模糊控制技术在单板机中的应用.doc

模糊控制技术在单板机中的应用近年来，模糊控制技术已逐渐为广大技术人员所接受。模糊控制与单片机应用的结合，使模糊控制技术更加实用化。年月，在广州召开的全国单片机学术交流会上，、等公司纷纷介绍了他们新近推出的、已在单机上实施的模糊推理软件，引起与会者的极大兴趣。本期专题特邀请有关的技术人员撰文将这些软件介绍给大家，希望能对该项技术在我国的广泛应用起到积极的作用。这些文章是：模糊控制技术在单片机中的应用的模糊控制软件神经元网络模糊逻辑控制设计模糊逻辑基系统的软件工具 模糊逻辑系统开发环境家用电器的模糊控制技术本期技术纵横：性能先进的快闪存储器正向主流市场挺进年，美国教授提出了模糊集合（）的概念，开创了模糊控制技术的应用，并在年代的工业控制等方面得到了应用。特别是年代，模糊控制技术在日本的家用消费类产品中得到成功的应用，使相应的产品身价百倍。年代，模糊控制技术在单片机上得到进一步发展，使模糊控制技术更加实用，应用也更加广泛。一、模糊逻辑的过程自然界的许多现象很难用“是”或“不是”、“对”或“不对”这样非此即彼的精确语言来描述。如气温的描述只用“冷”或“热”就显得过分简单，故人们往往会用“很冷”、“冷”“较冷”、“稍冷”、“温暖”、“稍热”、“较热”、“热”、“很热”这类亦比亦彼的模糊语言来描述。模糊语言事实上最接近自然的语言。要用实现（，）双值逻辑的传统计算机来实施模糊逻辑控制，就要通过模糊化（）、模糊规则推理（ ）和逆模糊化（）三个步骤.输入的精确量通过模糊化转换成输入模糊量；通过模糊规则推理所得出的输出模糊量，再通过逆模糊化转换成输出精确量。因此，从某种含义上来讲，模糊化和逆模糊化过程很类似于、转换。输入和输出的模糊量一般用输入和输出隶属函数来描述，而模糊规则推理常采用“”条件语言来推理。例如，在倒摆控制系统中，输入为角度和角度变化量，输出控制量为马达速度。若这个摆向右倒，马达将用一个负值去补偿；若这个摆向左倒，马达用正值去补偿；在平衡是马达的速度为零。输入和输出变量分为（负大）、（负中）、（小）、（零）、（正小）、（正中）、（正大）级模糊量。如果现在倒摆的角度，角度变化。首先，如图所示，把及的输入精确量模糊化，得出相应输入模糊量的隶属度。的隶属度为，的隶属度为；的隶属度为。其次，经过 和 的模糊规则推理得出规则的结论。第一条规则的输出力度为，第二条规则的力度为（条件项取小）。最后，对所得输出模拟量进行逆模糊化，把输出模糊量转换成精确量。二、实现模糊控制的方法目前，实现模糊控制的方法有查表（ ）、硬件专用模糊控制器和软件模糊推理等。查表法输入的隶属函数、模糊规则和输出隶属函数都用表格来实现，从而使输入模糊化、模糊规则的推理和输出逆模糊化都可通过查表来实现。该方法结构简单，实施方便，资源开销少，因而早期的模糊控制多采用这一方法。但是，此方法精度不高，且更改模糊规则和隶属函数较为困难，故常用于家用电器和简单的控制系统。硬件专用模糊控制器这一方法是实现模糊控制的方向，如公司的、公司的等模糊控制器已经开始应用。硬件专用模糊控制器推理速度快，控制精度高；但是，价格比较贵，输入、输出以及模糊规则有限（不够灵活）。因此，目前应用还不十分广泛，主要用于工业控制领域。软件模糊推理法模糊逻辑控制的输入模糊化、模糊规则推理和输出逆模糊化三个过程都用软件来实现。该方法通用性强，应用范围广，而且资源开销不大，可以用单片机来实现。但是，推理执行要花费时间，同时也要求单片机有较高的运算速度。在上述三种方法中：查表法以往应用得较普遍；硬件专用模糊控制器由于价格较贵，目前应用量还不大；软件模糊推理法正在逐步取代查表法，并结合在单片机中的实施，即将诞生新型的硬件模糊控制器。三、模糊推理软件及开发工具目前，、 （）和等公司都为其生产的单片机配备或研制了相应的模糊推理的软件和开发工具：公司将 公司的用来开发和单片机，使用户能直接用语言来开发，并能对所编写的软件进行优化和模拟调试。公司较早地为其和单片机配备了模糊推理软件核，以的形式向用户提供，并和公司（我国留美学者创办的公司）一起研制了模糊控制开发工具，该软件具有图形显示、跟踪调试和模拟运行等功能。公司则首先推出了将神经元网络和模糊控制结合在一起的商品软件。用神经元网络的自学习功能，通过输入和输出数据，能自行生成输入模糊隶属函数和模糊推理的规则；由模糊控制软件进行模糊推理和控制，从而使模糊控制更容易被用户接受，能更方便地开发。这是模糊控制软件的重要发展。公司早已把模糊控制与单片机相结合应用于日本的家用电器。早期是在四位单片机上用查表方法实现模糊控制。目前，已为其各种单片机配备了相应的模糊推理软件和开发环境，提供了编程、调试和模拟等能功。此外，日本的、和韩国的等公司都推出了相应的模糊推理软件，使这些公司的单片机广泛应用于家用电器的模糊控制之中。四、模糊推理软件的实现特点上述模糊推理软件在实现模糊控制的输入模糊化、模糊规则推理和输出逆模糊化时有以下几个特点：输入模糊化由于是在单片机中实现的，因此，输入的隶属函数一般采用三角型（型）、梯型（型）、钟型（正态分布型）和半梯形（型或型）。三角型和半梯型可以看作是梯形的特殊形式，而钟型也可以看作为梯型。故等公司的软件都用点（或点斜率）来描述（单片机则采用了点斜率）。公司采用点来描述钟型隶属函数，使其能更接近实现的正态分布状况。这样，输入变量可通过查表匹配，把输入的精确量转换成相应模糊量的隶属度。模糊推理一般采用取大（）和取小（）的推理方法。模糊规则通常为“前提前提 结论”的条件语句，即条件项中取前提项最小隶属度作为该条件规则结论的等级，而相同的结论项则取最大值。为了使条件项输出的等级更近实际情况，有的软件（如 ）还加上了规则支持等级，通过与上述的复合操作来作为结论的等级。单征机一般不支持高级语言的编译，因此， 条件语句是经过特殊格式的规定来执行的。例如，对于二个前提一个结论的条件语言只需三个字节就可加说明。输出逆模糊化把模糊量转换成精确量一般有以下三种方法：最大的隶属度方法，又称为极大平均法（）。取结论中对应最大隶属度的精确度的精确量作为输出的精确量。若这样的对应点不是唯一的，则取这些点的算术平均值。加数平均法，又称极大中心法（）。是对所得的推理结论进行加数平均来计算输出精确量。重心法，又称面积中心法（）。该方法通过计算输出结论隶属度所截的面积累加后再加以平均。上述三种方法中，最大隶属度方法最简单，但误差也较大，在查表法模糊控制中常采用该方法，在模式识别时也常采用；后二种方法是模糊控制较多采用的方法，但重心法计算较复杂，实现速度较慢；故在单片机中，一般多采用加数平均法。对用户来说，特别是对初学者来说，输入隶属函数的生成和模糊规则的确定会有一定的困难。因此，各公司在为单片机配备模糊控制软件的同时，还配备了相应的开发系统和开发环境。和的（ ），在的支持下，可以进行模糊模拟、跟踪调试、三维图形显示和直接产生单片机的实时编码。 的在的支持下，具有图示、模拟、调试和优化等功能，并能直接生成和单片机的编码。 公司的开发系统，可以开发的、的（）及、和的单片机。公司的在的支持下，通过神经元网络的自学习自行生成输入隶属函数和隶属函数和模糊规则，经过多次学习及优化，可以达到作户所要求的误差，然后生成单片机的编码。五、结语目前，采用模糊推理软件是适宜