广泛应用。模糊集合( f u z z ys e t s ) b o 】概念最先由美籍伊朗学者l a z a d e h 提出并同时提供了一种相对合理的处理方法，即采用隶属度函数处理模糊现象。模糊集合 的引入，可将人类的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，从而使更为复 杂的系统得到合乎实际的、符合人类思维方式的处理成为可能，在此理论基础上，英国伦 敦大学的e h m a m d a n i 第一次成功地将模糊逻辑和模糊推理用于锅炉和蒸汽机的控制， 自此模糊控制【d 8 1 正式得到实际应用。模糊控制不需要精确的数学模型，因而是解决不 确定性系统控制的一种有效途径。此外，模糊逻辑是柔性的，对于给定的系统很容易处理 以及直接增加新的功能，易于与传统的控制技术相结合。但是由于模糊数学的应用者需要 凭借经验建立隶属函数，所以带有很强的主观性在所难免，同时单纯的模糊控制也存在精 度不高、易产生极限环振荡等问题。针对模糊数学的基础薄弱的状况，一些学者也曾付出 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论 努力，相信模糊数学在理论研究和应用实践的过程中会不断地扬弃，逐步地完善。 ( 2 ) 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a n n ) 1 9 】 人工神经网络，亦称为神经网络( n e u r a ln e t w o r k s ，n n ) ，是由大量处理单元( 神经 元n e u r o n s ) 广泛互连而成的网络，是对人脑的抽象，简化和模拟，反映人脑的基本特性。 它与人脑的相似之处概括为两个方面：j 是通过学习过程利用神经网络从外部环境中获取 知识；二是内部神经元( 突触权值) 用来存储获取的知识信息。由于神经网络信息的分布 存储，并行处理以及自学习能力等优点，所以它在信息处理，模式识别，智能控制等领域 有着广阔的应用前景。 ( 3 ) 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 2 0 】 专家系统是具有专门领域专家水平的知识，并能像专家一样工作的智能程序系统。它 应用人工智能( a i ) 技术，根据人类专家提供的特殊领域知识进行推理，模拟人类专家的思 维过程来解决那些需要专家才能解决的复杂问题。1 9 6 5 年斯坦福大学开始建立用于分析 化合物内部结构的d e n t r a l 系统，首先使用了“专家系统 的概念。7 0 年代末，该校 又研制成功了著名的医疗系统m y c i m 和用于矿藏勘探的p r o s p e c t o r 系统，推动了专 家系统的开发研究和应用。8 0 年代，专家系统的研究开发进入了高潮，应用范围涉及到 工业、农业、国防、教育及教学、物理、控制等许多领域。在控制系统辅助设计、故障诊 断和系统控制等方面得到了推广应用。专家系统的研究发展，促进了人工智能科学的进步， 也使专家系统本身成为人工智能科学的一个重要分支领域。 近年来，智能控制逐渐呈现出由常规控制理论、模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗 传算法和各种优化技术等互相融合发展，综合应用的趋势，它们之间的相互补充可以增强 彼此的能力，从而获得更有力的表示和解决实际问题的能力，如文献 2 l 】根据免疫反馈原 理采用模糊规则设计了一种具有模糊结构的免疫p i d 控制器，实现了人工免疫调节，解 决了传统模糊控制由于隶属函数和模糊规则选取不当造成的控制缺陷；文献 2 2 】使用基于 一阶t s 模型的a n f i s 模糊神经网络建立钢坯出炉表面温度的预报模型，网络结构采用 聚类和网格相结合的结构，学习算法采用离线的混合学 - q 规则：文献 2 3 提出利用遗传算 法辅助设计和优化b p 神经网络，进行模拟电路故障诊断；文献 2 4 】通过遗传算法对模糊 控制器控制规则进行优化，消除了模糊控制规则选取的主观因素，实现了模糊控制器的优 化设计；文献【2 5 】总结了近年来智能控制中的神经网络与p i d 控制器结合的主要研究成 果，并探讨了将神经网络和常规p i d 控制相结合的研究方向，同时对其在电厂热工控制 过程中的应用作了展望。以上的应用研究都体现了这种融合的优点。随着模糊控制、神经 网络和遗传算法的交叉、融合，必将给智能控制的发展提供更多的技术和工具，使智能控 4 堕塞唑璺奎兰堕主堕垄竺兰垡笙茎堑笙 制技术不断完善，性能更加优越，更好地解决生产中的实际问题。 1 3 论文的研究意义和主要研究内容 在自动控制领域里，如果被调节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，在处理的过程中可能会出现不确定性和不精确性的问题。 中介数学系统是一种处理信息的含糊和不确定性问题的工具，在本文中首次被引入到 调节系统中，力求为处理调节系统中的模糊现象提供一种新的方法和技术。 论文的主要研究内容有以下两个方面： ( 1 ) 中介调节算法设计 算法设计主要包括两个方面的内容，即输入量的真值程度度量和输出量的标度变换。 把输入量的数值区域运用距离比率函数与不同的真值分别对应起来，然后计算真值程度值 所表示的调节量值，最后将结果送到输出接口。 ( 2 ) 中介调节算法在嵌入式控制系统中的实现 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，并对其进行测量和调节，使被测对象达到并保持在某一设定的温度范 围内，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，因此要进行恒温调 节。本文设计的水温调节系统具有很大的滞后性，是比较具有代表性的温度调节系统。中 介温度调节器很好地针对此被测对象进行了恒温调节，对于以后研究各种温度调节系统具 有重要意义。 1 4 文章的组织安排 本课题以中介数学系统为基础，以中介真值程度度量方法为工具设计了用于处理调节 系统中模糊现象的中介调节算法，并具体地将中介调节算法应用于基于嵌入式微控制器 c 8 0 5 1 f 3 3 0 和热电阻c u 5 0 的温度调节系统中，从而实现了对水温的中介调节。依据水温 误差磊和水温误差变化率e ：计算出当前水温相对于设定温度的中介真值程度，根据真值 程度对输出参量进行调节，实验结果表明中介调节算法适应性好，鲁棒性强，取得了较好 的调节效果。本文共分六章，内容组织如下： 第一章绪论。简要介绍了嵌入式调节系统和调节算法的国内外相关研究动态，发展 趋势，同时陈述了课题的主要研究内容： 第二章中介数学系统简介。介绍了中介数学理论及其应用拓展，首先对中介数学的 理论基础进行了介绍，阐述了中介真值程度方法，在此基础上，介绍了将中介真值程度度 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 量拓展到对称的数值区域中的方法，然后讨论了假数值区域位于真数值区域两侧时，中介 真值程度的数值化度量方法及相应的距离比率函数； 第三章中介调节算法。介绍了中介调节的基本思想和基本原理，以中介真值程度度 量方法为工具漫计了对调节系统具有一般通用性的中介调节算法，最后详细论述了中介调 节器的结构和设计方法； 第四章基于中介调节的水温调节器设计。详细介绍了基于c 8 0 5 1 f 3 3 0 的水温调节系 统的软硬件设计，并对嵌入式系统中可能出现的软硬件干扰进行了归纳总结，给出了相应 地处理方法： 第五重系统调试及运行的分析。本章将中介调节算法用于第四章设计的水温调节系 统中，首先将软硬件分开按照各个模块单独调试，在各部分都调试通过后再将软硬件结合 在一起联调，最后对实验结果进行分析讨论； 第六章结束语。对全文进行总结，并提出一些有待改进和进一步研究的问题。 6 础和集合论基础，为描述、研究和处理模糊性现象提供了新的数学工具，但其所进行的是 在数学基础理论意义下纯理论研究，不便于应用。2 0 0 6 年，有学者从应用角度出发提出 了“中介真值程度的度量方法【3 l 】【3 2 】，这是一种对中介逻辑演算系统的模糊否定词、真值 程度词的真值程度进行数值化处理的方法，较好的完成了中介数学从纯理论研究到实际应 用的转变。目前“中介真值程度的度量”方法已见有在数字图像处理、网络应用、计算机系 统结构和评价等领域成功应用的报道。 2 1 中介概念 3 3 1 自a r i s t o t l e 以来，形式逻辑就区分了矛盾对立和反对对立。若两个概念中的一个内涵 否定另一个内涵，则称它们是一对矛盾对立概念，如：好与不好、正常与非正常：若两个 概念都有其自身的肯定内容，并在同一内涵的一个更高级的概念中，它们之间存在着最大 差异，则此两个概念就是一对反对对立概念，如：好与坏、大与小等。然而，自然界中的 所有事物并不都是“非此即彼”，也存在( 而且是大量地存在) “亦此亦彼”的现象，如黎明 既是黑夜也是白昼，半导体既非导体也非绝缘体，这“亦此亦彼”正是由此至彼或从彼至此 的中介过渡。 。 记p 为谓词( 概念或性质) ，x 为任一变元，尸表示变元x 完全具有性质p 。符号” 称反对对立否定词，读作“对立于”，把谓词p 的反对对立面记为：1p ，则p 与= 1p 就抽象地 南京邮电大学硕士t o f 究生学位论文中介数学系统简介 表示了一对反对对立概念；符号“”称模糊否定词，解释并读作“部分地”。对于尸和= 1p ， 若变元x 满足p ) & ：1 尸 ) ，则称x 为p 与：1p 的中介对象，此处& 为自然语言中的“并 且”或“与”的简记。 2 2 中介原则【3 3 1 中介数学系统贯彻始终的中介原则是：存在着这样的谓词p 和对象x ，使得p 0 ) 和 ：1 尸o ) 都部分地真。这里包含两层含义：一是认为并非任何反对对立面都没有中介，二是 不主张任何反对对立面都有中介。值得强调的是：若存在中介对象，一定存在反对对立的 两个方面。 2 3 中介真值程度的度量 2 3 1 基本概念【3 1 1 ( 1 ) 超态概念 在现实世界除了有大量的模糊现象存在于真假间之外，往往还有超真超假的现象。譬 如，拓宽反对对立概念后，就有更大与更小、更好与更坏等等。我们用符号+ 表示“更”这 一超态概念。如此，十尸表示比p 更p ，= 1 + p 表示比：1p 更：1p 。如此，有相应的真值集合 t r u t h = t 。t ，m ，f ，乳o ( 2 ) 距离概念 设么是非空集合，对任意的口，6 4 ，唯一实数d ( a ，6 ) 与之对应，且满足对任意的a ，b ， c 彳， ( 1 ) d ( a ，6 ) 2 d ( b ，口) ； ( 2 ) d ( a ，6 ) o ，d ( a ，6 ) = 0 当且仅当a = 6 ； ( 3 ) d ( a ，6 ) + 硪6 ，f ) d ( a ，c ) 则称d 是4 中的距离本文采用欧氏距离，即 d ( 口，6 ) ：f 杰( q 一6 j ) 2 2 ( 2 1 ) i = 1】 其中口，b er 厅，r n = 口= ( 口，口。) ia t r ( 1 区n ) ) 在一维情形下，吠口，6 ) = l a - b 1 2 3 2 一维情形的真值程度的度量 个体x 相对于p 或= 1p 的真值程度，采用距离的概念，并把与尸对应的数值区域的 长度作为参照，对象工相对于p 的真值程度越高，翮离= 1p 对应的数值区域越远。在“真 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 中介数学系统简介 数值区域”t ，铆是谓词p 的研标准度；在“假”数值区域f ，诉是= 1p 的印标准度。将各个 数值区域与谓词的不同真值分别对应起来，如图2 1 所示。 ： + p：l 尸?尸+ 尸 。 广。l - 、厂人1 广l 吖一服) a r ffa f + s fa r ra ta 丁+ 研 图2 1数值区域与谓词的对应关系 定义2 1 相对于p 的距离比率函数矗r ：氕的枷，当取尸触) 吼d 时，有 k ( y ) = 相对于= 1p 的距离比率函数k ：氕的一r ，当取尸似) 只的时，有 h ，( y ) = 空! 兰：! 互：三互2 a ( a r 一r ，口f + e f ) l 垡! ! ：竺! 二! ! ! d ( a r 一占r ，口f 一占f ) 用h 表示办7 或h f ，并称之为距离比率函数。对象x 相对于p 的真值程度越高，办r 的 值越大；对象x 相对于：1p 的真值程度越高，h f 的值越大。 2 3 3 对称数值区域中介真值程度的度量【3 4 】 在图2 1 所刻画的数值区域与谓词的对应关系中，对应于“真数值区域”的右侧是“超真 数值区域”，而左侧依次是“中介数值区域”，“假数值区域”，“超假数值区域”。在应用中， 会遇到对应于“真数值区域”的左右两侧都是“假数值区域”，并且在“真数值区域”和“假数 值区域”的中间存在“中介数值区域”的情况；或者对应于“假数值区域”的左右两侧都是“真 数值区域”，并且在“真数值区域”和“假数值区域”的中间存在“中介数值区域”的情况。 9 一一 。 一一一 。 一一 岛一+ 筹 盟竹 o d r 一一口一d 南京邮电大学硕士研究生学位论文 中介数学系统弼介 ( 1 ) 假数值区域位于真数值区域两侧时，中介真值程度的度量 定义2 2 设q 为一谓词，= 1 吼是谓词q 的左反对对立面，= 1 鳊是谓词q 的右反对对 立面，且存在过渡q 表示中介对象部分地具有q 与：1q l 的特性，过渡：1q | r 表示中介对象 部分地具有q 与= 1 级的特性，= 1 + 甄表示比：1q l 更：1 仇，= 1 + 9 只表示比= 1q r 更= 1q r 。 定义2 3 设钎是谓词q 的印标准度，吼是谓词：1 纽的吼标准度，咖是谓词= 1q r 的钒标准度。 将各个数值区域与谓词的不同真值分别对应起来，如图2 2 所示。 图2 , 2 假数值区域位于真数值区域两侧时，数值区域与谓词的对应关系 定义2 4 相对于q 的距离比率函数：h7 ：氕枷，当取尸似) 们时，有 h r ( y ) = af l sf l s y s 口f l + f l 未掣譬立鲁乓口凡+占凡y口，-grd( 口r 一占r ，口凡+ e ，l ) 。 a t + s f y 证f + sf t 相对于= 19 的距离比率函数h f ：氕的一r ，当取尸他) 以的时，有 警 f 吖 血一 。 一一一 。 一一 。 一 。 一一 南京邮电大学硕士研究生学位论文中介数学系统简介 瓦丝 生 y口凡-efld ( 口r s r ，口n 一占凡) 。 1 瑾f l s f l y s af l + 丛!二j熙口，。+，。y口，一占，d(a t 一t ，af l + s 小 “j| o ：再：j 三兰；立生口，+ ， j ， 口邝+ 占期d (a r r + f - p r ，口r + 占r ) 。“ 其中讹缈即为式( 2 1 ) 所定义的欧氏距离，在一维情况下d 向b ) = l a b i 。对象x 相对于 q 的真值程度越高，j i z 7 的值越大；对象x 相对于：1q 的真值程度越高，缸的值越大。 ( 2 ) 真数值区域位于假数值区域两侧时，中介真值程度的度量 真数值区域位于假数值区域两侧情形下，数值区域与谓词的对应关系、相对于q 的 距离比率函数、以及相对于= 1q 的距离比率函数与假数值区域位于真数值区域两侧时类 似，感兴趣的读者可以自己推出，此处从略。 2 4 本章小结 本章首先对中介数学的理论基础进行了介绍，紧接着阐述了中介真值程度的数值化度 量方法，最后重点介绍了中介真值程度的拓展研究对称数值区域的真值程度度量。对 称数值区域的真值程度度量又可分为两种情况：一是假数值区域位于真数值区域两侧时的 中介真值程度的数值化度量：另一个是真数值区域位于假数值区域两侧时的中介真值程度 的数值化度量。在详细介绍对称数值区域的真值程度度量同时，还给出了假数值区域位于 真数值区域两侧情况下的距离比率函数。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 中介调节算法 第三章中介调节算法 3 1 中介调节算法基本思想 传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综 合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上，但是在实际工业生产中，影响系统 的因素很多，十分复杂，建立既有足够的精确性又便于分析的数学模型特别困难，甚至是 不可能的，这就使得现代控制理论的应用受到了限制。 然而，在生产或生活的实践中人们可以采用手动控制方式来达到控制某一对象运动状 态的目的，一个熟练的操作人员能够根据系统运行某一时刻的温度、压力，以致颜色、气 味等，做出判断和响应，最终获得较好的人工控制效果。例如锅炉加热的过程中，操作人 员通过仪表观察到锅炉温度的变化，根据他们所积累的知识和操作经验，做出决策，并采 取相应的操作动作。若炉温“偏高”或“偏低”，就要适当调整鼓风机速度、风门大小、冷水 循环速度等等，从而使炉温始终控制在规定的范围内，这里操作人员对锅炉炉温的调节就 包含了人的智能行为，依靠的是定性或模糊的知识，这里显然并不是按照某种调节算法加 以精确地计算，而且人也不可能有这样的记忆和计算能力在极短的时间内完成较为复杂的 计算，这种控制方式并不依赖于数学模型，仅依赖于人的经验积累、感觉和逻辑判断。 由此得到启发，将由人脑中的逻辑判断对受控物量大小、高低、多少的调节转化为具 有中介的反对对立面，然后对其进行量化，进而采用距离比率函数对受控物量的真值程度 进行度量，再根据度量值确定输出，从而代替人对复杂的生产过程进行调节，这种调节方 法就是中介调节。 在实际应用过程中，物量的控制目标值通常位于最大调节量和最小调节量之间。若调 节后物量达到目标值则调节目的达到；若调节后物量值比目标值大( 或小) ，则仍需对物 量继续调节。因此可采用具有对称数值区域的中介真值程度度量方法度量物量的取值范 围，如图3 1 所示，记谓词c o ) 表示x 为目标物量，= 1qg ) 表示x 为目标物量负对立面， = 1og ) 表示x 为目标物量正对立面，存在过渡q0 ) 表示x 介于目标物量与负对立面之 间，oo ) 表示x 介于目标物量与正对立面之间，将采样值的各个数值区间对应于谓词的 不同的真值区域gc l ，q ，c ，c _ ，：1c m ) ，并建立对应于c 与：1q 的标准度吼和吼， 以及对应于c 与= 1o 的标准度啪和铆。其中 坼一勺，吩+ 唧】是以目标值为中心的邻域， 【口凡一c f l , 口脉+ 】为调节物量取值范围。 】2 南京邮电大学硕士研究生学位论文中介调节算法 图3 1调节物量与谓词间的对应关系 根据图3 1 和式( 2 4 ) ，可以得到相应的距离比率函数： ( 工) 二 0 工在与1c 。对应的数值区域内 j 在与一c 。对应的数值区域内 x 在与c 对应的数值区域内( 3 1 ) 乇吐 j 在与c h 对应的数值区域内d ( 口r + 占r ，口州一占，) 。 。 o 工在与1c 对应的数值区域内 距离比率函数乃0 ) 的值确定了点x 接近目标物量的程度。设物量处于正对立面时，输 出的最大调节值为m a x h ；而当物量处于负对立面时，输出的最大调节值为m a x ，则： 当矗= 1 ，表示物量x 达到目标值，进行调节时，固定输出为1 2 ( m a x h + m a x t ) ； 当向 ) = 0 ，表示物量x 处于正对立面，或负对立面，应以最大调节量调节输出。当物 量工处于负对立面时，调节输出为m a x ，而当物量x 处于正对立面时，调节输出则由m a x 确定。 当i i l 0 ) 符号为“+ ”，即0 庇g ) 1 时，表示物量x 介于物量负对立面与目标值之间。 当物量x 介于物量负对立面与目标值之间时，调节时输出由( 1 一h ( x ) ) m a x ，计算得到； 当 g ) 符号为“一”，即1 办0 ) o 时，表示物量x 介于物量正对立面与目标值之间。 当物量工介于物量正对立面与目标值之间时，调节时输出则由( 1 + h ( x ) ) r n a x 。确定； 综上所述，记d 0 ) 表示由x 所确定的调节输出，则 p ( j ) = ( 1 一 ( j ) ) m a x ，工在与c 或1c 对应的数值区域内 圭( m a x ，+ m a x ) 工在与c 对应的数值区域内 ( 1 + ( 工) ) m a x x 在与一c h 或1c 对应的数值区域内 式3 2 描述了由调节误差确定的中介调节系统输出，在下文我们将给出由调节误差和 1 3 警 蔷 中介调节算法 当o 矗0 ) l 、 确定输出。 ( 1 ) 由具体应用确