【正文】 運(yùn)算為 模糊矩陣交 ? ?nmijij qrQR ???? () 模糊矩陣并 ? ?nmijij qrQR ???? () 模糊矩陣交 ? ?nmijc rR ??? 1 () 模糊矩陣的合成運(yùn)算，其中合成運(yùn)算符號(hào)為“ 模糊矩陣 R 的第 i 行，第 k 列元素 ikr 等于 P 矩陣的第 i 行元素與 Q 矩陣的第 k 列對(duì)應(yīng)元素兩兩取小， 而后再所得到的 j 個(gè)元素中取大，即 ? ?? ?lkmiqpr ni jkijik ,2,1。 A 是輸入量論域 V上的模糊向量； 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 B 是輸出控制量論域 W 上的模糊向量； R 是輸入和輸出論域 V和 W 之間的關(guān)系?？梢?，以模糊矩陣合成運(yùn)算所執(zhí) 行的模糊變換在意義重大。 模糊命題的一般形式是 A： e is F(或 e 是 F) 式中 e 是模糊變量， F 是模糊概念所對(duì)應(yīng)的模糊集合。設(shè) x 為模糊命題 A 的真值， y 為模糊命題 B 的真值，在連續(xù)邏輯中，邏輯運(yùn)算規(guī)則如下： 邏輯并： ? ?yxyx ,max?? () 邏輯交： ? ?yxyx ,min?? () 邏輯非： xx ??1 () 限界差： ? ?yxyx ???? 0 () 限界和： ? ?yxyx ???? 1 () 限界積： ? ?10 ????? yxyx () 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 蘊(yùn)涵： ? ?yxyx ????? 11 () 等價(jià)： ? ? ? ?xyyxyx ??????? 11 () 3. 模糊語(yǔ)言 (1) 語(yǔ)言變量 由一個(gè)五元體（ N,T(N),U,M,G）來(lái)表征的變量，五元體中各個(gè)元定義如下： i. N 是變量名稱，即單詞。 iii. U是 N 的論域。 v. G 是記法規(guī)則，它規(guī)定了原子詞，即原始項(xiàng)構(gòu)成全部項(xiàng)之后的詞義變化。 (3) 語(yǔ)氣算子 表示語(yǔ)氣程度的模糊量詞，它有集中化算子和松散化算子兩類。在模糊控制中，采樣的輸入總是精確量。 ： 把一個(gè)模糊詞轉(zhuǎn)化為明確題詞的算子稱為判定化算子。根據(jù)其語(yǔ)義各構(gòu)成語(yǔ)法規(guī)則不同，可以分為下述幾種類型。 b. 模糊判斷句 模糊判斷句是模糊語(yǔ)言中最基本的語(yǔ)句，又稱為陳述判斷句。 (5) 模糊推理 在模糊控制中，模糊控制規(guī)則通常是由模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述的，它符合人們的思維和推理規(guī)律，是一種較為直接的模糊推理。一般而 言實(shí)現(xiàn)模糊運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)分以下幾步： a. 通過(guò)語(yǔ)氣算子和補(bǔ)運(yùn)算，求得模糊集合。 d. 根據(jù)輸入量和模糊關(guān)系 R 求出所對(duì)應(yīng)的輸出量。各種模糊產(chǎn)品充滿了日本、西歐和美國(guó)市場(chǎng)，如模糊洗衣機(jī)、模糊吸塵器和模糊攝相機(jī)等，模糊技術(shù)幾乎變得無(wú)所不能，各國(guó)都爭(zhēng)先開發(fā)模糊新技術(shù)和新產(chǎn)品。模糊芯片也已研制成功且功能不斷加強(qiáng)，成本不斷下降。模糊開發(fā)軟件包也充滿市場(chǎng)。隨著其它學(xué)科理論、新技術(shù)的建立和發(fā)展，使模糊理論的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。 模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 近年來(lái)，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都在各自的學(xué)科里取得了引人注目的進(jìn)展，而且在這兩個(gè)學(xué)科的邊緣開辟了眾多研究新領(lǐng)域。 神經(jīng)模糊控制 (NeuronFuzzy Control)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與模糊邏輯控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制方法。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境的變化具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，所以可 結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力來(lái)訓(xùn)練模糊規(guī)則。 模糊控制與遺傳算法的融合 由于模糊邏輯控制所要確定的參數(shù)很多，專家的經(jīng)驗(yàn)只能起一個(gè)指導(dǎo)作用，很難根據(jù)它準(zhǔn)確地求出各項(xiàng)參數(shù)，因而實(shí)際上還要反復(fù)試湊，尋找一個(gè)最優(yōu)過(guò)程。 專家模糊控制 專家模糊控制器 EFC(Expert Fuzzy Controller)由 提出， 1984 年他 發(fā)表了關(guān)于模糊控制系統(tǒng)展望的論文，提出這一新概念。把專家系統(tǒng)技術(shù)引入模糊控制之中，目的是進(jìn)一步提高模糊控制器的智能水平。專家系統(tǒng)技術(shù)考慮了更多方面的問(wèn)題，例如，是什么組成知識(shí)以及如何組織、如何表達(dá)、如何應(yīng)用知識(shí)等。 模糊系統(tǒng)建模及參數(shù)辨 識(shí) 建模與參數(shù)辨識(shí)是實(shí)現(xiàn)控制的重要基礎(chǔ)，因此這一研究工作從 199 年至今一直是模糊控制領(lǐng)域的熱門話題。具有模糊性的表示形式。其中兩個(gè)重要的問(wèn)題是：如何獲得模糊規(guī)則即隸屬函數(shù)問(wèn)題以及如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 2. 模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)設(shè)定方法，量化水平，采樣周期的最優(yōu)選擇，規(guī)則的系數(shù)，最小實(shí)現(xiàn)規(guī)則和隸屬函數(shù)自動(dòng)生成等問(wèn)題，以及進(jìn)一步給出模糊控制器的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。 4. 模糊控制算法的改進(jìn)和研究。這方面的嘗試有待深入。它屬于智能控制范圍 [2]。 A/D 模糊控制器 D/A 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對(duì)象 檢測(cè)變送器 給定量 + u 被控量 e 圖 模糊控制系統(tǒng)的組成 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 (2) 輸入輸出接口裝置 它完成模 /數(shù)、數(shù) /模轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換，信號(hào)采樣與濾波等工作。 (4) 模糊控制器 它是一臺(tái)處理器，用于完成模糊推理的過(guò)程與根據(jù)輸入量和模糊運(yùn)算做出模糊控制工作。變送器傳感器輸入轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或者電流信號(hào)，再通過(guò)輸入輸出接口裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸入到模糊處理器中進(jìn)行模糊控制。很顯然，人機(jī)接口裝置越完備，其能實(shí)現(xiàn)的功能也越強(qiáng)，這樣也越能增加產(chǎn)品的功能和親合力。 基于模糊算法的溫度控制系統(tǒng)，可用各類處理器，如微機(jī)、單片機(jī)、 DSP 等作為模糊控制器，其內(nèi)部運(yùn)行模糊算法程序，用于根據(jù)輸入的溫度信號(hào)進(jìn)行處理從而達(dá)到做出模糊控制的 目的。當(dāng)然每一種方案都有其各自的優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)計(jì)思想 1. 方案 1 (1) 硬件組成 ： PLC、 A/D 轉(zhuǎn)換器、熱電阻、調(diào)節(jié)閥、燃油供應(yīng)子系統(tǒng)。 A/D 轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后輸出到 PLC。調(diào)節(jié)閥根據(jù) PLC 的輸出量自動(dòng)的調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒爐內(nèi)的燃?xì)猓瑥亩鸬搅苏{(diào)節(jié)溫度的目的。 LED 顯示器用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的溫度。 (2) 工作 原理 ：由集成的熱電偶變送器對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并完成信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化、變送功能。 (3) 系統(tǒng)原理框圖 3. 方案 3 (1) 硬件組成 ：工控機(jī)、集成的熱電偶溫度變送器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 LCD 顯示器、調(diào)節(jié)閥、燃料供應(yīng)子系統(tǒng)。熱電偶溫度變送器作為測(cè)量工具，對(duì)溫度變量進(jìn)行檢測(cè) ，并輸出到 A/D 轉(zhuǎn)換器。工控機(jī)利用模糊算法，根據(jù)給定量與測(cè)量量的偏差進(jìn)行模糊運(yùn)算，得出模糊輸出量，控制調(diào)節(jié)閥的開啟程度，自動(dòng)的調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒爐內(nèi)的燃?xì)?，從而起到了調(diào)節(jié)溫度的目的。 LED 顯示器用于實(shí)時(shí)的顯示測(cè)量的溫度。而方案 2 和方案 3 采用了單片機(jī)及工控機(jī)，能夠很好的解決上述問(wèn)題。而方案 3 采用的是集成的熱電偶溫度變送器，具有冷端溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)調(diào)整、零點(diǎn)遷移、量程調(diào)整以及線性化等功能。 (3) 方案 1 和方案 2 采用了價(jià)格便宜的 LED 顯示器，而方案 3 采用了相對(duì)昂貴的LCD 顯示器。但本系統(tǒng)中只要求實(shí)時(shí)顯示溫度即可，所以 LED 顯示器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。 (5) 方案 1 和 3 采用燃料作為能量供應(yīng)，而方案 2 采用電能。如燃油的燃燒效率問(wèn)題（通過(guò)采樣油爐排氣口的氧氣濃度完成），即要檢測(cè)的變量有兩個(gè)，爐內(nèi)溫度和排氣口的氧氣含量。 綜上所述 ：方案 2 是無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)方面、科學(xué)性還是從實(shí)現(xiàn)的容易程度、環(huán)境保護(hù)上都優(yōu)于其它兩個(gè)方案，不失為最佳的選擇。同時(shí)三種方案都存在著同一個(gè)問(wèn)題，那就是在其內(nèi)部怎么進(jìn)行模糊運(yùn)算。模糊控制算法發(fā)展到今天，已經(jīng)成功的解決了這個(gè)問(wèn)題。這種方法能夠很好的完成模糊控制過(guò)程中大量的運(yùn)算的問(wèn)題，減少了編程的難度和處理機(jī)做這些運(yùn)算所花費(fèi)的時(shí)間。這樣既節(jié)省了材料也可以很大程度上減少硬件電路的結(jié)構(gòu)。 (2) 由于采用了離線的方法進(jìn)行模糊運(yùn)算，很大程度上的減少了編程的麻煩，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易。同時(shí)也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費(fèi)用，節(jié)約了成本?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水平，使控制結(jié)果更準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性、控制效果更好。本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)硬件和軟件的每一個(gè)部分進(jìn)行了分析，在后半部分還對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了訪真與程序調(diào)試。 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件由電源電路，溫度檢測(cè)變送電路、模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)和人機(jī)接口等部分組成。原理框圖見圖 。其輸出電壓 5V，按輸出電流不同可分為 78M0 78L05，輸出電流分別為 和 ，轉(zhuǎn)換成功率分別為 和 5W。 其主要電路如圖 所示： 圖 電源電路 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21 其中輸入電壓為交流 220V，經(jīng)過(guò)變壓器其輸出為 ，再進(jìn)行整流。后面接電容 CC2為濾波電容進(jìn)行濾波，注意電解電容應(yīng)該要有一定裕量，否則不能起到很好的濾波效果。 78L05 的輸出級(jí)接入兩個(gè)濾波電容，用于減小因?yàn)殡娫床▌?dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響和濾波。然而，隨之產(chǎn)生一個(gè)弊端，即一旦 78M05的輸入出現(xiàn)短路時(shí)，輸出端大電容上存儲(chǔ) 的電荷，將通過(guò)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部放電，可能會(huì)造成內(nèi)部電路的損壞，故在其間跨接一個(gè)二極管，為放電提供放泄通路，對(duì)集成穩(wěn)壓器起到了分流保護(hù)作用 ［ 6］ 。 檢測(cè)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，檢測(cè)元件的選型關(guān)系到檢測(cè)的精度和變送環(huán)節(jié)中信號(hào)變送的容易程度。 檢測(cè)與變送設(shè)備主要根據(jù)被檢測(cè) 參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮來(lái)決定。應(yīng)遵循以下原則： 1. 可能選擇測(cè)量誤差小的測(cè)量元件。 3. 對(duì)測(cè)量信號(hào)作必要的處理。 b. 測(cè)量信號(hào)噪聲（擾動(dòng)）的抑制。 溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見、最基本的參數(shù)之一。測(cè)量溫度的方法有兩種，一種是 接觸式、另一種是非接觸式。但是由于測(cè)溫元件要與被測(cè)介質(zhì)接觸進(jìn)行熱交換，才能達(dá)到平衡，因而產(chǎn)生了滯后現(xiàn)象。此外測(cè)量體還受到耐溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高溫度的測(cè)量。其主要特點(diǎn)是：測(cè)溫原則上不愛限制；速度較快，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)休進(jìn)行測(cè)量。 由于本系統(tǒng)中測(cè)量的對(duì)象為電爐，測(cè)量溫度在 0~100℃左右，且介質(zhì)為水，不易與測(cè) 量體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 目前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的接觸式溫度測(cè)溫原理、與使用場(chǎng)合如表 ： 測(cè)溫原理 溫度計(jì)名稱 測(cè)溫范圍℃ 主要特點(diǎn) 固體熱膨脹 雙金屬溫度計(jì) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，適用于就上測(cè)量，傳送距離不很遠(yuǎn) 氣體熱膨脹 玻璃液體溫度計(jì) 液體熱膨脹 壓力式溫度計(jì) 200~600 利用尸體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì) 鉑、銅、鎳、銠、鐵熱敏電阻 準(zhǔn)確度高，能遠(yuǎn)傳，適用于低、中溫測(cè)量 鍺、碳、金屬氧化物熱敏電阻 普通金屬熱電阻 測(cè)量范圍廣，精度高，能遠(yuǎn)傳，適用于中、高溫測(cè)量 貴重金屬熱電阻 難熔金屬熱電阻 非金屬熱電阻 200~700 體積變化 電阻變化 270~900 熱電效應(yīng) 利用金屬的熱電效應(yīng) 200~1800 表 各類傳感元件的特點(diǎn)和使用場(chǎng)合 ［ 7］ 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 從表中所列的各種溫度測(cè)量?jī)x表中，機(jī)械式大多用于就地指示；輻射式的精度較差，只有電的測(cè)溫儀表精度較高，信號(hào)又便于傳送。 熱電偶溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中極為廣泛。其使用時(shí) 一定要注意冷端溫度補(bǔ)償，在一般情況下采用補(bǔ)償電橋的方法較多。熱電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的性質(zhì)來(lái)測(cè)量溫度的。 變送器在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中擔(dān)任了把傳感器檢測(cè)到的信號(hào)變成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（ DC 4~20mA 或 DC 1~5V），從而使處理器能夠識(shí)別數(shù)據(jù)的級(jí)別，便于在自運(yùn)控制過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)算和做出相應(yīng)的處理決策。 DDZШ熱電偶溫度變送器具有熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)調(diào)整、零點(diǎn)遷移、量程調(diào)整以及線性化等重功能。 (2) 熱電偶溫度變送器中采用了線性化電路，使變送器的輸出電流。 (3) 線路中采用了安全火花防爆措施，幫可用于危險(xiǎn)場(chǎng)所中的溫度測(cè)量變送。 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路 因?yàn)閱纹瑱C(jī)不能直接處理模擬信號(hào)，所以必須將熱電偶檢測(cè)到的溫度模擬信號(hào)變化成數(shù)字信號(hào) ,單片機(jī)才能做出相應(yīng)的處理。 ℃。則其精確度為 ℃，完全滿足要求，但考慮要留有一定的裕量，即 100℃不能為 255，雖然這個(gè)問(wèn)題可以用調(diào)整變送器的方法來(lái)解決。意味著在有限的存儲(chǔ)空間里面要存儲(chǔ)浮點(diǎn)數(shù)的加、減、乘、除和二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換程序等；并且因?yàn)闇囟仁峭ㄟ^(guò)鍵盤輸入到存儲(chǔ)器中的所以輸入的溫度值也要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，這就大大的加長(zhǎng)了程