（电路与系统专业论文）基于fpga模糊控制器的设计.pdf

宁夏人学硕f ：学f 蕾论文 摘要 本文针对目前国内外基于i 固p g a 实现模糊控制器的理论、e d a 软件工具的使用以及f p g a 技术的发展，对模糊控制器的设计作了有益的探索，并达到了预期的实验效果。文章综述了模糊 控制理论的产生、发展、应用现状以及今后的发展方向；介绍了模糊逻辑、模糊控制的基本原理 和模糊控制器的结构；阐述了常规模糊控制器的设计过程。 文章介绍了运用v h d l 语言进行模糊控制器的设计过程。对模糊控制过程中隶属度函数的存 储采用了分段存储法，其设计方法简单，提高了运算速度和运算精度。 采用了“最大最小”函数法简化了模糊控制规则的推理过程。运用“倒数相乘法”实现除 法器的设计，能够实现任意数的除法运算，且精度较高。并以模糊空调温度控制器为例进行了理 论说明和模糊设计，并给出了相应的v - d l 代码。 整体设计及其各个模块都在a i , t e r a 公司的e d a r ：具q u a r t u sh 和m o d e l s i ms e 平台上进 行了逻辑综合及功能时序仿真，综合与仿真的结果表明，基于f p g a 的模糊控制器芯片消耗较少 的硬件资源，达到了较高的设计性能，在速度和资源利用率方面均达到了较优的状态，通过在 f p g a 开发板上的验证与测试，测试结果表明，所设计的模糊控制器可满足实时模糊控制的要求。 关键词：模糊逻辑模糊控制器v h d lf p g a 宁夏人学硕卜学位论丈 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei nv i e wo fp r e s e n td o m e s t i ca n df o r e i g nr e a l i z e st h ef u z z yc o n t r o l l e rt h e o r y , t h ee d a s o f t w a r et o o la sw e l la st h ef p g at e c h n o l o g yb a s e do nf p g a , h a sm a d et h eb e n e f i c i a le x p l o r a t i o nt o t h ef u z z yc o n t r o l l e r sd e s i g n ，a n dh a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e de x p e r i m e n te f f e c t t h ea r t i c l ef i r s t s u m m a r i z e dt h ef u z z yc o n t r o lt h e o r yp r o d u c t i o n ，t h ed e v e l o p m e n t ，t h ea p p l i c a t i o np r e s e n ts i t u a t i o na s w e l la sp r e s e n t sd e v e l o p m e n td i r e c t i o n ；i n t r o d u c e dt h ef u z z yl o g i c ，t h ef u z z yc o n t r o lb a s i cp r i n c i p l e a n dt h ef u z z yc o n t r o l l e r ss t r u c t u r e ；i n t r o d u c e dt h eb a s i cf u z z yc o n t r o l l e r sd e s i g np r o c e s s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dc a r r i e so nt h ef u z z yc o n t r o l l e r sd e s i g np r o c e s su s i n gt h ev h d l l a n g u a g e t h ed e g r e eo fm e m b e r s h i pf u n c t i o n sm e m o r yu s e dt h ep a r t i t i o nm e m o r yl a wt ot h ef u z z yc o n t r o l p r o c e s s ，t h ed e s i g nm e t h o dh a sb e e ns i m p l e ，r a i s e dt h eo p e r a t i n gs p e e da n dt h ep r e c i s i o n u s e d m a x - - m i n t h ef u n c t i o nm e t h o dt oc a r r yo nt h ef u z z yc o n t r o lr u l ei n f e r e n c et os i m p l i f yt h e i n f e r e n c ep r o c e s s r e a l i z e sd i v i d e r sd e s i g nu s i n g “c o u n t d o w np h a s em u l t i p l i c a t i o n ”，c a nr e a l i z et h e r a n d o mn u m b e rd i v i s i o no p e r a t i o n , a n dt h ep r e c i s i o ni s h g h a n dc a r r i e so nt a k et h ef u z z ya i r c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ra st h ee x a m p l et a k e sc a r eo ft h ed i s s e r t a t i o nb r i g h ta n dt h ef u z z y d e s i g n ，a n dh a sg i v e nt h ec o r r e s p o n d i n gv h d lc o d e t h eo v e r a l ld e s i g na n de a c hm o d u l ei nt h ep l a t f o r mh a v ec a r r i e do nt h el o g i cs y n t h e s i sa n dt h e f u n c t i o ns u c c e s s i o ns i m u l a t i o ni na l t e r ac o r p o r a t i o n se d at o o lq u a r t u si ia n dm o d e l s i ms e ，t h e s y n t h e s i sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h a tb a s e do nt h ef p g af u z z yc o n t r o l l e rc h i pc o n s u m p t i o n f e wh a r d w a r es o u r c e ，h a sa c h i e v e dt h eh i g hd e s i g np e r f o r m a n c e ，h a sa c h i e v e dt h es u p e r i o rc o n d i t i o ni n t h e s p e e da n dt h ea v a i l a b i l i t yo fr e s o u r c e sa s p e c t ，t h r o u g ho nt h ef p g ad e v e l o p m e n tb o a r d s c o n f i r m a t i o na n dt h et e s t ，t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a td e s i g n st h ef u z z yc o n t r o l l e rt ob ep o s s i b l et o s a t i s f yt h er e a l - t i m ef u z z yc o n t r o lt h er e q u e s t k e yw o r d s ：f u z z yl o g i c ，f u z z yc o n t r o l l e r ，v h d l ，f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 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 写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 研触虢夕照鸭 帆彬彰月耽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的 全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 时间：彦以年5 , q 日 时间：名年厂月岁口日 易饭 一 建，、 石 哪 j-jlii氰0 签 名 生 签 究 师 研 导 宁夏大学硕f j 学位论文绪论 1 1 引言 第一章绪论 传统控制理论发展到今天己经很成熟。然而，随着现代科学技术的飞速发展，企业规模不断 扩大、工艺复杂程度不断提高，出现了一些基于传统控制理论无法进行有效控制的对象，这类对 象往往具有如下的特点：缺乏精确的数学模型、高度的非线性、复杂的任务要求等。对于这类对 象的控制，运用传统经典控制理论和现代控制理论通常难以进行有效控制。困难在于这类过程往 往反应机理比较复杂，操作点会发生改变，很难用数学表达式对其进行精确的描述，即使得到了 数学模型，形式上一般很复杂，让基丁精确数学模型进行控制器设计的经典控制理论与现代控制 理论无能为力。为了寻求这类非线性对象控制上的突破，许多专家学者进行了理论和实践上的不 懈探索，提出了多种智能控制方法，其中模糊控制、神经网络控制以及专家系统是目前公认的三 大智能控制方法l l j 。 模糊理论建立了大脑和计算机之间的桥梁，它将大脑中以模糊信息形式存储的经验和知识转 化成计算机可以接收的形式，使得计算机可以模拟大脑处理模糊信息，进行分析和判断。这种特 点使得模糊理论可以用于控制领域，对复杂的、无法用模型精确表示的对象进行有效的控制。长 期的实践证明模糊理论最成功的应用领域是自动控制领域。 相对于常规控制，模糊控制具有很多优点【2 j ：它无需建立被控对象的精确数学模型，基于专 家经验就能实现对1 线性对象的控制是解决不确定性问题的有效途径；它具有较强的鲁棒性，对 被控对象的参数变化不敏感；能控制时滞、时变系统并满足实时性的要求；模拟人类思维的推理 逻辑，易于接受，设计简单，维护方便。 1 2 模糊控制理论的创立 科学技术的发展有它的阶段性、连续性和必然性，其发展过程包含着开拓创新的过程，必然 带动一些新兴学科的建立和发展，控制领域也不例外。人们一般把2 0 世纪9 0 年代建立起来的控 制理论称为经典控制理论，主要处理一些单输入单输出的线性定常反馈系统。应用经典控制理论 来分析和综合的一个重要前提是：必须有一个用高阶微分方程式来描述系统运动状态的数学模 型。这是建立在频率法的基础上的，通常以传递函数、频率特性、根轨迹分布为基础的b o d e 图 法和e v a n s 根轨迹法，包括r o u t h h u r w i t z 代数判据、n y q u i s t 稳定性判据与希望对数频率特性综 合等，对于非线性系统，可采用描述函数分析和一般不超过2 个变量的p o i n c a r e 相平面分析法。 自从2 0 世纪6 0 年代以来，电子技术、传感器技术以及计算机技术的兴起和应用，航天飞行器技 术等空间的发展，使控制系统越来越复杂，经典控制理论越来越满足不了发展的要求，从而在实 践的基础上形成了现代控制理论。现代控制理论主要用来解决一些多输入、多输出和时变系统的 控制问题。在现代控制理论中，系统的数学模型主要是一个一阶微分方程组( 即状态方程) 或者 1 宁夏人学硕 j 学位论文 绪论 i l l li i i 差分方程组，这是种时域表示法，便于计算机的运用。现代控制理论研究的范围很广，其中包 括系统运动状态的描述和系统可控性、可测性的分析；稳定性理论知识和l y a p u n o v 函数( 亦称 v 函数) ；建立在统计函数理论上，应用相关函数的系统动态特性测量法( 即系统识别，称k a l m a n 滤波理论) 。在2 0 世纪7 0 年代，瑞典的k j a s 昀n 教授和法国的1 0 l a n d o u 教授在确定性自适 应控制和不确定性自适应控制的系统自适应控制研究方面做出了贡献圳。 从实践得知，不管是经典控制理论还是现代控制理论，一个共同的特点就是都建立在系统的 精确数学模型基础之上。这种自动控制系统在工业自动化及航天等领域发挥了巨大的作用，取得 了令人满意的效果，但是科学技术的进步促使控制理论向更高层次发展，一些更复杂、难度更大 和更精确的控制系统等待人们去开拓和创立。例如，在实践中往往存在这样的情况：许多_ 【业控 制过程极其复杂，以至很难为其建立( 或无法建立) 数学模型，有的即使建立了数学模型，用计 算机也难以实现；一些复杂系统虽然建立了数学模型，能用计算机计算，但所建立的数学模型与 实际系统不能完全吻合：有些正在发展的领域( 例如系统工程、经济学、心理学、医学、生物学 等) 经常会遇到无法建立精确数学模型的问题，但客观上义要求对其进行精确的控制。在上述情 况下，经典控制理论和现代控制理论往往无能为力。 综上所述可以看出，经典控制理论和现代控制理论在很多领域中体现了其局限性。另外，由 于计算机技术、传感器技术的飞速发展，将人类思维等复杂操作由计算机代替的需求日益增加， 这是经典控制理论、现代控制理论所无法满足的，因此寻找一种新的控制理论势在必行。 1 9 6 5 年，美国著名控制理论学者l a z a d e h 在模糊集合论( f u z z ys e t s ) 、 ，并研制开发完成模糊控制计算机系统和基于f n n 学习型模糊推理机等一 系列成果，都达到了世界先进水平。近几年来，我国推出了带有模糊控制器的电烤箱、热水器、 自动恒温器、恒光照度灯、全自动洗衣机和电饭锅等许许多多的家用电器，畅销世界各地。北京 航空航天大学组建了模糊技术研究室，用单片机研制了通用工业模糊控制机p f c 5 1 0 1 、p f c 9 8 0 1 和可编程单网路模糊控制器p f c l 0 0 1 ，以及工业窑炉分布式模糊控制计算机系统，还开发了专用 模糊控制电路和模糊推理芯片，把我国模糊上程和模糊控制技术推向了一个新的高度，为我国的 模糊产品和系统开发奠定了坚定的基础【辱2 9 1 。 综上所述，近几年来，我国在模糊理论及模糊技术的研究和应用方面已经形成了较大的规模， 模糊技术已经成了研究和应用的热fj 技术。 1 3 5 模糊控制研究目前存在的主要问题 模糊控制理论与应用技术研究至今仅有3 0 多年时间，目前仍处于方兴未艾的迅速发展阶段， 还存在许多有待深入研究和解决的问题，其中主要有： 1 )模糊控制在多变量、非线性复杂系统应用中的模糊建模、模糊规则的获取和建立、模糊推理 的研究。 2 )如何根据研究系统的性能综合指标，来设计和优化模糊控制器的结构与参数。如模糊控制器 的输入变量维数、输入一输出语言变量的基本论域划分以及量化等级的确定、控制规则形式 和条数的定义等。 3 )根据不同研究对象，研究模糊控制器设计中模糊推理合成算子选取，及其非线性程度对模糊 控制器控制效果的影响。 4 )模糊控制系统基本理论的研究。如模糊控制系统的稳定性分析。稳定模糊控制器和强鲁棒模 糊控制器的设计等。 6 宁夏人学硕i ：学位论丈绪论 5 )自学习模糊控制策略和智能化系统结构的研究及其实现。 6 )简单、实用且具有高性能模糊推理功能的模糊集成芯片、“模糊控制的通用控制器”和“模 糊控制用的通用系统”的研究、开发及其推广应用。 7 )进一步研究模糊集成控制的新算法，进行软计算理论和相关技术研究，探索它们在多变量、 非线性复杂系统中的应用途径和模糊控制器设计方法。 8 )进行“人类友好系统”的研究和开发。 1 4 选题的意义与论文内容 1 4 1 选题目的及意义 自美国教授查得( la z a n d e h ) 1 9 6 5 年首先提出了模糊集合的概念，由此开创了模糊数学 及其应用的新纪元。自1 9 7 4 年英国教授马丹尼( e h m a n d a n i ) 首先将模糊集合理论应用予加 热器的控制，其后产生了许多应用的例子。在工程上设计了专用或通用的模糊控制芯片，比如模 糊单片机等。这些模糊控制器的一个共同特点是模糊控制器的功能必须通过开发软件来完成，开 发周期长、成本较高、响应速度慢，更重要的是不能嵌入系统中，增加了整个系统的硬件资源。 为了克服以上的不足，我们采用了可编程逻辑器件来设计模糊控制器，编程语言采用v l l ( v e r yh i g hs p e e d n t e g r a t c dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a a g u a g e ) 语言。现场可编程门阵列 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是近年来发展迅速的大规模可编程逻辑器件，它具有设计周 期短，片内资源丰富，可无限次加载和现场可编程等特点。在f p g a 上实现模糊控制器是一种介 于专用集成电路( a s i c ) 和通用处理器之间的方案，具有电子产品的高速度、高可靠性、小型化、 集成化、低功耗、保密性能好、具有自主知识产权、产品上市快等优势。除此之外，采用f p g a 实现模糊控制器还有以下优点( 删。 1 ) 控制中常用的逻辑判断与算术运算，可由v h d l 语言描述和验证，并由f p g a 简捷实现。 2 ) f p g a 作为控制器在实时处理、时序仿真、i o 口线等方面具有优势，其模拟特性的欠缺可 通过外界少量i o 器件解决。 3 ) 智能算法多具有并行性，为得到较高的m i p s ，最好采取硬件并行处理方式。基于v h d l 描 述和验证、f p g a 同核实现，是一种新的智能控制实现途径，有助于智能控制技术单片集成。 4 ) f p g a 的软件l 司化和在线可重置性能，使系统更加便捷、灵活和可靠。另外，f p g a 在嵌入 式系统中，既可作为单片控制器，也可作为智能算法集成辅助同件。 5 ) f p g a 固核实现的智能策略，经进一步完善和优化，可作为a s i c 的快速原型。同时，f p g a 上的a s i c 方式，是形成s o p c ( s y s t e m 0 1 1ap r o g r a m m a b l ec h i p ) 的一种极有潜力的途径。 综上，可以看出采用f p g a 来设计实现模糊控制器有很大的优越性，所以在本文中主要研究 模糊控制器的设计以及f p g a 的实现。 1 4 2 课题研究的主要内容 1 ) 综述了模糊控制理论的产生、发展及现状： 7 宁夏人学硕f ：学f 移论文绪论 2 ) 介绍了模糊逻辑、模糊控制的基本原理和模糊控制器的结构；阐述了常规模糊控制器的设计 过程。 3 ) 以空调房温度控制器为例，运用模糊理论知识进行设计。 4 ) 通过m a t l a b 自带的模糊控制箱进行模糊温度控制器的仿真验证。 5 ) 通过v h d l 语言编程使得模糊控制器在可编程逻辑器件f p g a 上实现。 6 ) 运用q u a r t u si i 软件进行编译、调试、时序仿真和引脚锁定。 7 ) 下载到硬件电路板上进行实物测试与验证。 1 5 本章小结 本章主要综述了模糊理论的产生、发展及其在美国、欧洲、日本和我国的应用发展情况。分 析了传统设计过程存在的缺陷，通过与采用f p g a 进行模糊控制器的设计进行了优缺点对比。由 此引出了本论文的课题意义及其研究的主要内容，这为下面章：符的展开作了一个良好的铺垫。 8 宁夏人学硕 j 学位论文模糊集合及模糊粹制理论 曼皇m! 。 i , i 皇蔓曼鼍曼曼曼鼍曼曼曼曼曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼舅 2 1 引言 第二章模糊集合及模糊控制理论 过程控制中的复杂系统通常具有大滞后、时滞或时变、变量强耦合等特点，数学模型难以建 立，采用经典控制理论与现代控制理论进行系统的分析和设计比较困难，甚至根本无法获得比较 理想的运行效果。模糊控制的最大优点就是不依赖于被控对象精确的数学模型，将人的控制经验 进行总结，借助丁模糊数学丁具，利用模糊推理就可以实现对非线性对象比较满意的控制效果。 模糊控制的理论基础是模糊集合，本章对模糊集合理论以及模糊控制理论和模糊控制器的设计进 行了介绍。 2 2 模糊集合理论 经典数学以o 或1 的二值逻辑描述自然界中的各类数学关系，构成了计算机技术的基础。与 二值逻辑相对应的是经典集合论，其概念是：人们研究的对象要么属于某一集合，要么不属于该 集合，两者必居其一，并不可兼得，这就是所谓“清晰集合”的特点。但是清晰集合在描述客观 事物时存在很人局限，自然界中大多数客观事物不具有这种清晰性，如用人类语言描述的图像等 信息，被描述事物自身就是模糊的，也就是说很难确认它是否明确地符合某一概念。美国加利福 尼亚大学著名教授l a z a d e h 于1 9 6 5 年发表了题为g f u z z ys e t s 的著名论文，提出了模糊集合 理论，为用数学方法描述和处理自然界中的不精确、不完整的信息提供了重要的数学工具。 模糊理论在建立了模糊集合( f u z z ys e t ) 和模糊逻辑( f u z z y1 0 9 i c ) 的基础上，用隶属度函数 ( m e m b e r s h i pf u n c t i o n ) 的概念来描述那些介丁：“属丁二”和“不属于”之间的过渡过程，使得每个 元素不仅以“o ”或“1 ”属r 某一集合，还以一定的介于“0 ”或“1 ”之间的程度属于某一集合， 即每一个元素都或多或少地属下某一集合，合理的表述了自然界中的模糊现象。模糊集合是一定 程度具备某种特性的元素的全体。模糊数学本身不是将数学的表达模糊化，而是使模糊现象更准 确地得以描述。模糊理论是建立在严格的数学基础上，用来描述和处理人类模糊信息的一种理论， 它是人类智能和计算机之间的联系桥梁，并借助于现代科学的发展得以飞速发展。按照模糊理论 奠基人l a z a d e h 教授的设想，模糊理论将在人类主观因素起主导作用的领域如人文科学和社会 科学上得到应用和发展，然而模糊理论却在自动控制领域首先得到最广泛的应用。从1 9 7 4 年英 国科学家e h m a m d a n i 首次将模糊理论应用于蒸汽机的控制以后，模糊技术被，泛地应用丁：控制 领域，如j ：业控制、家电、军事、汽车和天气预报等，使得模糊控制成为模糊理论的一个重要分 支。 9 宁夏人学硕i 学位论史模糊集合及模糊挡制理论 2 3 模糊控制理论概况 2 3 1 模糊控制的基本思想 经典控制理论对丁解决线性定常数单输入单输出系统的控制问题是很有效的，基于状态变复 描述的现代控制理论能够有效控制解决非线性时变多输入多输出系统的控制。然而无论是经典控 制理论还是现代控制理论都要事先知道被控对象的精确数学模型，然后根据数学模型以及给定的 性能指标，选择适当的控制规律进行控制系统的设计。然而在许多情况下被控对象( 或生产过程) 的精确数学模型很难建立。例如，水泥窑，化t 生产中的化学反应过程，炼钢炉的冶炼过程等。 因为这些被控对象或生产过程中的变量多，各种参数又存在不同程度的时变性，且具有非线性和 强耦合的特点，因此建立这类过程的精确数学模型很困难。因此难以实现自动控制。 与此相反，对于上述难以自动控制的过程，有经验的操作工人进行手动控制却取得了令人满 意的效果。因此人们开始研究能否对无法构造数学模裂的对象让计算机模拟人的思维方式，进行 控制决策。 人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列的条件语句，即控制规则。运用微机 的程序来实现这些控制规则。在描述控制规则的条件语句中的一些词，如“较大”、“较小”、“偏 高”等都具有一定的模糊性，因此用模糊集合来描述这些模糊条件语句，即组成了模糊控制器。 2 。3 2 模糊控制系统的组成 前面已经说明，模糊控制属于计算机数字控制的一种形式。因此，模糊控制系统的组成类似 一般的数字控制系统，其方框图如下图2 - 所示： 图2 - 1 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可以分为四个组成部分： l 模糊推理控制器：实际上是一台微计算机，根据控制系统的需要，既可以选用系统机，又可 以选用单板机或单片机。 2 输入输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊 控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控 对象。在i o 接口装置中，除a d 、d ，a 转换外，还包括必要的电平转换线路。 3受控对象：包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或非线性的、定常或时变的，也 可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况。 4 传感器：传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号( 模拟的或数字的) 的一 类装置。被控制量往往是非电量，如温度、压力、流量、浓度、湿度等。传感器在模糊控制 1 0 宁夏人学硕l ：学化论文模糊集合及模糊控制理论 系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。因此，在选择传 感器时，应注意选择精度高且稳定性好的传感器。 2 3 3 模糊控制的特点 模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑 推理作为控制算法的数学工具，是用计算机来实现的一种智能控制。它的主要思想是将人类所掌 握的知识和经验融合到控制策略中，用于控制没有数学模型或很难建立数学模型的复杂系统。它 的特点概括如下： 1 解决复杂系统的控制问题 在控制系统设计时，常规控制系统设计要求一个过程的数学模型。在很多控制问题中，这种 数学模型不存在或不完整，其原冈在丁这些过程还没有被人类完全认识，系统本身由于滞后、强 非线性和时变性等因素影响而非常复杂，其数学模型的建立非常困难。在这种情况下可采用模糊 控制。模糊控制不需要精确的数学模型，它建立在人类积累的语言型经验基础之上。 2 也适用于简单系统的控制 对于一般的控制问题，尽管可以采用常规控制方法，同样也可以采用模糊控制方法。模糊控 制器的控制效果在快速性和鲁棒性等方面一般要优于常规控制器。 3 非专业性 模糊控制使用的是语言型控制规律，因此，在设计控制系统时不需要专门的控制设计人员， 在调整和维护上只需要一般技术人员即可。 4 鲁棒性 模糊控制系统具有极好的稳定特性和鲁棒特性。控制律中几个规则的失效对控制特性只有极 小的影响。系统参数的变化对控制效果只有有限的影响，避免了常规控制系统中控制器参数或系 统参数的变化易引起整个系统失灵的问题。 5 操作时可省去系统参数调节 常规控制系统在投入运行前或在j r 作中，工作点移动后其参数必须进行校准。在模糊控制系 统中由于采用语言型模糊变量，这种校准是不必要的。 6 模糊控制系统本身是一严格的控制系统 当模糊语言变量、隶属函数、控制规则、模糊推理方法和去模糊化方法都确定后，模糊控制 器的输入输出关系就是确定的。模糊控制方法是在更高层次上模拟人类思维的一种系统方法。 7 模糊控制系统具有较好的经济性 随着模糊硬件和软件产品的发展，模糊控制系统的成本会不断降低，其中部分模糊处理器的 价格己低于常规微处理器。由于模糊软件包的使用，极大地缩短了设计时间。 8 缺少系统的设计方法 模糊控制器本身是一种语言型控制器，不具备动态性能，而且被控过程常常是复杂系统，不 具备数学模型，冈此不能用常规的线性或非线性稳定性分析方法对模糊控制系统进行稳定性分 析。 宁夏人学硕 ：学化论文模糊集合及模糊拧制理论 笪曼曼曼i i i i i l - - ：i 曼皇曼曼 2 4 模糊控制器 2 4 1 模糊控制器的组成 模糊控制器( f h z z yc o n t r o l l e r ) ，也称为模糊逻辑控制器( f u z z yl o g i cc o n t r o l l e r ) ，完成从输入 变量到输出变量的映射关系，它是模糊控制系统的核心，其结构如图2 - 2 所示。主要包括四个部 分：模糊化接口、知识库、模糊推理和解模糊化接口。 数据库规则库 l 知识库 l 1 输入。l 措蜘f b 也il挂m 枷l 一 妞措蚰j p 幛九 输出一 l 伏仰”il 璀8 似 l 肿饫例m 压“ 图2 - 2 模糊控制器的组成 1 模糊化接口 因为从检测装置输入计算机控制器的变量值通常都是清晰值，因此在进行模糊推理之前，需 要将这些清晰值转化为模糊推理所处理的模糊集合的形式，模糊化接口就是实现这样的功能。对 于一个模糊输入变量e ，以下为其对应于5 8 个的模糊子集划分，用三角形隶属度函数表示8 个 模糊子集如图2 - 3 所示： ( 1 ) e = 负人，负小，零，正小，正大= n b ，n s ，z o ，p s ，p b ( 2 ) e = 负人，负中，负小，零，正小，正中，正火= n b ，n m ，n s ，z o ，p s ，p m ，p b ( 3 ) e = 负人，负中，负小，零负，零正，正小，正中，正人= n b ，n m ，n s ，n z ，p z ，p s ，p m ， p b u ( e ) x 嫩妗k 一 图2 - 3 隶属度函数示意图 2 知识库 模糊控制器的知识库( k n o w l e d g eb a s e - - - k b ) 主要包括控制规则库和数据库( 诸如隶属度函数 的形状和位置、模糊运算方法的定义) 。 数据库( d a t ab a s e d b ) 中存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值( 郎 1 2 宁夏人学硕i 学位论文 模糊集合及模糊摔制理论 经过论域等级离散化后对应的集合) ，若论域为连续域则为隶属度函数。数据库的作用是在进行 模糊推理过程中提供数据支持。 规则库( r u l eb a s e r b ) 中的模糊控制规则是按人的直觉推理的种语言表示形式，是基于 专家知识或熟练手动操作人员长期积累的经验。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如 i f - t h e n ，e l s e ，a l s o ，a n d ，o r 等，关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数量化。最常用的关 系词为i f - t h e n ，a l s o ，对于多变鼍模糊控制系统，还有a n d 等。例如，某模糊控制系统输入变量 为e ( 误差 和e c ( 误差变化) ，它们对应的语言变量为e 和e c ，可给出一组模糊规则： r 1 ：i f e i s n b a n d e c i s n b t h e n u i s p b o r r 2 ：i f ei sn ba n de ci sn st h e nui sp m r n ：i f e i s p b a n d e c i s p b t h e n u i s n b 通常把正部分称为“前提部”，而t h e n 部分称为“结论部”，其基本结构可归纳为i f a a n dbt h e n c ，其中a ，b 分别为相应论域上的模糊子集。规则库是用来存放全部模糊控制规则的，在推理 时为“推理机”提供控制规则。由上述可知，规则数量和模糊变量的模糊子集划分有关：划分越 细，规则条数越多，但并不代表规则库的准确度越高，规则库的“准确度”还与专家知识的准确 度有关。通常模糊控制规则获取手段有四种：基于专家和控制工程师的经验；通过对熟练操作人 员的控制行为的总结；基于过程的模糊模型以及基于学习得到控制规则。 3 模糊推理 模糊控制器中的推理是指根据输入模糊量的大小，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊 关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。模糊推理由条件聚合( a g g r e g a t i o n ) ，推断( i m p l i c a t i o n ) 和累加( a c c u m u l a t i o n ) 三部分组成。模糊推理首先计算控制律中每条模糊规则的满足程度( 条件聚 合) ，然后依据条件的满足程度推断单一规则输出的大小( 推断) ，最后将所有模糊规则的输出累 加，得到总的模糊输出。在模糊控制中，考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。常 见的模糊推理方法有最人最小法( m a x m i n i n f e r e n c e ) 和最大乘积法( m a x p r o d i n f e r e n c e ) 。在最大 最小法中，结论的满足度为条件的满足度和结论隶属函数的大值，即结论的隶属函数由条件的总 满足度截断( 如图2 - 4 a 所示) 。在最人乘积法中，结论的满足度由条件的满足度和结论的隶属函数 的乘积得出，即结论隶属函数的原有形状保持不变，只是按条件满足度大小成比例的缩小( 如图 2 - 4 b 所示) 。 4 解模糊化接口 经过模糊推理得到的是一个输出的模糊集合，限于目前的技术，一般i ：业对象的执行机构只 能接受清晰值，因此在将模糊推理得到的结果传递给执行机构之前，必须将推理得到的模糊集合 转化成清晰值，这即为解模糊化接口所完成的功能。常见的解模糊化方法有加权平均法、平均最 大值法和面积重心法。 在加权平均法中，非模糊输出为模糊输出多边形( 由输出模糊集的隶属函数曲线与横坐标围 成) 面积的重心坐标；在平均最大值法中，非模糊输出为模糊输出最人值的平均；在面积重心法 中，非模糊输出为模糊输出多边形面积的均分点对应的论域元素。 宁夏人学硕f j 学位论丈模糊集会及模糊拧制理论 矗 2 4 2 模糊控制器的分类 b 图2 - 4 模糊推理方法 确定模糊控制器的结构是建立模糊控制规则的必要前提，不同的结构具有不同形式的规则。 选择模糊控制器的结构形式，也应该和人工控制经验规则的形式相适应。 1 从输入输出变量角度划分 在确定性控制系统中，根据输入变量和输出变量的个数，可以分为单变量模糊控制技术在空 调监控系统中的应用控制系统和多变量控制系统。在模糊控制系统中也可以类似地划分为单变量 模糊控制和多变营模糊控制。 ( 1 ) 单变量模糊控制器 常规的模糊控制器为单变量模糊控制器( s i n g l ev a r i a b l ef u z z yc o n t r o l l e r - s v f c ) ，它有一个独 立的外部输入变餐和一个输出变量。单变量模糊控制器的输入变量的个数定义为模糊控制器的维 数，如图2 5 所示。 一维模糊 控制器 e 一 蝈唁 三维模糊 控制器 。 二维模糊 控制嚣 e 一 吨酽孓 三维模期 控制器 寸砷 图2 - 5 单变量模糊控制器 ( a ) 一维模糊控制器 如图2 5 a 所示，一维模糊控制器的输入变量往往选择被控量与输入给定的偏差e 。由于仅仅 采用偏差值，很难反映受控过程的动态特征i ；矗质，因此，所能获得的系统动态性能较差。 1 4 勉 八一越 一 巡 宁夏大学硕l ：学位论文 模糊集合及模糊拧制理论 曼皇皇罡曼曼寡i 一 一一 i i i 一 一i 曼i 曼! 曼璺毫曼曼曼曼曼鼍 若模糊集合a 为属于图2 5 中论域e 的输入，模糊集合b 和c 为属于论域u 的输出， 这类模糊控制器的控制规则通常由模糊条件语句 i f a t h e nb ，一 i fa t h e nb - - - - e l s ec 来描述，其中模糊集合b 和c 具有相同的论域u 。这种控制规则反映非线性比例( p ) 控制 规律。 ( b ) 二维模糊控制器 如图2 - 5 b 所示，二维模糊控制器的两个输入变量基本上都选用受控变量和实际输入给定的 偏差e 和偏差变化率e c ，由于它们能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性，因此， 在控制效果上要比一维模糊控制器好得多，也是目前较广泛采用的一类模糊控制器。属于论域e 的模糊集合a 取白系统误差e 的模糊化，属于论域e c 的模糊集合b 取自系统误差变化率e c 的模糊化，二者构成模糊控制器的二维输入；属于论域u 的模糊集合c 是反映系统控制量变化 的模糊控制器的一维输出。这类模糊控制器的控制规则通常由模糊条件语句 i fa a n db - - - t h e nc ，一 来表达，是模糊控制中最常用的一种控制规则，它反映了非线性比例加微分( p d ) 控制规律。 ( c ) 三维模糊控制器 如图2 - 5 c 和图2 - 5 d 所示，三维模糊控制器的三个输入变量一般是系统偏差量e ，偏差变化 量e c 和偏差变化的变化率e c c ；也可以是e ，e c 和误差的积分e l 。三维模糊控制器应该能获得 更好的控制特性，但这种模糊控制器结构较复杂，推理运算时间长，因此除非对动态特性的要求 特别高的场合，一般较少选用三维模糊控制器。 上述三类模糊控制器的输出变量，均选择了受控变量的变化值。从理论上讲，模糊控制系统 所选用的模糊控制器维数越高，系统的控制精度也越高。但是维数选择得太高，模糊控制规律就 过丁复杂，基丁模糊合成推理的控制算法的计算机实现，也就更困难。这也许是人们在设计模糊 控制系统时，多数采用二维模糊控制器的原冈。在需要时，为了获得较好的上升段特性和改善控 制器的动态品质，也可以对模糊控制器的输出量作分段选择，即在偏差e “大”时，以控制量的 绝对值为输出，而当偏差e “小”或“中等”时，则仍以控制量的增鼍为输出。 ( 2 ) 多变量模糊控制器一个多变量模糊控制( m u l t i p l ev a r i a b l ef u z z yc o n t r 0 1 ) 系统所采用的 模糊控制器往往具有多变量结构，如图2 - 6 所示，称之为多变量模糊控制器。它有多个独立性的 输入变量和一个或多个输出变量。要直接设计一个多变量模糊控制器是相当困难的，可利用模糊 控制器本身的解耦特点，通过模糊关系方程分解，在控制器结构上实现解耦，即将一个多输入多 输出( m i m o ) 的模糊控制器，分解成若干个多输入单输出( m i s o ) 的模糊控制器，这样可采用单变 量模糊控制器方法设计。 模糊控制器 图2 - 6 多变量模糊控制器 1 5 宁夏人学硕f j 学位论文模糊集合及模糊控制理论 2 从输出方式角度划分 同常规控制器一样，模糊控制器的输出方式也会影响控制器的控制品质。 ( 1 ) 位置式输出 由计算机输出的u ( k ) 直接去控制执行机构( 如阀门) ，u ( k ) 的值和执行机构的位置( 如阀门开度) 是一一对应的，如图2 - 7 所示，通常称这种控制方式为位置式控制算法。这种算法的缺点是计算 机输出的u ( k ) 对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u ( k ) 的大幅度变化，会引起 执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重 大的生产事故，因而产生了增量式输出的控制算法。所谓的增量式控制是指模糊控制器的输出只 是控制量的增量a u ( k ) 。 列雠m 卫雠匦卜恒蛩 l c ( k ) 图2 _ 7 位置式模糊控制器系统框图 ( 2 ) 增量式输出 当执行机构需要的是控制量的增量( 例如驱动步进电动机) 时，如图2 8 所示，可使用增鼍式 输出模糊控制器。采用了增量式算法时，计算机输出的控制增量u ( 1 【) 对应的是本次执行机构位 上 置( 例如阀门开度) 的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制量增量的累积u ( k ) = y a u ( i ) 需 倒 要采用一定的方法来解决，例如用有累积作用的元件( 如步进电机) 来实现；也可以利片j i 算式 u ( k ) = u ( k 1 ) 4 - a u ( k ) 通过软件来实现。 图2 - 8 增量式模糊控制器系统框图 由图2 - 7 、图2 - 8 可以看出，就整个系统而言，位置式与增量式控制算法并无本质区别，或 者仍然全部由计算机承担其计算，或者一部分由其它部件去完成。 增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点： 1 ) 由于计算机输出增鼙，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。 2 )手动自动切换时冲击小，便丁实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由丁输出通 道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍然能保持原值。 3 )算式中不需要累加。控制增量u ( 1 【) 的确定仅与最近一次的采样值有关，所以较容易处理而 获得比较好的控制效果。但在选择时不可一概而论，一般认为在以晶体管作为执行器或在控 制精度要求高的系统中，可采用位置式控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器 的系统中，则可采用增量式控制算法。 1 6 宁夏人学硕l j 学位论文 模糊集合及模糊摔制理论 2 4 3 模糊控制器的设计 在模糊控制系统中，模糊控制器是整个控制系统的核心。因为模糊控制是建立在人的经验的 基础上，而这些经验不依赖于被控对象的精确数学模型。因此，在设计模糊控制器时，并不需要 像设计一般数字控制器那样，必须要求得到被控对象精确的数学模型表达