（系统分析与集成专业论文）模糊照度控制器的研究与设计.pdf

摘要 照度极易受到外界因素的干扰：天气环境、办公环境、人员流动等诸多不 可测、不可控因素，所以照度的控制不易实现。为实现对照度的控制，目前有 许多控制照度的智能技术：利用模糊控制算法控制卷帘的升降，实现自然光对 室内照度的调节；跟据老年人的心理生理特点，利用模拟退火算法，设计的自 适应的照明系统；夏普公司在l c d 面板中采用的智能光控的技术( o p c ) ，实 现了根据周围照明条件明暗的变化，自动调节背光灯亮度功能的背光屏。 这些控制方法下的照度精度往往不够，本文以提高精度和降低能耗为中心， 通过利用对复杂系统有较好的控制效果的模糊控制技术，探讨了利用模糊控制 技术对照度进行恒定控制。 首先介绍了模糊控制的基础理论，对m a m d a n i 型模糊控制器的实现原理进 行了具体分析，再结合大功率l e d 台灯，给出了模糊照度推理机的详细结构， 通过对模式系数k 的改变，该推理机单独实现了抗干扰与跟随两种控制。在此 基础上，详细设计了模糊照度控制器的硬件和软件内容。最后，以m a t l a b 进 行仿真的结果表明，该模糊照度控制器在恒定控制与跟随控制两种模式上都具 有良好的动态与静态性能。同时与普通调节照度的控制器相比，不仅精度上有 较大提高；而且能够利用自然光照的特点，在功能上符合绿色低碳的理念。 关键词：模糊控制；照度；a t 8 9 s 5 2 ；t s l 2 5 6 1 a b s t r a c t i l l u m i n a n c ev u l n e r a b l et oi n t c r f c r c n c eb yo u t s i d ef a c t o r s ：w e a t h e re n v i r o n m e n t ， o f f i c ee n v i r o n m e n t s ，a n dm a n yo t h e ru n f o r e s e e a b l ea n du n c o n t r o l l a b l ef a c t o r s ，s o d i f f i c u l tt oc o n t r o lt h ei l l u m i n a n c e t h e r ea r em a n yc o n t r o li l l u m i n a t i o no fi n t e l l i g e n t t e c h n o l o g i e st oa c h i e v et h ed e g r e eo fc o n t r 0 1 t h e r ei s t h eu s eo ff u z z yc o n t r o l t e c h n o l o g yc o n t r o lr o l l e rb l i n dm o v i n g ，i m p l e m e n t a t i o no fn a t u r a ll i g h t o nt h e r e g u l a t i o no fi n d o o ri l l u m i n a t i o n ；a na d a p t i v el i g h r i n gs y s t e mi su s i n gs i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m ，i t i s a c c o r d i n g t o p s y c h o l o g i c a l a n d p h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l d e r l y ；s h a r pl c dp a n du s e di nt h ei n t e l l i g e n to p t i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y ( o p c ) ，t oa c h i e v et h eb r i g h t n e s sa c c o r d i n g t o s u r r o u n d i n gl i g h t c o n d i t i o n sc h a n g e ，a n da u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h eb a c k l i g h tb r i g h t n e s sf u n c t i o n i l l u m i n a n c ep r e c i s i o no ft h e s ec o n t r 0 1m e t h o d si so f t e nn o te n o u g h t h i sa t i c l e f o c u so ni m p r o v i n ga c c u r a c ya n dr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，b yu s i n gt h ef u z z y c o n t r o lt e c h n o l o g y , d i s c u s s e su s e df u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yt oc o m et oac o n s t a n t d e g r e eo fi l l u m i n a n e e i td e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r yo ff u z z yc o n t r o l ，c o n c r e t ea n a l y z e st h ep r i n c i p l eo f t h em a m d a n i - t y p ef u z z yc o n t r o l l e r t h ef u z z yi n f e r e n c ee n g i n et h es t r u c t u r ei sg i v e n ， b yc o m b i n i n gw i t hah i g hp o w e rl e dl a m p t h r o u g hc h a n g e t h em o d ec o e f f i c i e n tk t h ei n f e r e n c ee n g i n ec o m et oa n t i - j a m m i n ga n df o l l o wt w oc o n t r o li n d i v i d u a l l y b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h ef u z z yi l l u m i n a n c ec o n t r o l l e rh a r d w a r ea n d s o f t w a r e f i n a l l y , t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ef u z z yi l l u m i n a n c ec o n t r o l l e ru n d e r c o n s t a n tc o n t r o la n dt h ef o l l o w i n gc o n t r o lh a sg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp r o p e r t i e sb y u s i n gm a t l a bs i m u l a t e a tt h es a m et i m e ，t h i sf u z z yc o n t r o lc o m p a r e d w i t ht h e g e n e r a lr e g u l a t i o no fi l l u m i n a n c ec o n t r o l l e r , n o to n l yh a sg r e a tp r o g r e s si np r e c i s i o n ； b u ta l s ot a k ea d v a n t a g eo fn a t u r a ll i g h r i n ga n dc o n s i s t e n tw i t ht h ec o n c e p to fg r e e n l i g h t k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l ，i l l u m i n a n c e ；a t 8 9 s 5 2 ；t s l 2 5 6 1 i i 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。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 杠 签字日期：石旌：么! z 堡 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国 科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并 通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生矽理。 日公开口保密(年月) ( 保密的学位沦为在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签 指导教师签名： 名：枉 哥 签字日期：碰! 翌笸：么 签字日期：丛红曼：厘 第1 章绪论 1 1 模糊控制研究的背景及意义 模糊控制是一种基于丰富操作经验总结出的、用自然语言表述控制策略，或通过大量 实际操作数据归纳总结出的控制规则，予以实现的自动控制。作为智能控制中适用范围 广、活跃性高且普及性优的一个分支，其采用了定量与定性相结合的分析方法，融合了人 类特有的推理思维。 随着现代工业化进程的推进，无法得到精确数学模型的系统越来越多。根据l a z a d e h 互不相容原理“当一个系统复杂性增大时，人们能使其清晰性的能力将会相应降低，当达 并超越到一个特定的阈值时，复杂性和清晰性将是相互排斥的”，意味着传统控制中所用的 手段对控制对象过于庞大复杂、机理欠明、检测不全、存在大滞后等特性的系统无法实现 有效控制。但当人们将工作实践中的经验转制成语言操作规则，按照这些带有模糊性、使 用自然语言表述的规则，将其应用到控制系统中，则可实现对此种系统的有效控制。 模糊控制的发展历程如下： 形成阶段：美国控制论专家l a z a d e h 教授在1 9 6 5 年时创立了模糊集合理论，开创 了模糊控制数学基础的研究，并于1 9 7 3 年引入语言变量这一概念，使用模糊i f t h e n 规则来量化人类语言的知识规则，奠定了模糊控制的理论基础。 发展阶段：由英国e h m a m a d a n i 博士于1 9 7 4 年运用于蒸汽机，开创了模糊控制 实用的历史；1 9 7 5 年英国的p j k i n g 把模糊集合理论应用于反应炉的温度自动控制系统 2 1 ；1 9 7 7 年m a m d a n i 和p a p p i s 把模糊理论应用于马路十字路1 ：3 的交通管理 高性能模糊控制阶段：1 9 7 9 年起，l p h o l n b l a b 和o s t e r g a r d 先后将模糊控制应用 于瑞典石灰重窑、丹麦水泥窑等工业设备上；1 9 8 5 年，m s u g e n o 和k m u r a k a m i 将模 糊控制运用于停车场的停车控制 3 1 ：1 9 8 9 年日本开始把模糊控制应用于电冰箱、洗衣机、 微波炉等家用电器上，将模糊控制的应用推向了高潮。 从控制应用方面看，模糊控制具有如下优点： ( 1 ) 对于传统控制无法实现自动化的复杂系统，模糊控制以人对被控对象的操作经验 为依据而设计控制器的内部结构及其数学模型； ( 2 ) 由于采用自然语言表述，故很容易被操作人员接受，便于进行人机对话： ( 3 ) 模糊控制规则利用模糊集合论和模糊推理理论，可转换成数学函数，再与其他物 1 理规律结合起来，通过计算机软件实现控制策略： ( 4 ) 专家经验设计的模糊规则，对复杂被控对象有比较好的控制效果，其鲁棒性和适 应性经过实际调试后容易达到要求。 目前各种复杂系统的自动化中，常将模糊控制作为传统控制的补充和改进方法，将两 者相结合，取得了较好的效果。在诸如炼钢、化工、人文系统、经济系统及医学心理系统 中，特别是家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者难以解决 的实际问题，使用越来越多的控制理论研究人员和相关领域的广大工程技术人员对模糊控 制产生了浓厚的兴趣。 模糊控制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，i e e e 模糊系统国际会议年年举行，国际著名会议i e e e 、 i f a c 、a c c 及国内的c c c ，c d c 会议上都有关于模糊系统的专题。国际学术杂志 ( ( a u t o m a t i c ) ) 、( 0 ) ：后面执行机构要求输 入的控制量u 的物理论域u = “，“】 0 ) 。由模糊论域n7 变换到物理论域u 的比例 因子吒定义为： 吒= “r 若某时刻得到的输出量( 清晰量) 是，2 i n ，经过比例变换后的控制量则为： “= ，z l k u u 在f 控制器，量化因子和比例因子的位置及其变换关系如图2 3 所示，该图从各方面 出模糊控制器的整个工作流程。可以看出，量化模块和比例模块都不是模糊控制器的组成 部分，而是一种把模糊控制器跟外部设备连接真起来的接口，使前后模块匹配，并且对整 个系统还一定的调节作用。 一 f 论域物理论域 砺理论域乃f 记壤毋 图2 3 量化因子乃和比例因子吒在模糊控制器中位置 f i g2 3t h ep o s i t i o no f q u a n f i z a t i o nf a c t o rk ja n ds c a l ef a c t o r k h i nt h ef u z z yc o n t r o l l e r 在系统调试过程中，系统发散时应大幅减小屯，若系统振荡时可适当减小k u ：当系统 有稳态误差时需适当增大吒，同时小幅增大屯；当系统过渡时间太长应略微减小k ，而 1 n 在系统超调过大时则适当增加k n 1 。 2 2 2 模糊化与清晰化 模糊化与清晰化模糊是模糊控制器的两个重要的部件，尤其是模糊化模块是绝不可缺 少的。 ( 1 ) 模糊化 清晰值模糊化：将采样所得的清晰值输入量柏，经过量化因子的比例变换，映射成模 糊论域上的某个实数值，再求出此实数值属于上的各个模糊子集的隶属度。 为使每个实时输入变量的清晰值石l 都能模糊化，首先要确定覆盖在模糊论域上的模 糊子集的数目，然后确定各个模糊子集的隶属函数，这个过程称为模糊分布。 i 模糊子集个数 由于模糊控制器的维数一般都等于或大于二维，所以覆盖模糊领域的，子集数目应该 适当。较多的f 子集时虽可提高控制精度，但由于维数的问题，模糊规则数目相应地会急 速增加，致使运算量大幅增加。为了平衡控制精度和运算速度两者，一般覆盖模糊论域的 f 子集数目以3 1 0 个为宜。 i i 模糊子集的分布 模糊子集在模糊论域上的散布方式和情况，需要具备三个基本特性： i 完备性，即论域上任意一个元素至少得与一个f 子集对应； i i 一致性，即论域上任意一个元素不得同时是两个f 子集的核； i i i 交互性，即论域上任何一个元素不能只属于一个f 集合。 当两个f 子集的隶属度函数交叉时，交叉点的隶属度值夕应取得合适，通常取夕= d 2 d 7 为佳。夕值大：系统的控制稳定性变好，变化平缓，但系统的灵敏度变差：反之，系统的 灵敏度变好，但稳定性也随之下降，容易引起系统波动：当少值过小将会使控制器的模糊 性变差。 隶属函数 隶属度表示出论域中某个元素属于，集合的程度。隶属函数是论域中各元素属于该f 集合的程度。表述法有以下几种： i 序对法 当f 集合的论域u 为有限集或可数集时，f 集合u 表示为： a = ( 誓，4 ( 薯) ) i 薯u ，f = 1 ，2 ，z ) = ( 五，么( 五) ) ，( 恐，么( 而) ) ，( 矗，彳( ) ) ) 1 1 i i 扎德法 当论域u 是有限集或可数集时，f 集合a 可表示为： 彳：塑：塑+ 盟+ 一，江1 ，2 ，刀。x ix i x 2 x r 如果论域u 是无限不可数集，f 集合a 可表示为： 彳= ，掣 扎德表示法中的累加号“s ”、加号“+ ”及积分号“r ”，并不表示累加、求和及积分， 而是表示在论域上构成f 集合的全体元素z 与其隶属度间a ( x ) 对应关系的总括：分数线也 不表示除法运算，只表示某个元素薯与其隶属函数么( 薯) 的对应关系。扎德表示法中可以 省去灵活性度为零的项。 i i i 向量法 若论域中的元素有限且有序时，可以把各元素的隶属度类似于向量的分量排列起来表 示，集合，这样f 集合相当于一个向量，其分量就是各元素的隶属度取值，帮也称为f 集 合彳等同为f 向量4 ，写成： 彳= 彳( 五) ，彳( 吃) ，么( 吒) ) 用向量表示法时，同一论域上各，集合中元素隶属度的排列顺序必须相同，而且隶属 度等于零的项不得省略，如a ( x j ) = 0 ，由写成 么= a ( x 1 ) ，彳( 吃) ，a ( x j 1 ) ，0 ，a ( x j + 1 ) ，么( 吒) ) i v 函数法 当论域【，是无限不可数集时，根据f 集合【，的定义，完全可以用它的隶属函数进行表 征，因为隶属函数a ( x ) 表示所有元素石对于a 的隶属度彳( x ) 。隶属函数a ( x ) 可以使用分 段函数来进行表示。 常用隶属函数有以下几种： i 三角形 1 2 要求a b c 。 i i 钟形 f ( x ，a ，b ，c ) = ox a x - a 口x b b a 三二兰 b 石c 一二 二oc b 0z c m 忍6 ，c 卜膏 其中c 决定函数的中心位置，a ，b 决定函数的形状。 i i i 高斯型 上型2 f ( x ，仃，c ) = e 2 a 2 其中，c 决定函数中心的位置，s 决定函数曲线的宽度。 i v 梯形 f ( x ，a ，b ，c ，d ) = 0 x 口 工一口 b 一口 1 c 一工 c b o a x b b x c ，a 6 ，c d c x d x d v s i g m o i d 型 厂( x ，口，c ) = 丽1 其中口，c 决定函数形状，函数图形关于点( 口，o 5 ) 是中心对称的。 ( 2 ) 清晰化 经过模糊逻辑推理后，输出的是模糊集合，由于它是多条模糊控制规则所得结论的综 合，其隶属函数多数是分段、不规则的形状。清晰化的目的就是把它们等效成一个清晰值， 即映射( 变换) 到一个代表性的数值上，这一过程称为“清晰化”或“反模糊化”。 以下是几种常用的清晰化： i 面积中心( 重心) 法( c c n t r o i d ) 将模糊集合隶属函数曲线和横坐标包围区域面积视为厚平板，找这此平板的重心，就 是面积中心法。 设论域【，上f 集合4 隶属函数为么 ) ，u u 。设面积中心对应的横坐标为“。，则 可得出： la ( u ) u d u 2 葡 玉 若论域【，= “1 ，“2 ，u 。) 是离散的，u j 处的隶属度为a ( u j ) ，则“。如下： ”“u j j = l j z a t , )厶h ) 2 艺甄万 i i 面积平分法( b i s e c t o r ) 此法是先救出模糊集合隶属函数曲线和横坐标包围区域的面积，再找出将该面积平等 分成两份的平分线对应的横坐标值，用该值代表该模糊集合。 设论域u 上f 集合彳隶属函数为么 ) ，u u 。设面积平分线对应的横坐标为u b i s ， 设u 口，b ，贝u i _ a ( u ) d u = 的) 如= 丢j ：砸) 如 如果论域u = 缸。，1 2 2 ，u n 是离散的，隶属函数下的面积多数为三角形、梯形或矩形， 这时只要求出总面积一半所对应元素的位置即可。 i 最大隶属度法( m a x i m u m ) 用隶属度最大点对应的元素值，代表这个模糊集合是一种最简单的方法以，称为最大 隶属度法。 但是这种方法往往有以偏代全之嫌，没能把隶属函数的全部信息包含进去。而且，由 于模糊集合是由多个模糊子集的并形成的，它的隶属函数曲线中有多处的隶属都取最大值， 这就要对这些取最大值的元素进行合理的整合，构建出一个点来代表这个模糊集合。 构建模糊集合代表点的常用方法有以下三种： i 最大隶属度平均值法( m o m ) 1 4 在模糊集合的论域上，有多个点都取最大隶属度值，则取这些点的平均值厅多横坐标作 为模糊集合的代表点，这个方法称为最大隶属度平均值法。 a ( u ) = m a ) 【( 4 ( “) ) ，j = l ，2 ，n ，有胛个点的隶属度都取最大值，u m o m 则取： 2 。 o ， i i 最大隶属度最大值法( 1 0 r e ) 如果在模糊集合的论域上，有多个点u 的隶属度都取最大值，可取这些点中坐标绝对 值最大的点“加作为模糊集合的代表点，这个方法称为最大隶属度最大值法。 设有刀个点的隶属度都取最大值，即a ( u ，) = m a x ( 彳 ) ) ，j = 1 ，2 ，n ，则取绝对值 最大的点m a x ( 1 “加= u k 作为模糊集合的代表点，即： u l o r a2 i ii 最大隶属度最大值法( s o r e ) 如果在模糊集合上有多个点鸭的隶属度都最大值，可取这些点中坐标绝对值最小的点 u 。作为代表点，这个方法称为最大隶属度最小值法。 设有他个点的隶属度都取最大值，即a ( u j ) = m a x ( 么 ) ) ，j = 1 ，2 ，n ，则取绝对值 最小的点m i n ( 1 u j i ) = u k 作为模糊集合的代表点，即： u , o m2 2 2 3 近似推理 模糊逻辑推理就是以模糊命题为前提，运用模糊推理规则得出新的模糊命题为结论的 思维过程，它是由经典逻辑中的直言三段论推理法则扩充而形成的。由于联系大前提和小 前提的概念是模糊的，所以常称这种模糊逻辑推理为近似推理或似然推理。 模糊逻辑推理合成法则，即由扎德所提出的近似推理过程如图2 4 所示。 其中尺是进行近似推理的大前提，是大量实验、观测和经验的总结，是对实践素材的 去伪存真、去粗取精后形成的模糊规则，即常说的模糊条件语句，是模糊推理中最可靠的 出发点和根据；彳幸是小前提，是进行模糊推理的条件。两者缺一不可。 图2 4 近似推理合成法则示意图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f s y n t h e s i so f a p p r o x i m a t er e a s o n i n gl a w s 合成法则公式如下： u ( “) = a ) 。r ( a ，u ) 合成法则中的符号“o ”表示f 关系合成中的“合成运算”，运算方法和普通矩阵乘法 一样，只是将“相乘”改为“取小”、“相加”改为“取大”。当然运算中也要求么( 口) 的列 数等于矩阵尺( 口，u ) 的行数，以保证彳+ ) 中每个元素都能通过尺( 口，u ) 映射到输出量 u ( “) 的一个元素。 在进行近似推理合成法则的运算中，由于选取的模糊蕴涵关系r 不同，使用的f 推理 合成算法不同，以及相应的组合不同，所得结果往往大不一样，需要根据实际情况进行调 整。在表2 1 中列选了一些常用的近似推理法则的合成算法。 合成法则矿= ( 么+ to r 中的模糊蕴涵关系r ，是由模糊规则的模糊条件命题构成的， 一般由多条模糊条件命题组成。 设一个模糊控制器中的模糊规则有n 条，即由刀个模糊蕴涵关系r j ，飓，r ，r 。 组成，则控制器的模糊关系”，就由这疗个模糊蕴涵关系r ，的“并”构成： r = r lu 垦u 冠u u r = u 巧 j - - i 将r 代入近似推理合成法则，得出： u = ( ) r 。r = ( ) r 。u 碍= u ( ( ) r 。弓) - u n 叼 ，= 1产1 、 j - l 式中q = 似to 弓。求输出量u 有两种计算顺序： 1 6 ( 1 ) 先算出以个尺，求出它们的并u 碍= r ，代入计算u 的公式： ( 2 ) 先算出行个叼，再求出它们的u 巧= u 。，即可。 表2 1 常用的近似推理法则的合成算法 t a b l e2 ic o m m o n l yu s e di nt h es y n t h e s i sa l g o r i t h mf o ra p p r o x i m a t er e a s o n i n gl a w s 连续论域的表达式 复合运算名称 ( 输入量4 ，a f ( x ) ，输出量u ，u f ( x ) ， r f ( x y ) ) 取大取小( 扎德法)u 奉( “) = 彳幸( 口) 。r ( a ，“) = v ( 4 ( 口) 人r ( 口，“) ) 口a 取大积v * ( u ) - - a 木( 口) 。r ( a ，“) = v ( 彳( n ) 木尺( 刚) ) a a 取小取大v * ( u ) - - a 宰( 口) 。r ( a ，“) = ( 么( 口) v 尺( 刚) ) a a 取大取大u 幸( “) = 4 幸( 口) 。r ( a ，“) = v ( a ( a ) v r ( a ，“) ) aea 取小取小u 宰u ) - - a 幸( 口) 。r ( a ，“) = a ( a ( a ) a r ( a ，“) ) 口a 取大平均 u 木( “) = 4 木( 口) 。r ( 口，“) = i 1v ( 彳( 口) + 尺( 口，“) ) 厶a a u 孝( “) = a 牛( 口) 。r ( a , u ) = 厂 ( 4 ( 口) r ( 叫) ) l 4 e aj 和积 厂 ) 是取值限制在【o ，1 上的逻辑函数 2 3模糊照度控制的策略 模糊照度控制器的设计目的：跟据设定的照度值进行恒定控制，即根据不同的照度值 恒值，进行恒值控制。为实现此目的，此部分软件步骤如下： ( 1 ) 将t s l 2 5 6 1 采集到的实测照度值厶，与系统设定照度厶进行比较，计算出照度 偏差e 并将其做为传递变量送入模糊控制算法子程序； 1 7 ( 2 ) 将e 的模糊量e 和其变化量e c ( 本文中用小写表示精确变量，大写表示模糊变 量) 输入模糊控制器中； ( 3 ) 模糊控制器根据e 和e c 的数据，选定需要的照度变化量么厶经过比例因子运 算后得么，； ( 4 ) 根据模式，将么，与设定照度值厶或者是实测照度值厶相加后，与转换系数扣 运算，得到需要的电压量u 的输出至d a c 0 8 3 2 ，进而控制照度。 因此，模糊控制器将采用双输入单输出模糊控制器完成设计。这种方法不仅能保 证系统控制的稳定性，而且可以减小超调量和振荡，通过转换模糊控制器的输出量“例， 控制单片机i o 口的d a c 0 8 3 2 的输出电压，进而控制控制对象的照度。这种控制方法对于 存在滞后、随机干扰或非线性的系统具有良好的控制效果，能够提高系统的控制精度和可 靠性。 模糊控制系统的输入为经过t s l 2 5 6 1 采集并计算后的照度信号厶，系统设定照度为厶， 则g = 厶一乞，编程时离散化为：e ( k ) = 厶( 后) 一z o ( 后) ，e c ( k ) = e ( k ) - e ( k 一1 ) 。 模糊控制器设计的步骤包括：清晰量的模糊化、模糊控制规则表、模糊量的清晰化。 2 3 1 清晰量的模糊化 在模糊照度控制系统运行中，模糊推理过程是通过模糊语言变量进行的，无论是偏差、 偏差变化率的输入，还是控制器的输出都是精确值，所以需要首先要它们转换成模糊集合 的隶属度函数。 对于输入模糊变量e 和e c 以及输出变量u 每个论域，都用2 卅j 个完备模糊子集覆 盖它，正整数根据变量而定。为了减轻c p u 的负担，所以输入模糊变量e 和e c 以及输 出玑其隶属函数都取三角形函数，而且三角形函数可以提高离散化后的精确度。 按下述方法选取后，做出如图4 6 所示的模糊子集及隶属函数分布。 ( 1 ) 对于变量e ，取n = 3 ，即用7 个f 子集覆盖e ，f 子集分布分别为n b ( 负大) 、 n m ( 负中) 、n s ( 负小) 、z o ( 零) 、p s ( 正小) 、p m ( 正中) 、p b ( 正大) 。如图4 6 ( a ) 所示。 ( 2 ) 对于变量e c ，取n = 2 ，即用5 个f 子集覆盖e c ，f 子集分布分别为n b ( 负大) 、 n s ( 负小) 、z o ( 零) 、p s ( 正小) 、p b ( 正大) 。如图4 6 ( b ) 所示。 ( 3 ) 对于变量u ，取n - - - - 3 ，即用7 个f 子集覆盖e ，f 子集分布分别为n b ( 负大) 、 n m ( 负中) 、n s ( 负小) 、z o ( 零) 、p s ( 正小) 、p m ( 正中) 、p b ( 正大) 。如图4 6 ( e ) 所示。 1 8 根据国际上推荐，精细作业行为下，照度宜在3 0 0 x - 5 0 0 x t 擂】，即此照明设备的照度论 域x = 3 0 0 ，5 0 0 】，将4 0 0 x 作为系统初始标准照度。考虑当照度稳定后，其值波动超过 p = 卜2 0 ，2 0 1 时对应模糊误差p m ，由量化因子公式乃= 2 乃i b - a j 计算可得屯= o 2 5 ， 其中乃- - 5 ，根据需要设定吒= 0 0 1 由比例因子吒公式丸= “n 计算可得吒= 5 。 兴) (滁- j 双漱。 一嬲 i p sp m甩 羚二 2 3 2 模糊量的清晰化 解模糊方法采用重心法，它对模糊量所含的所有元素求取其重心元素。这个重心元素 就是对模糊量解模糊化之后得出的精确值。重心法的特点在于全面考虑模糊量的有关信息， 同时执行运算较为容易。理论上，应该计算输出范围内一系列连续点的重心 “删= 两：a ( u ) u d u 考虑到是要在8 位单片机上实现，所以将其简化为计算输出范围内整个采样点( 若干 离散值) 的重心。通过足够小的取样间隔，既可以减少运算所需时间，又可以保证需要的 精度。经过比例因子后，考虑到本模糊控制器的精度为3 位正整数，故对结果进行取整处 理。 心n t 端， 么一广一i 7 2 3 3 模糊控制规则 经过分析与调试，得到的模糊控制规则表如下表4 1 所示： 表2 2 模糊控制规则表 f i g2 2f u z z yc o n t r o lr u l et a b l e e c e n bn sz op sp b n bp bp bp bp bp m n mp bp bp mp sz o n sp mp m p sz oz o z op mp sz on sn m p sz oz on sn mn m p mz on sn mn mn m p bn mn bn bn b n b 鉴于此模糊控制规则的特点，本文将通过对模式变量k 的控制，利用一个模糊控制核 心实现两种控制：抗干扰控制与跟随控制。 2 4本章小结 第二章中主要介绍了模糊控制系统的基本原理，仔细探讨了m a m d a n i 型模糊控制器的 原理和模糊控制的过程三个步骤：模糊化过程、模糊逻辑推理、清晰化计算，并对模糊照 度控制的策略进行了仔细的论述。 由于设定的误差范围为【- 2 0 ，2 0 ，所以当此种模糊控制器的处于跟随模式时存在缺点： 即下次设定的照度值不能大于当前设定照度值，即： 厶( 七十1 ) 一厶( 忌) 1 2 0 i 2 0 解决的办法在于编程时，可以按照模式的不同，对量化因子屯、k 和比例因子吒进 行不同的设定，走分支程序进行或者利用函数传递解决。 2 1 第3 章模糊照度控制器的硬件设计 3 1模糊照度控制器的被控对象 目前市场上的相应灯具按其灯泡种类可分为三种：一种是普通的白炽灯，种是卤素 灯、另一种是荧光灯。采用普通的白炽灯泡或卤素灯，其优点是价廉、发光的连续性能好， 但耗能多，尤其夏天会使人感到热。由于灯丝发光较集中，如果其功率稍大就会产生眩光， 如果其功率稍小，又会造成照明度不够，而且频闪问题严重。另一种普通荧光灯，因荧光 管发光面较大，从而被照射面采光较均匀，被照射物后影形较小，对眼睛有较小干扰。但 它的显色指数低，且其频闪效应使眼睛容易疲劳。至于寿命结束的含汞灯，由于其含有汞， 更不能随便废弃和破碎，而应集中处理以回收有害物质，一些发达国家已有相应立法。l e d 灯作为家用光源使用则是近些年来的新趋势，特别是以大功率l e d 管作为灯泡的灯具，其 中大功率l e d 台灯是本系统控制器考虑的对纠2 丌。 大功率l e d 台灯是用金属结构配合大功率发光管制成。能够结合装饰和照明效果，性 能稳定，安全环保，耗能极低，是非常理想的下一代环保台灯产品，其功能及特点如下： ( 1 ) 节能：光源采用大功率l e d ，能耗低，效率高。功率：3 w 4 w ； ( 2 ) 环保：无污染、紫外线、红外线和热辐射； ( 3 ) 保健护眼：采用低压恒流电源，无频闪，无眩光，照射面积广，亮度均匀，视觉 效果好。真正做到了发光柔和、平稳、连续，接近自然光，是真正的理想光源； ( 4 ) 经久耐用：l e d 灯的寿命长达5 0 0 0 0 小时。采用金属结构，金属质感强，结实 耐用： ( 5 ) 照度充足：在台灯发光部位距桌面3 5 0 - - 4 0 0 毫米条件下，桌面照度可达到5 0 0 x 以上【2 引。 虽然目前大功率l e d 台灯正处在市场开拓阶段，其价格偏高，且客户对其了解甚少。 但考虑到它的诸多优点，如护眼、省电、环保和长寿命，其未来的市场潜力巨大。可以预 计，在不久的将来，随着大功率l e d 台灯成本的不断下降，它的市场会有爆炸性的发展。 3 2 系统硬件设计 本系统的硬件设计，将以a t 8 9 s 5 2 为核心控制器，主要包括控制电路、t s l 2 5 6 1 测光 电路、l e d 显示电路，键盘电路、外部存储器电路、输出控制电路等。 模糊照度控制系统的结构框图如图3 1 所示。a t 8 9 s 5 2 将采集t s l 2 5 6 1 测量后，通过 传感器提供的经验公式转换后，得到的实测照度厶。将实测照度值厶与系统设定值厶进行 比较，根据其偏差值和其变化量，采用模糊控制算法进行运算，d a c 0 8 3 2 对在输出电压进 行控制，以实现照射范围中心照度的恒定控制和跟随控制。单片机a t 8 9 s 5 2 将把采集的照 度值l i 用和系统设定的照度值厶交错显示，控制器同时在e 2 p r o m 型号为2 4 c 0 1 的存储器 中存储的最近十次使用的照度值，并将其中使用次数最多的照度值做为下次开机的照度值， 键盘电路实现对控制的照度设置。 指示灯l 一 光敏传感器 i 光源 单 ， 丁 i l 功显示电路片 机 键盘l ， 一e 2 p r o m 图3 1 模糊照度控制系统的结构框图 f i g 3 1s y s t e mb l o c kd i a g r a mo ff u z z yc o n t r o li l u m i n a n c ys y s t e m 3 3主控模块的器件造型与设计 3 。3 。1 单片机a t 8 9 s 5 2 a t 8 9 s 5 2 是美国a t m e l 公司生产的低电压、高性能c m o s 8 位微控制器，具有8 k 可 编程f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产 品指令和引脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器可编程，亦适于常规编程器。在单芯 上，拥有灵巧的8 位c p u 和在系统可编程f l a s h ，使得a t 8 9 s 5 2 为众多嵌入式控制应用系 统提供高灵活、超有效的解决方案。 a t 8 9 s 5 2 主要性能如下： ( 1 ) 与m c s 5 1 单片机产品兼容； ( 2 ) 8 k 字节在系统可编程f l a s h 存储器； ( 3 ) 1 0 0 0 次擦写周期； ( 4 ) 全静态操作：0 h z - 3 3 h z ； ( 5 ) 三级加密程序存储器： 2 3 ( 6 ) 3 2 个可编程i o 口线； ( 7 ) 三个1 6 位定时器计数器； ( 8 ) 八个中断源； ( 9 ) 全双工u a r t 串行通道； ( 1 0 ) 低功耗空闲和掉电模式； ( 1 1 ) 掉电后中断可唤醒； ( 1 2 ) 看门狗定时器： ( 1 3 ) 双数据指针； ( 1 4 ) 掉电标识符。 3 3 2 光敏传感器t s l 2 5 6 1 t s l 2 5 6 1 是t a o s 公司推出的第二代周围环境光强传感器，具有高速、低功耗、宽量 程、可编程灵活配置的优点。 t s l 2 5 6 1 主要性能如下： ( 1 ) 模糊人眼反应去控制屏幕背光和键盘照明； ( 2 ) 在多种照明条件下精确测量照度，为照相机提供曝光控制； ( 3 ) 具有可编程中断功能，当照度超过用户定义的上下阈值时给出中断； ( 4 ) 1 2 c 可达4 0 0 k h z 高速模式； 一 ( 5 ) 模拟增益和数字输出时间可编程控制，支持1 , 0 0 0 ，0 0 0 l 的动态变化区间； ( 6 ) 1 2 5 m m * 1 7 5 m m 超小封装，低功耗模式下，耗仅为0 7 5 m w ； ( 7 ) 自动抑制5 0 h z 6 0 h z 光照波动； t s l 2 5 6 1 可以把光照照度转换成数字信号，通过1 2 c 接1 2 直接输出的光强传感器。它 在单个c m o s 集成电路上共集成了二个光电二极管，一个是宽范围( 可见光+ 红外光) 和 一个红外光的，提供了一个接近明视反应，有效位达到2 0 位动态范围( 具有1 6 位分辨率) 。 内部集成的两个a d c 将光电二极管电流转换为数字信号输出，代表两个通道各自测量到的 辐照。输出的数字量可以作为微处理器的输入信号，其通过经验公式转换成接近人眼感觉 的照度值，单位为l u x 。t s l 2 5 6 1 支持传统的中断形式，除非固件清楚中断否则一直保留中 断信号 2 9 j 。 t s l 2 5 6 1 内部功能框图如图3 2 所示： 图3 2t s l 2 5 6 1 内部功能框图 f i g 3 2f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f t s l 2 5 6 1 3 3 3 e 2 p r o i i | 卜一a t 2 4 c 0 1 a t 2 4 c 2 1 提供电可擦除的串行1 0 2 4 位存储或可编程只读存储器1 2 8 字( 8 位- 7 ) 。芯 片在低压的工业与商业应用中进行了最优化，通过2 线制串行接口进行数据传输。 a t 2 4 c 0 l 主要性能如下： ( 1 ) 低压和标准电压运行模式：2 7 ( v c c = 2 7 vt o5 5 ；1 8 ( v c c = 1 8 vt o5 5 v ) ； ( 2 ) 内建1 2 8 8 存储序列； ( 3 ) 2 线制串行接口； ( 4 ) 双向数据传送协议； ( 5 ) 1 0 0 k h z ( 1 8 v , 2 5 v 2 7 v ) 和4 0 0 k h z ( 5 v ) 和兼容； ( 6 ) 4 字页写方式； ( 7 ) 写同步时钟( 最大1 0 m s ) = ( 8 ) 高可靠性：i m 写时钟周期；数据可保存1 0 0 年； ( 9 ) 提高了的可用温度范围。 3 4控制电路设计 控制电路中主要包括时钟电路、复位电路、键盘电路等。 3 4 1 时钟电路 x t a l l 和x t a l 2 引脚为时钟输入和输出，设计中采用1 2 m h z 的晶振作为外部时钟输 入。时钟电路如图3 3 所示。 1 3 0 p x t a l l 当蹦 工r x t a l 2 图3 3 时钟电蹯 f i g 3 3c l o c kc i r c u i t 3 4 2 复位电路 模糊照度控制系统采用手动复位，如图3 4 所示。a t 8 9 s 5 2 的复位引脚是第9 脚，当 引脚连接高电平超过2 个机器周期，即可产生复位的动作。由于系统采用1 2 m h z 时钟，故 只要第9 脚上连接一个2 s 以上的高电平脉冲，即可产生复位动作。 ：= 图3 4 复位电路 f i g 3 4r e s e tc i r c u i t 3 4 3 键盘电路 为提高c p u 使用效率，减轻c p u 的负担，降低单片机的使用功耗，采用软件中断方 式进行键盘扫描，键盘控制中利用软件实现分时复用。键盘电路如图3 5 所示。p 2 0 、p 2 1 、 p 2 2 、p 2 3 分别命名为：s e t