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1、单片机模糊控制技术陈勇江西城市职业学院机电学院摘要本文介绍了模糊逻辑的基本概念和摸糊控制的方法，井介绍了一 种实用的单片机模糊控制系统。关键词： 模糊逻辑 ，模糊控制，隶属函数1模糊逻辑的基本概念在日常生活中，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 它既符合自然界的规律，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 “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
2、) 在2025C之间为温，若根据计算机的(0, 1)双值逻辑方法，20.1C 为温，而l9.9C则不为温(如图1所示)。而对于人的感觉来说,20.lC 和19.9C是差不多的。显然，这种“非此亦彼”的思维方法与人们 的日常思维习惯不符。而模糊逻辑相对于双值逻辑为连续逻辑，它把1温执J八、1f02()2545图1双值逻辑表示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 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. 1C其温的隶属度为0
3、.6,冷的隶属度为0.4； 19.9C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。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。例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，只不过语句中的输入变量温度(t)和输出变量转速(R)都为模糊 量。因此，存在1 个由双值逻辑到
4、连续逻辑的转换问题，它可由模糊 推理来解决。模糊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。输人模糊控制规则模糊化L模糊推理!11逆模糊化模糊输入变隋模糊输出变晨输出图3模糊推理莊图21 模糊化分析上例中的3条规则得知，经验把温度(t)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。22 模糊推理
5、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1F tHot THEN RWHigh形式的推理规则。其中t eHot称为前题，RHigh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(MINMAX推理方 法) ，该过程就是模枷推理过程。23 逆模糊化逆模糊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米用加权平均COG)法。 它的计算公式为：
6、式中n：模糊子集数；F：模糊输出变量i、：模糊子集i的 单点值。输出隶属函数: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图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。31 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 e （模拟量），另一个为误差变化输入!（模拟量）。输出为控制变化量 u（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M68HC11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
7、（A / D）和数模转换器，不必考虑外部转换电路的接口设计。32 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:NLe（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、 PLe。它们的隶属函数如图5所示。图中横坐标取决于实际的给定值W和反馈测量值A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T28+127。 在执行W-f,的计算后，乘以一个比例因子Ke,把差转换成-128+127 之
8、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33 输出隶属函数的定义我们可把输出隶属函数定义成7个：NLU、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-128+127之问等分取值例如取：NLU =-120、NMU=-80、NSU=-4O、 ZRU=0、 PSU=40、 PMU=80、 PLU=120。34 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
9、,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：z/eNLeNSeZRePSePLeNLcFLUPMUPSUZRUNScFLUPN1UPSUZRUNMUZRcPWPMUZRUNMUNLUPScPMUZRUNSUNMUNLUPLcZRUNSUNMUNMUNLU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.这样总的规则数为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模糊控制的基本技 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
10、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38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：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。参考文献1涂时亮.MC68HC05单片机原理.应用技术手册.上海：复旦大学 出版社19913753772刚寒冰等.M68HC11原理与应用北京：北京理工大学出版 社19931019、367381
