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
年发表了著名
论文
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“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
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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 ,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
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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
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