单片机模糊控制技术

微 电子学与计算机 1996年第 3期 牛 单片机模糊控制技术 ， 陈 勇 ’ _●- ●●- 一 (南昌大学物理系 ．江西 330047) ^摘 要 本文介绍 了模糊 逻辑 的基本 概念书 摸糊控 制的方法 ，井介绍了一 种实用的单 片机模糊控制 系统 。 关键词 垄塑蒌 ，基塑．苎型 查墨量塞 1模糊逻矗的基本概念 u 在 日常生活中，人们所谈论的年龄老中青、 体形胖瘦、身材高矮、气候冷热等概念 ，都具有 含义不确切、边界不清晰的模糊性。但是 ，它既 符台自然界的规律，又符合人们的习惯思维方 法 美国加州大学控 制论教 授 Zadeh在 1965 年发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 了著名论文“Fuzzy Sets(模糊集台)”， 首先提 出了处理模糊现象的数 学新概念—— “模糊子集”，并引入了隶属函数的定量描述方 法 。 例如对环境温度的感觉是冷、温、还是热 ． 我们可以定义温度(f)在 20~25~C之 间为温 ， 若根据计算机 的(0，1)双值逻辑方法，20．1。C 为温，而 l9．9。C则不为温(如图 1所示1。而对 于人的感 觉来说，20、loc和 I9．9~C是差不多 的。显然，这种“非此亦彼”的思维方法与人们的 f ℃ 圈 i 双值逻辑表示 *本刊 1995年 2月收到 T P21 3 日常思维习惯不符。而模糊逻辑相对于双值逻 辑为连续逻辑，它把每一个输入输出模糊量分 为若干等级 ，即若干模糊子集，每个模糊子集都 可 以用“梯形”或“三角形”的隶属函数 来表 示，且相邻之间的隶属函数允许重迭。例如对温 度的冷、热，可以定为义围 2所示的 3个模糊子 集的隶属函数。它用隶属度来描述温度的冷温 热。如 2 0．1oC其温的隶属度为 0．6，冷的隶属 度为 0．4；19，9oC温的隶属度为 0．4，冷的隶属 度为 0．6 见图 2)。显然．模糊逻辑对温度冷热 的描述，符合自然规律 它的 亦此亦彼”的思维 方法易于被人们的认识规律所接受。 ， ／ C 图 2 摸糊逻辑丧示 2 模糊控制的方法 下面我们从一个例子来看模糊控制的基本 方法 。 倒如用模糊逻辑控制家用电扇，根据室内 温度来控制马达的转速 根据经验 ，可采用以下 简单的 3条控制规则 (1)如果温度热马达转速就高 ； (2)如果温度温马达转速适中 ； (3)如果温度冷马达转速就低。 用计 算机软 件是很容易实现上述的如果 ⋯ ⋯ 就 ⋯⋯的条件语句 的，只不过语句中的输 维普资讯 http://www.cqvip.com 1996年第 3期 徽电子学与计算机 入变量温度 (f)和输 出变量转速 ( )都为模糊 量，而计算机真正的输入输出都是精确的数字 量。因此 ，存在 1个由双值逻辑到连续逻辑的转 换问题，它可由模糊推理来解决 。横铷推理器是 模糊控制系统 的核心 ，由模糊化、模糊推理、逆 模糊化 3个模块组成，见下图 3。 I南^ 输^隶属函数 模糊控制规 则 输出隶属函数 模糊j盲人变 量 模糊输出变 量 图 3 模糊推理框图 2．1 模糊化 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 上例中的 3条规则得知，经验把温度 (f)分为 3级 (即 3个模糊子集 )：热(Hot)、温 (Warm)、冷(Cold)；把马达转速分为 3个模糊 子 集：高 速 (High)、中 建 (Medium)、低 速 (Low)。这些输入输出模糊子集 ，用图2所示的 方法 ，就可定义成输入输出隶属函数。 模糊化是把输入数字量通过输入隶属函数 转换成模糊输入变量，即找出相应的隶属度。 2．2 模糊推理 模糊推理是依据控制规则进行的。对于前 述的风扇控制系统有； 一 1F f∈Hot THEN R∈High 形式的推理规则。其中 ￡EHot称为前厨 +R∈ High称为结论。在推理时+各个前题 的值等于 它的隶属度 。当 1条规则只有 1个前题．则前题 的隶属度为该规则结论 的隶属度 ；若有 2个或 2个 上的前题 ，取 各前提中隶属度的最小值 作为该规则结论的隶属度，而输出结论的隶属 度等 于 各条 规则 结论 的隶属 度 中 的最 大值 (M1N—MAX推理方法)，该过程就是模枷推 理过程 。 2．3 逆模糊化 逆模期化是根据输出隶属 函数，把模糊输 出变量转换成数字量输出。对于单片机系统，考 虑到计算简便．一般采用加权平均(COG)法。 它的计算公式为： COG一 ∑F．S．／ F i-- L J一 】 式中 n：模糊子集数 ； ：模糊输出变量 i； S ：模糊子集 i的单点值。输出隶属函数 S采用 单点法表示，每个输出隶属函数用一个字节存 放其单点值，以此作为参数调整系统的输出。 3 单片机模糊控制系统 围 4是 由一种通用的模糊推理器组成的单 片机模糊控制系统，现说明其设计方法。 艇 札 ．f 囝4 单片机模期控制系统 3．1 系统结构 由系统结构框图可知，模糊推理器的输入 为 2个：一为误差输入 c(模拟量)，另一个为误 差变化输入 △u(模拟量)。输出为控制变化量 △“(模拟量)，经过驱动电路，至控制对象。图中 的单片机及其模糊推理器可使用 Motorola公 司生产的 M68HCll系列单片机及相应的模糊 推理软件，该系列单片机为 8位增强型单片机 ， 片内已设置了模数(A／D)和数模转换器，不必 考虑外部转换电路的接口设计。 3．2 输人隶属函数的定义 根据实际问题的需要，首先要确定一组模 糊语言 词汇 英语3500词汇语境记忆pets3考试词汇二年级反义词和近义词初中词汇词汇大全考研英语二高频词汇表 ，也就是说一定量纲上的某一范围 内的数值。对于误差输入 可定义 5个模糊子 集 ：NI e(负大)、NSe(负小)、ZRe(零)、PSe(正 小)、PLe(正大)。对于误差变化输入 △ 同样可 定义 5个模糊子集 ：NLc、NSc、ZRc、PSc、Pi e。 圭翠 一 一 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 散电子学与计算机 1996年第 3期 它们1 ．佑属函数如图 5所示。 O 田 5 误差输^束辑函 数 图中横坐标取良于实 际的给定值 和 反 馈测量值 ^的量纲及数值大小 。为了通用起 见．也可取 e为某一固定区间值 ，如为一128～ +127。在执行 一，的计算后 ．乘 以一个比例 因子 Ke，把差转换成一128～+127之间的数 这种方法的最大好处在于 ：如果改变 Ke，在不 改变输入隶属 函数的定 义和控制规则的情况 下 ．也能改变控制特性 这可用于系统调试 ，也 可用于自适应模糊控制系统 3．3 输出隶属函数的定义 我们可 把输出隶属 函数 定义成 7个 ⅣⅢ 、NMU、NSU、ZRU、PSU、PMU、PLU， 它 们的单点值取决于实际的应用系统 为方便 起见，也可在 一 128～+127之问等分取值 例 如取 lⅣLU=一120、NMU=一80、NSU一 一 4O，ZRU = 0、PSU 一 40，PMU = 80、P叫 = 120。 3-4 控制规则设计 建立控制规则就是把文字描述的针对具体 控制对象或过程的手动操作策略用模糊条件语 句集表示。这个语句集应是完备的．周密地考虑 到全部手动控制过程中可能出现的情况和相应 的操作，一般可以专家经验作为基础。本系统消 除误差的二输入控制规则可设计成下表形式： NLe Nse ZRe PL NLc P山 pMU PM U PSU ZRU NSc Pl j PMU PsU z}礓二 NMU ZRc P P豫 i z NMU N PSc PMU Z}珏j NSU N MU N m PLc Z NSU NMU IqMU NLU 表中列出了 25条规则 ．但由于输出为零等价于 该条规则不存在，所以在存放时不必存放结论 为 ZRU的5条规则 ．这佯总的规则数为20条。 4 结束语 我们只从基本概念出发介绍了用单片机实 现馍铷控制的基本技术，还未涉及控制规则的 可调整及控制的自寻优。尽管如此．上述控制系 统还是具有以下特点： (1)开发方便；模糊推理处理的各个功能部 件是独立的．便于安装和改进；且每个输入输 出 只需 3～8个模糊变量，隶属函数一般可使用简 单的梯形或三角形，只需几条至十几条规则就 可完成复杂的控制任务。 (2)所需硬件资源少：M68HC11模糊推理 器 只需 266字节 程序 和 100多 字 节数 据 的 ROM 空间及 50几字节的 RAM 空间。 (3)应用范围广；可实现没有数学模型或由 于太复杂以至不可能实现的控制 系统 (4)可靠性高j模糊输出是多条规则的总体 效果．当一条规则 出错．其它规则可补偿其影 响，输出不至于有大的变化。 枣 考文献 1 埭时亮．MC68HC05单 片机原理．应用技术手册．上 海 ：复 旦大学出版社 ．1991．375~377 2 刚寒冰等．M68I TCI 1原理与应用．北京：北京理工 大学 出版社．1993．10~19、367～381 (陈玉琴编发) Fuzzy Control Technology for Single Chip M i— cro Computer Chen Yong(Department of Physics·Nanchang Uni· versity Nanchang．330047) In this paper we introduced the basic concept of fuzzy logic and the method of fuzzy control- We still introduced a useful fuzzy control system ／or single chip micro computer． Keywords j Fuzzy logic·Fuzzy contro1．Mem— bership function 域 维普资讯 http://www.cqvip.com