【導(dǎo)讀】理的過程，使計算機能判斷像“高”、“中”、“低”這樣的模糊信息。整；它的算法簡單、執(zhí)行快、容易實現(xiàn)，不需要很多的控制理論知識。用于電子產(chǎn)品和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。而單片機也是廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，而且。性能指標(biāo)達到最優(yōu)的目的?？刂频臏囟瓤刂葡到y(tǒng)，該模糊控制器由AT89C52單片機及其擴展電路組成。模糊化，以調(diào)節(jié)繼電器的導(dǎo)通，使溫度保持恒定。系及其合成和模糊算子等；糊控制算法，并利用MATLAB進行仿真實現(xiàn)；行設(shè)計，包括硬件與軟件實現(xiàn)。模糊規(guī)則為核心的。模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)上的。設(shè)U為離散或連續(xù)的集合，用{u}表示，U被稱為論域，u表。所謂的集合就是指具有某種特定屬性的對象全體。并不表示“積分”，大致說，-15℃以下是冷的，-15℃以上是。因而隸屬函數(shù)的確定是一個關(guān)鍵問題。隸屬度函數(shù)實質(zhì)上反映的是事物的漸變性，因此，它仍然。于至多不超過兩個隸屬度函數(shù)的區(qū)域；對于重疊指數(shù)的選擇有以下經(jīng)驗知識:一般取重疊率為～為宜，

　　

【正文】 3， 4， 5,6]，則偏差 E 的量化因子 6130 5ek ??,對于溫度偏差 E 基本論域中的任何一個量，都可以乘以量化因子后四舍五入得到論域中的相應(yīng)量 , 誤差的語言變量 E 在論域內(nèi)的模糊集為 {NB， NM， NS， P0,N0，PS， PM， PB}，共選取 8個語言值。通過操作者的實踐總結(jié)，可確定出在論域X 上用以描述模糊子集 { NB， NM， NS， P0,N0， PS， PM， PB }的隸屬度 ()x? ,并以此建立語言變量 E 的賦值表，如如表 32所示。 AT89C52 鍵盤 液晶顯示 報警電路 溫度檢測電路 傳感器 溫度控制 電阻爐 南華大學(xué) 電氣工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 28 頁 共 53 頁 表 32 E的隸屬函數(shù)表 ()x? E 6 5 4 3 2 1 0 +0 1 2 3 4 5 6 模糊集合 PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 PS 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 P0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 N0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 NM 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 溫度偏差變化率 EC 的基本論域為 [12， 12]，論域為 [6,5， 4， 3，2， 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5,6]，則偏差 EC 的量化因子 6112 2eck ??。誤差的語言變量 EC 在論域內(nèi)的模糊集為 {NB， NM， NS， 0， PS， PM， PB}，共選取 7 個語言值。表 33 為 EC 的隸屬函數(shù)表： 表 33 EC的隸屬函數(shù)表 ()x? EC 6 5 4 3 2 1 +0 1 2 3 4 5 6 模糊集合 PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 1 PS 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 Z 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 NM 1 0 0 0 0 0 0 0 0 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 南華大學(xué) 電氣工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 29 頁 共 53 頁 輸出 U 基本論域為 [50， 50]，論域為 [6， 5,4， 3， 2， 1， 0， 1，2， 3， 4， 5,6]，則輸出 u的比例因子 100 6uck ??，輸出 u的語言變量在論域內(nèi)的模糊集為 {負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大 }，即為 {NB， NM，NS， 0， PS， PM， PB}在確定了輸入變量、輸出變量的論域和語言變量模糊集后，需對模糊語言變量確定隸屬函數(shù)，就是確定論域內(nèi)元素對語言變量的隸屬度。為了計算和編程的方便，本設(shè)計中采用的是建立語言變量 U 隸屬函數(shù)賦值表， U 隸屬函數(shù)賦值表如表 34所示。 表 34 U的隸屬函數(shù)表 ()x? U 6 5 4 3 2 1 +0 1 2 3 4 5 6 模糊集合 PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 1 PS 0 0 0 0 0 0 1 0 0 O 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 0 0 NM 1 0 0 0 0 0 0 0 0 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 模糊控制規(guī)則庫的建立 模糊控制規(guī)則的設(shè)計原則是：當(dāng)誤差較大時，控制量應(yīng)當(dāng)盡可能地減少誤差；當(dāng)較小時，除了消除誤差以外，還考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以避免不期望出現(xiàn)的震蕩和超例如，當(dāng)溫度偏差 E 和偏差變化率 EC 都為 NB時，溫度實際值大于溫度設(shè)定值，且為誤大的趨勢，此時選擇輸出 U 為 NB，以盡快消除誤差。經(jīng)過多次實驗修改，本設(shè)計中的控制規(guī)則表如表 35所示。該模糊控制規(guī)則是根據(jù)具體的實驗電阻爐來設(shè)置的，通過檢測，保持恒溫狀態(tài) 。 南華大學(xué) 電氣工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 30 頁 共 53 頁 表 35 模糊控制規(guī)則表 NB NM NS NO PO PS PM PB PB PB PM NM NM NM NB NB PM PB PM NM NM NM NS NS PS PB PM NS NS NS NS NM NB O PB PM PS 0 0 NS NM NB NS PB PM PS PS PS PS NM NB NM PB PS PM PM PM NM NB NB PB PB PM PM PM NM NB 基于操作者手動控制策略的總結(jié)，得出一組由 52 條模糊條件語句構(gòu)成的控制規(guī)則，將這些模糊條件語句加以歸納，可建立電阻爐溫度控制系統(tǒng)控制規(guī)則的模糊控制狀態(tài)表。模糊控制狀態(tài)表包含每一條模糊條件語句都決定一個模糊關(guān)系，確定一個模糊輸出。通過 52個模糊關(guān)系的“并”運算，可獲取電阻爐溫控系統(tǒng)控制規(guī)則的總和模糊關(guān)系，從而得到模糊控制器的輸出。 模糊控制輸出 設(shè)計 在模糊控制系統(tǒng)中，控制算法的選擇直接影響到控制系統(tǒng)的性能，而且，控制算法和模糊推理方法是息息相關(guān)的。模糊控制算法可分為查表法、解析式法、推理算法等，在本設(shè)計中采用的是推理算法來得到模糊控制量。二維模糊控制器的控制規(guī)則如表 35所示，它可以寫成下列條件語句形式，即 (1)if iEA? and jEC B? then ijUC? (i =1,2,? .,n。 j =1,2,? .,m) 其中 iA ， jB ， ijC 是定義在誤差，誤差變化和控制論域 ,XYZ 上的模糊集。 R 的隸屬函數(shù)為 。1 。 1( , , ) ( ) ( ) ( )i i i ji n j mA B Cijx y z x y z? ? ? ?????? ? ? ?R 式中 ,x X y Y z Z? ? ?。 南華大學(xué) 電氣工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 31 頁 共 53 頁 當(dāng)誤差、誤差變化分別取模糊集 A， B時，輸出的控制量變化 U根據(jù)模糊推理合成規(guī)則可得為 ()U A B R?? U 的隸屬函數(shù)為 ( ) ( , , ) ( ) ( )U R A BxXyYz x y z x y? ? ? ???? ? ? ? 設(shè)論域 121212{ , , }{ , , }{ , , }nnnX x x xY y y yZ z z z???… ，… ，… ， 則 X ， Y ， Z 上的模糊集分別為 一個 n 、 m 、 l 元的向量，而描述控制規(guī)則的模糊關(guān)系 R為一個 n m 行 l 列的矩陣。 根據(jù)采樣得到誤差 ix 、誤差變化 iy ，可以計算相應(yīng)的控制量變化 iju ，對所有 X 、 Y 中元素的所有組合全部計算出相應(yīng)的控制量的變化值，可寫成如下 ()ij n mu ? 那么，根據(jù)系統(tǒng)控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系 R，使用推理合成規(guī)則計算出這種情況下反應(yīng)控制量的變化的模糊集合 iju 。然后采用適當(dāng)?shù)姆椒▽ζ溥M行模糊判 決，由所得的論域 Z={6,5， 4， 3， 2， 1,0， 1， 2， 3， 4， 5,6}上的元素 kZ ，最終可獲得應(yīng)加到被控過程的實際控制量變化的精確量 iju ，對論域 X， Y 中全部元素的所有組合計算出相應(yīng)的以論域 Z 元素表示控制量變化值，并寫成矩陣 ()ij n mu ? 。由該矩陣構(gòu)成的表格稱為模糊控制器的查詢表，模糊控制查詢表如表 37所示。 南華大學(xué) 電氣工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 32 頁 共 53 頁 表 37 模糊控制查詢表 ()kuZ ()iey 6 5 4 3 2 1 +0 1 2 3 4 5 6 ()iex 6 6 5 6 5 6 6 3 3 1 0 0 0 0 5 5 5 5 5 5 5 5 3 3 1 0 0 0 4 6 5 6 5 6 6 6 3 3 1 0 0 0 3 5 5 5 5 5 5 5 2 1 0 1 1 1 2 3 3 3 4 3 3 3 0 0 0 1 1 1 1 3 3 3 4 3 3 1 0 0 0 2 2 1 0 3 3 3 4 1 1 0 0 1 1 3 3 3 +0 3 3 3 4 1 0 0 0 1 1 3 3 3 1 2 2 2 1 0 0 1 3 3 2 3 3 3 2 1 1 1 1 0 2 3 3 3 2 3 3 3 3 0 0 0 1 2 2 5 5 5 5 5 5 5 4 0 0 0 1 3 3 6 6 6 5 6 5 5 5 0 0 0 1 3 3 5 5 5 5 5 5 5 6 0 0 0 1 3 3 6 6 6 5 6 5 6 一般將這個矩陣制成表，稱為查詢表。查詢表可以由計算機事先離線計算好，將其存于計算機內(nèi)存中。實時控制過程中，根據(jù)模糊量化后的誤差值及誤差變化值，直接查找查詢表以獲得控制量的變化值 iju ， iju 再乘以比例因子 uK 即可以作為輸出來控制被控溫度。 模糊控制器仿真 模糊邏輯工具箱（ Fuzzy Logic Toolbox）提供了模糊邏輯控制器及系統(tǒng)設(shè)計的各種途徑，它提供了生成和編輯 FIS 常用的函數(shù)，如 newfis、 addvar、addmf、 addrule、 evalfis 等。它包括產(chǎn)生新的 FIS、給 FIS加入變量、隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則、完成模糊推理運算等。用戶可用命令調(diào)用這此些函數(shù)生成 FIS[1]。工具箱還提供了 GUI（圖形用戶界面）編輯 函數(shù)，使用戶能更直觀地生成系統(tǒng)。它有 FIS 編輯器、隸屬度函數(shù)編輯器、規(guī)則編輯器、規(guī)則觀測器和曲面觀測器五個 GUI 工具。電阻爐模糊控制系統(tǒng)方框圖如圖 32 所示。 南華大學(xué) 電氣工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 33 頁 共 53 頁 圖 32 電阻爐模糊控制系統(tǒng)方框圖 隸屬度函數(shù)的建立 在 MATLAB 命令窗中鍵入命令 FUZZY，進入模糊邏輯編輯窗口 FIS Editor，建立 E、 EC、 U 的隸屬度函數(shù)，有三角形（ trimf）、高斯形（ gaussmf）、梯形(trapmf)等十一種可供選擇，在此選用高斯形隸屬度 函數(shù)，如圖 33所示。這些隸屬度函數(shù)曲線可以是等距離，也可以是非等距離的。當(dāng)偏差大于某值時，曲線的密度設(shè)置得小一些，這樣可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；當(dāng)偏差小于某值時，曲線的密度設(shè)置得大一些，這樣可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)精度和減少超調(diào)。一般合適的隸屬度函數(shù)應(yīng)該保證相鄰模糊量的交點在 之間。 圖 33 E的隸屬度函數(shù) 模糊控制器 Ku G(s) r y Ke KecC 南華大學(xué) 電氣工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 34 頁 共 53 頁 圖 34 EC的隸屬度函數(shù) 圖 35 U的隸屬度函數(shù) 糊控制規(guī)則和決策方法 控制規(guī)則是對專家的理論知識和實踐經(jīng)驗的總結(jié)。此處共有 52 條規(guī)則。見圖 36 所示。在 Rule Editor 窗口中，輸入這些規(guī)則，如選擇 verbose 規(guī)則表達形式，我們寫成為： (e is NB)and(ec is NB)then(u is PB)(1)??其中最后括號中的“ 1”表示該條規(guī)則的權(quán)值。模糊決策采用：與（ And）方法為 min，或（ Or）方法為 max，推理 (Implication)方法為 min,合成(Aggregation)方法為 max，解模糊化 (Defuzzification)方法為重心法（ centroid）。在控制曲面上，檢查其期望值是否在模糊控制輸出結(jié)論空間的中心附近，若 超過 20%，則需重新調(diào)整規(guī)則、隸屬度函數(shù)或模糊運算，對模糊控制器進行優(yōu)化。這樣建立了一個 FIS 系統(tǒng)的文件，取文件名為 。注意該模糊控制器的命名與 FIS 命名應(yīng)一致，若進行仿真時，需用 readfis命令把建好的 讀入工作空間 (workspace)中。 南華大學(xué) 電氣工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 35 頁 共 53 頁 圖 36 控制規(guī)則表 Simulink 仿真 Matlab 提供 Simulink 的是一種用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。在 MATLAB 命令窗口中 輸入 simulink