基于單片機(jī)的模糊控制系統(tǒng)

1 引言
模糊控制(Fuzzy Control)是目前自動(dòng)控制研究中活躍而富有成果的領(lǐng)域之一，模糊理論是當(dāng)前能用來(lái)對(duì)信息進(jìn)行軟處理的最新技術(shù)，可以將人的定性思維和判斷方法定量化 為適合計(jì)算機(jī)處理的過(guò)程，使計(jì)算機(jī)能判斷像“大概”、“輕”這樣的模糊信息。采用傳統(tǒng)控制理論，不管是用經(jīng)典控制理論還是用現(xiàn)代控制理論來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系 統(tǒng)，都需要事先知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。然而，在許多情況下被控對(duì)象(或生產(chǎn)過(guò)程)的精確數(shù)學(xué)模型很難建立；像建材工業(yè)生產(chǎn)中的水泥窯、玻璃窯，化學(xué) 生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，食品生產(chǎn)中的發(fā)酵過(guò)程，還有眾多爐類的熱處理過(guò)程。諸如此類過(guò)程具有變量多，各種參數(shù)存在不同程度的時(shí)變性；且過(guò)程具有非線性，強(qiáng) 耦合，較大的隨機(jī)干擾、過(guò)程機(jī)理錯(cuò)終復(fù)雜、存在各種不確定性以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量手段不完善等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得建立這一類過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型的難度很大，或甚至 根本辦不到。
模糊控制是基于規(guī)則的智能控制方式，它不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，特別適合對(duì)具有多輸入一多輸出的強(qiáng)耦合性、參數(shù)的時(shí)變性、嚴(yán) 重非線性與不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)或過(guò)程的控制，且控制方法簡(jiǎn)單，魯棒性好[1][2]。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于一般的電子產(chǎn)品在國(guó)外已是很普遍的現(xiàn)象，單片機(jī) 常用的控制器件，把二者結(jié)合起來(lái)，可使控制器的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的目的。本文就是通過(guò)利用單片機(jī)作為平臺(tái)，圍繞模糊控制規(guī)則，以模糊推理算法作為控制系統(tǒng) 核心，開發(fā)出具有自校正能力的通用的模糊控制器。最后以一個(gè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)為實(shí)例介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。
2 模糊控制系統(tǒng)的組成及原理
2.1模糊控制系統(tǒng)的基本組成與原理

圖1 模糊控制器原理圖
如圖1所示，模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心部分，也是和其它控制器最大區(qū)別環(huán)節(jié)。模糊控制器有四個(gè)基本部分組成：
(1)模糊化。把輸入信號(hào)映射到相應(yīng)域上的一個(gè)點(diǎn)后，將其轉(zhuǎn)化為該論域上的一個(gè)模糊子集，即把輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量。
(2)知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的目標(biāo)，通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊規(guī)則庫(kù)兩部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含各語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)，尺度變換因子和模糊空間的分級(jí)數(shù)等;規(guī)則庫(kù)包含了用模糊語(yǔ)言變量表示的一系列控制規(guī)則，他們反映了控制專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。
(3)模糊推理。模糊推理是模糊控制的核心，它具有模擬人的模糊推理的能力。該推理過(guò)程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來(lái)進(jìn)行的。
(4)清晰化。清晰化又稱為解模糊化，作用是將模糊推理得到的控制量(模糊量)變換為實(shí)際的可用于被控對(duì)象的精確量。它包括兩部分的內(nèi)容：一是將模糊的控制量經(jīng)解模糊化變換變成表示在論域范圍的精確量；二是將表示在論域范圍的精確量轉(zhuǎn)換成實(shí)際的控制量。

2.2 模糊控制系統(tǒng)的基本工作原理
模糊控制系統(tǒng)通常由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(包括PC機(jī)、單片機(jī)、單板機(jī)以及DSP等)，一般設(shè)計(jì)思想是：
1.以誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器輸入量，u為輸出控制量。定義誤差e和誤差變化率ec及輸出變量u的模糊集及論域。
例如:
e和ec的模糊集為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}
u的模糊集為{NB，NM，NS，NO，O，PO，PS，PM，PB}
e的論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}
ec的論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}
u的論域{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}
其中：NB，NM，NS，NO，O，PO，PS，PM，PB分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，零，正零，正小，正中， 正大這樣的模糊語(yǔ)言變量。
2.確定模糊規(guī)則R(模糊關(guān)系)。
例如:
if e=NB or NM and △e=NB or NM，then u=PB
or
if e=NB or NM and △e=NS or O， then u=PB
3.模糊語(yǔ)言變量確定隸屬函數(shù)，即對(duì)模糊變量進(jìn)行賦值。
4.計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)采樣和A/D轉(zhuǎn)換獲得被控量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)e和ec。把e和ec模糊量化，得到e和ec的模糊子集(實(shí)際是模糊向量e和ec)。
5.根據(jù)模糊向量e、ec和模糊控制規(guī)則R，按推理合成規(guī)則進(jìn)行模
糊決策，得到控制量(模糊向量u)。
3 基于單片機(jī)的溫控系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)有溫度傳感器DS18B20 , ATmega8單片機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，外圍電路包括鍵盤，LED顯示以及保護(hù)電路構(gòu)成的閉環(huán)控制回路，控制對(duì)象為水溫。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。