單片機中模糊控制系統的實(shí)現與設計

模糊控制概述

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，模糊理論是當前能用來(lái)對信息進(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 為適合計算機處理的過(guò)程，使計算機能判斷像“大概”、“輕”這樣的模糊信息。采用傳統控制理論，不管是用經(jīng)典控制理論還是用現代控制理論來(lái)設計一個(gè)控制系 統，都需要事先知道被控對象的精確數學(xué)模型。然而，在許多情況下被控對象（或生產(chǎn)過(guò)程）的精確數學(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)反應過(guò)程，食品生產(chǎn)中的發(fā)酵過(guò)程，還有眾多爐類(lèi)的熱處理過(guò)程。諸如此類(lèi)過(guò)程具有變量多，各種參數存在不同程度的時(shí)變性；且過(guò)程具有非線(xiàn)性，強 耦合，較大的隨機干擾、過(guò)程機理錯終復雜、存在各種不確定性以及現場(chǎng)測量手段不完善等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得建立這一類(lèi)過(guò)程的精確數學(xué)模型的難度很大，或甚至 根本辦不到。

模糊控制是基于規則的智能控制方式，它不依賴(lài)于被控對象的精確數學(xué)模型，特別適合對具有多輸入一多輸出的強耦合性、參數的時(shí)變性、嚴 重非線(xiàn)性與不確定性的復雜系統或過(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)應用于一般的電子產(chǎn)品在國外已是很普遍的現象，單片機 常用的控制器件，把二者結合起來(lái)，可使控制器的性能指標達到最優(yōu)的目的。本文就是通過(guò)利用單片機作為平臺，圍繞模糊控制規則，以模糊推理算法作為控制系統 核心，開(kāi)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)溫度監控系統為實(shí)例介紹了系統的軟硬件設計。

模糊控制系統的組成及原理

1.模糊控制系統的基本組成與原理

模糊控制器是模糊控制系統的核心部分，也是和其它控制器最大區別環(huán)節。模糊控制器有四個(gè)基本部分組成：

（1）模糊化。把輸入信號映射到相應域上的一個(gè)點(diǎn)后，將其轉化為該論域上的一個(gè)模糊子集，即把輸入的精確量轉化為模糊量。

（2）知識庫。知識庫包含了具體應用領(lǐng)域中的知識和要求的目標，通常由數據庫和模糊規則庫兩部分組成。數據庫主要包含各語(yǔ)言變量的隸屬函數，尺度變換因子和模糊空間的分級數等；規則庫包含了用模糊語(yǔ)言變量表示的一系列控制規則，他們反映了控制專(zhuān)家的知識和經(jīng)驗。

（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含關(guān)系及推理規則來(lái)進(jìn)行的。

（4）清晰化。清晰化又稱(chēng)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)際的可用于被控對象的精確量。它包括兩部分的內容：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換成實(shí)際的控制量。

2. 模糊控制系統通常由計算機實(shí)現（包括PC機、單片機、單板機以及DSP等）

3.模糊語(yǔ)言變量確定隸屬函數，即對模糊變量進(jìn)行賦值。

4.計算機經(jīng)過(guò)采樣和A/D轉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.根據模糊向量e、ec和模糊控制規則R，按推理合成規則進(jìn)行模糊決策，得到控制量（模糊向量u）。

基于單片機的溫控系統

1系統原理

本系統有溫度傳感器DS18B20 , ATmega8單片機、執行機構，外圍電路包括鍵盤(pán)，LED顯示以及保護電路構成的閉環(huán)控制回路，控制對象為水溫。系統的原理框圖如圖1所示。

2 硬件設計

1、ATmega8是采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于A(yíng)VR RISC結構的8位單片機。工作電壓4. 5-5.5 V，芯片內部集成A/D轉換功能。通過(guò)編寫(xiě)程序，可將芯片的PC0至PC6口從普通的I/O口功能用作8位或10位A/D轉換，從而省去外圍的A/D轉換 電路。ATmega8內部有3個(gè)定時(shí)器T0，T1和T2，本系統使用2個(gè)，分別用作Ss的溫度數據采集和5 NS的LED刷新顯示。

2、 DS18B20支持“一線(xiàn)總線(xiàn)”接口，從而提高了系統的抗干擾性。溫度測量范圍從-55℃～+ 125℃，在-10℃～+85℃時(shí)測量精度為0. 5℃。

3、鍵盤(pán)用作上位機對下位機的通信控制。顯示電路采用10位共陰極LED，通過(guò)3片Max595芯片與單片機相連，同時(shí)顯示當前溫度值和設定值。外圍電路同時(shí)有4個(gè)按鍵，可進(jìn)行溫度逐次加減、功能切換以及保存等功能。

軟件設計

整個(gè)系統的硬件電路設計相對簡(jiǎn)單。在本系統中采用增量型PID控制算法，即：

△u（k）=u（k）-u（k-1）=KP[e（k）一e（k-1）]+Ki（k）+Kd[e（k）一2e（k-1） +e（k-2）]

式中，△u（k）為控制增量；KP為比例參數；Ki為積分參數；Kd為微分參數；e（k）為系統偏差。先根據KP、 Ki 、Kd的值，計算出輸出U的初值，再根據操作人員的給定值得到偏差e和偏差變化率ec，然后通過(guò)模糊規則表推導出KP'、 Ki' 、Kd'的值，再計算出△u。

模糊控制器的關(guān)鍵是總結操作人員和技術(shù)人員的實(shí)際操作經(jīng)驗和技術(shù)知識，并建立合適的模糊規則表，并將模糊規則表通過(guò)程序編寫(xiě)人單片機ATmega8中的EEPROM中去，在線(xiàn)時(shí)通過(guò)查詢(xún)得到合適的PID參數。

控制器的控制范圍為整個(gè)測量系統的測量范圍，各個(gè)隸屬函數的論域范圍既要滿(mǎn)足覆蓋的原則，又不要使規則過(guò)多。

總結

本文首先介紹了模糊控制理論的基本原理，在此基礎上將模糊控制理論與常規PID控制相結合，在以單片機ATmega8為系統核心部件對溫度進(jìn)行控制。相較單一的PID控制來(lái)說(shuō)，模糊PID控制的效果具有動(dòng)態(tài)效果好，上升時(shí)間快，超調小的優(yōu)越性，在本系統中也取得了很好的控制效果。另外可以發(fā)現，傳統控制與模糊控制是可以協(xié)同工作、相互補充的。