基于單片機的模糊控制器的設(shè)計

1、基于單片機的模糊控制器的設(shè)計液位控制由于其應用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復雜系統(tǒng)，譬如在石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中。它主要有以下幾個特點:1、時滯性很大。在大型、復雜的液位控制系統(tǒng)中，當改變進出容器的液體流量來控制液位時，控制效果在較長的時間后才能得到體現(xiàn)，這會使得最后的穩(wěn)態(tài)誤差較大，液位在期望值附近波動。2,時變性。液位控制一般是通過控制液體流入量的大小來控制液位的，流出量是根據(jù)后續(xù)工藝生產(chǎn)的需求而調(diào)節(jié)，這種需求的數(shù)量和速度是在不斷變化的。3,非線性。容器內(nèi)液體流出量不僅隨后續(xù)工藝生產(chǎn)需求變化，即使在控制閥門保持不變的情況下，實際的流出量也隨著液位高度的變化而發(fā)生一種非線性的變化。這幾

2、個特點，都嚴重影響PID控制的效果，當實際生產(chǎn)對控制有較高的性能指標要求時，就需要將智能控制方法引入到液位控制系統(tǒng)中來。 模糊控制的基本原理 模糊控制屬于智能控制的范疇，它是以模糊數(shù)學和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)、模仿人的思維方式而統(tǒng)籌考慮的一種控制方式。 它是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。模糊控制模仿人的思維方式，計算控制量時并不需要參數(shù)的精確量，而是以參數(shù)的模糊信息為基礎(chǔ)，通過模糊推理得到控制量的模糊形式，然后再經(jīng)過反模糊化處理輸出具體的控制量。其控制方框圖如下圖1所示 圖1 模糊控制原理圖模糊控制算法的四個步驟 根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計算所選擇的系

3、統(tǒng)的輸入變量 ；將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?；根?jù)輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量(模糊量)；由上述得到的控制量(模糊量)計算精確的控制量。 基于單片機的液位模糊控制器的設(shè)計 一.模糊控制器的設(shè)計的基本原理 第一步 ： 在采樣時刻，采樣系統(tǒng)的輸出值，然后根據(jù)所選擇的系統(tǒng)的輸入變量來進行計算，得到輸入變量的具體值。一般系統(tǒng)通常選擇誤差及誤差的變化情況作為輸入變量。 第二步 ：將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?。當然，在這之前需要先確定模糊變量的基本論域、模糊子集論域、模糊詞集及隸屬函數(shù)。系統(tǒng)中輸入變量的實際變化范圍稱為變量的基本論域，對于模糊控制輸入所要求的變化范圍稱為它

4、們的模糊子集論域。模糊子集論域的確定和下一步的模糊推理中需要的模糊值有關(guān)。模糊值可用模糊詞集來表示，人們對數(shù)值的模糊表示一般可用大、中、小加以區(qū)別，再加上正負模糊詞集就可表示為： 負 大 ， 負中，負小，零，正小，正中，正大 一般系統(tǒng)的輸入變量的模糊子集論域所含的元素個數(shù)應為詞集總數(shù)的兩倍以上，這樣才能確保模糊詞集能較好地覆蓋 模糊子集論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。針對上面選用的模糊詞集，模糊子集論域可選擇為 -6 ， -5 ，-4，-3，-2，一1,0 , 1,2 ,3 ,4 ,5 ,6 對于一個模糊控制系統(tǒng)，它的控制器輸入變量的實際范圍一般不會正好和模糊子集論域一致，這時就需要進行轉(zhuǎn)化。假如基本

5、論域為a. b，模糊子集論域為m, n，則將一個精確輸入量x轉(zhuǎn)化到模糊子集論域中的變量Y是通過以下公式來實現(xiàn)的。 y=(n-m)*x-(b-a)/2/(b-a) （1） 模糊 子 集 論域和模糊詞集之間是通過隸屬函數(shù)來聯(lián)系的。模糊變量的隸屬函數(shù)就和普通變量的特征函數(shù)一樣，但它的取值范圍并不是單純的0或1，而是在0, 1之間連續(xù)變化。隸屬函數(shù)的形狀常采用梯形、三角形、鐘形、高斯形等。在實際應用中，為方便起見，采用三角形的較多。 這一步的工作可以用下圖表示：輸入變量精確值 模糊子集論域中的變量 輸入變量模糊值公式1隸屬函數(shù) 第三步：根據(jù)上一步得到的輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)

6、則計算控制量(模糊量)。模糊控制規(guī)則是根據(jù)操作者的經(jīng)驗或?qū)＜业闹R，用if， then描述的一組條件語句。 第四步 ：控制量的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。上一步雖然通過模糊推理得到了控制量，但它是模糊形式的，而真正的執(zhí)行機構(gòu)不能接受模糊量，只能接受精確量，所以必須把控制量由模糊形式轉(zhuǎn)化為精確形式，這一步也叫做解模糊化。二.模糊控制器的設(shè)計過程 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。模糊控制器輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)，目前廣泛采用的均為二維模糊控制器.在此我們也選擇這一結(jié)構(gòu)形式。我們設(shè)計的是液位模糊控制器，就選擇液位的 誤差和誤差的變化作為模糊控制器

7、的輸入變量，分別記作E, Ec。模糊控制器的輸出應該是用來控制液位的，液位實際上就是受流入量和流出量的影響，而流出量是根據(jù)后續(xù)工藝不停的變化，是不可控的。所以模糊控制器的輸出就只有一個，作為控制流入量執(zhí)行機構(gòu)的控制量，記作U。對于模糊控制器的輸出，可以有兩種形式，一種是絕對的控制量輸出，另一種是增量方式輸出。在本次設(shè)計的模糊控制器中，我們選擇了絕對值輸出方式 。模糊控制規(guī)則的設(shè)計 控制規(guī)則的設(shè)計一般包括三部分內(nèi)容：選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集和建立模糊控制器的控制規(guī)則。下面就分別來進行說明： 選擇描述輸入、輸出變量的詞集 對于液位誤差、誤差變化率及控制量我們選用相同的模

8、糊詞集，都用自然語言大、中、小來進行描述，將大、中、小再加上正、負兩個方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有七個詞匯，即 負 大 ， 負 中 ，負小，零，正小，正中，正大 為敘述方便，用英文字頭縮寫表示為 N B ,N M , N S ,Z E, PS, PM,P B 其中，N=Negative, P=Positive, B=Big, M=Medium, S=Small, ZE=Zero 。定義各模糊變量的模糊子集 定義 一 個 模 糊 子集，實際上就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀。對于輸入變量誤差和誤差變化率，我們選用的模糊子集論域和隸屬函數(shù)曲線都完全一致，所以在此就只針對誤差的模糊子集的確定來進

9、行說明。 誤 差的 模 糊子集論域取-6,6 之間，然后離散化，只取整數(shù)，所以它的模糊子集論域可表示為 -6 ， -5 ，-4，-3，-2，-1,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 其中有13個元素，而模糊詞集中有7個元素，基本滿足了二倍的關(guān)系，可以保證不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。為了計算方便，將隸屬函數(shù)曲線都選為三角形形式，而且根據(jù)經(jīng)驗，在靠近0附近，三角形的形狀選的窄一些，這樣有利于提高靈敏度，抑制超調(diào)。在遠離0的地方，三角形的形狀選的寬一些，因為這時候誤差還很大，不會引起超調(diào)。至于三角形具體形狀及位置的有關(guān)參數(shù)，是根據(jù)經(jīng)驗初步確定的，在控制器調(diào)試的時候還需要對這些進行反復的修改。圖2是誤差的各

10、模糊詞集的隸屬函數(shù)曲線，根據(jù)這個隸屬函數(shù)可以得出模糊子集元素對各模糊詞集的隸屬程度，具體如表1所示-6-5-4-3-2-10123456PB000000000000.51.0PM0000000000.51.00.50PS00000000.80.40000ZE000000.11.00.100000NS00000.40.80000000NM00.51.00.5000000000NB1.00.500000000000表1 誤差的模糊變量的賦值表圖2 誤差的隸屬函數(shù) 對于模糊控制器的輸出量，雖然它是執(zhí)行機構(gòu)的控制量，但還需經(jīng)過D/A的轉(zhuǎn)換。因為計算機輸出的是數(shù)字量，而執(zhí)行機構(gòu)只能接受模擬量。在本次設(shè)計

11、中，我們用了AD420來實現(xiàn)這樣的功能，所以說模糊控制器的輸出實際上是作為AD420的輸入。雖然AD420的輸入是16位的數(shù)字量，但在設(shè)計過程中，我們先采用8位的方式來進行處理(具體操作方法在下節(jié)說明)，所以它的范圍基于CAN總線的液位模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計及研究是0-FFH，這就是輸出量的模糊子集論域。模糊詞集也取7個，如下所示 負 大 ，負 中，負小，零，正小，正中，正大 即N B, N M,N S,Z E,P S, PM,P B 對于輸出量，也采用三角形形狀的隸屬函數(shù)曲線，其中的有關(guān)參數(shù)也是根據(jù)經(jīng)驗初步確定，尚待在調(diào)試時進行修正，具體如圖3所示 建立模糊控制器的控制規(guī)則 根據(jù)實際控制經(jīng)驗，建

12、立如表2所示模糊控制規(guī)則圖3 輸出的隸屬函數(shù) 模糊推理及其模糊量的非模糊化方法 模糊推理是從一些模糊前提條件推導出某一結(jié)論， 目前模糊推理有十幾種方法，大致分為直接法和間接法二大類。其中的MIN-MAX合成法屬于直接推理法，應用的比較多，我們在此也應用這種推理方法。這種方法也叫做Mamdani推理法，其具體推理過程如下。NBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNBNMNSNSZENMNBNBNMNSNSZEPSNSNBNMNSNSZEPSPSZENMNSNSZEPSPSPMPSNSNSZEPSPSPMPBPMNSZEPSPSPMPBPBPBZEPSPSPMPBPBPB表2 模糊控制規(guī)則表 假如

13、有輸入變量E,E c的值分別是x,y ，對應的n條規(guī)則為: If E=A and Ec=B then u=C 其中，Ai，Bi，Ci，分別表示E, Ec, U的某一個模糊詞集元素。則每個規(guī)則推出的結(jié)果為： 最終的推理出的輸出變量模糊集為C，隸屬度表示如下: 對于解模糊化，采用重心法。具體計算公式如2所示： (2) zUcyUbxUazUciiii zUczUczUczUcn21niiniiiiUuUUuz110 由于在本次設(shè)計的液位模糊控制器中，在程序?qū)崿F(xiàn)時采用的是查表的方法，所以在此根據(jù)公式2計算出模糊控制查詢表如表3所示 ：-6-5-4-3-2-10123456-6303030333445

14、556A7271787B80-5303030373B485E6C71747A8084-43030303B44506A6A7276808588-333373B4E576470767B80898B8E-2343B4457606A707880848E8E8E-1454850646A727480888A9594950555E6A707074808C909095A1AA16A6C6A7678808C8D959CB2BEC227271727B80889095A2AAC2CEDA371747680848A909CAAB5CFD4DA4787A80898E9595B2C2CFE0E0E057B80858B8E

15、94A1BECED4E0E0E068084888E8E95AAC2DADAE0E0E0表3 模糊控制查詢表三. 模糊控制器的程序?qū)崿F(xiàn) 對于模糊控制算法的軟件實現(xiàn)，可以根據(jù)輸入變量和模糊控制規(guī)則進行實時計算，也可以先離線計算好，然后在控制時直接查表來得到控制量。 AT89S51的資源分配 對于AT89S51，它本身的中斷資源就比較少，為了節(jié)省這些資源，按鍵輸入采用1/0口查詢的方式，中斷資源分配情況如下: 外部中斷0 INT0 CAN總線接收 定時器 0 T0 設(shè)置為50ms的定時器，用來產(chǎn)生程 序中所需要的有關(guān)時間及采樣周期 定時器1 T1 為串行口的通訊產(chǎn)生時鐘，控制波特率 串行口中斷 SE

16、RI 應用于RS232的接受和發(fā)送 外部中斷1 INT1 備用 對于內(nèi)部RAM的分配，將60H-7FH之間的單元分配給堆棧使用，總共有32個單元，因為在中斷中要用到堆棧，而中斷是隨機的，所以這部分單元不能再做它用。20H-27H共8個單元作為位標志區(qū)，存放程序中的一些狀態(tài)標志。剩下的29H-59H單元，除個別單元固定分配給少許的全局變量外，大多數(shù)進行動態(tài)的分配，這樣可提高其利用效率。 程序編寫中的幾點說明 a. 在程序的起始部分，加了一個大約100ms的延時是因為單片機系統(tǒng)的一些外圍芯片在上電時有一個上電復位過程，如果這些芯片復位還未完全結(jié)束時就對其進行操作會得到錯誤的結(jié)果。 b.我們采用的單片機AT89S51是8位機，所以在制做模糊控制查詢表時其 中 的 輸出值也為8位。但數(shù)/模轉(zhuǎn)換器件AD420是16位的，在編程中將 查 表得到的值作為高8位，低8位按0進行輸出 。 C. 為了使系統(tǒng)開機工作時能保持和上次關(guān)機前相 同的工作狀態(tài)，就需要將有關(guān)的參數(shù)存儲起來，譬如液位的設(shè)定值等，這里選用的存儲芯片是AT24C01。 d.