1  引言

　　模糊控制系統(tǒng) 是基于的控制系統(tǒng) 模糊邏輯 -分析的一個數(shù)學系統(tǒng) 模式 輸入價值根據(jù) 邏輯 承擔連續(xù)的價值在0和1之間的可變物，與古典對比或 數(shù)字式 邏輯，動手術(shù)在二者之一的離散值0和1 （真實和錯誤）。

　　模糊邏輯是用途廣泛在機器控制。 期限啟發(fā)有些懷疑，聽起來等效與“未完成的邏輯”或“偽造邏輯”，但“模糊的”部分在方法不提到缺乏嚴峻，寧可到事實介入的邏輯可能應付模糊的概念-不可能被表達如“真實”或“錯誤”的概念，但是寧可和“部份地配齊”。 雖然 基因算法 并且 神經(jīng)網(wǎng)絡 可執(zhí)行作為模糊邏輯在許多情況下（實際上，某些神經(jīng)網(wǎng)絡可以證明數(shù)學上是等值對某些模糊邏輯系統(tǒng)[1]），模糊邏輯有好處對問題的解答可以被熔鑄用人工操作能了解的術(shù)語，因此他們的經(jīng)驗可以用于控制器的設計。 這使它更加容易機械化已經(jīng)由人成功地執(zhí)行的任務。

　　模糊控制（Fuzzy Control）是目前自動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對信息進行軟處理的技術(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程，使計算機能判斷像“大概”、“輕”這樣的模糊信息。

　　模糊控制是基于規(guī)則的智能控制方式，它不依賴于被控對象的數(shù)學模型，特別適合對具有多輸入一多輸出的強耦合性、參數(shù)的時變性、嚴 重非線性與不確定性的復雜系統(tǒng)或過程的控制，且控制方法簡單，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(xiàn)象，單片機 常用的控制器件，把二者結(jié)合起來，可使控制器的性能指標達到的目的。本文就是通過利用單片機作為平臺，圍繞模糊控制規(guī)則，以模糊推理算法作為控制系統(tǒng) ，開發(fā)出具有自校正能力的通用的模糊控制器。以一個溫度監(jiān)控系統(tǒng)為實例介紹了系統(tǒng)的軟硬件設計。

2  模糊控制系統(tǒng)的組成及原理

2.1  模糊控制系統(tǒng)的基本組成與原理

圖1 模糊控制器原理圖

　　如圖1所示，模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的部分，也是和其它控制器區(qū)別環(huán)節(jié)。模糊控制器有四個基本部分組成：

　?。?）模糊化。

　?。?）知識庫。

　?。?）模糊推理。

　?。?）清晰化。

2.2  模糊控制系統(tǒng)的基本工作原理

　　模糊控制系統(tǒng)通常由計算機實現(xiàn)（包括PC機、單片機、單板機以及DSP等），一般設計思想是：

　?、?以誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器輸入量，u為輸出控制量。定義誤差e和誤差變化率ec及輸出變量u的模糊集及論域。

　　例如：

　　e和ec的模糊集為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}

　　u的模糊集為{NB，NM，NS，NO，O，PO，PS，PM，PB}

　　e的論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

　　ec的論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

　　u的論域{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}

　　其中：NB，NM，NS，NO，O，PO，PS，PM，PB分別代表負大，負中，負小，負零，零，正零，正小，正中， 正大這樣的模糊語言變量。

　　②.確定模糊規(guī)則R（模糊關(guān)系）。

　　例如：

　　if  e=NB  or  NM  and   △e=NB  or  NM，then   u=PB

　　or

　　if  e=NB  or  NM  and   △e=NS  or  O，  then   u=PB

　?、?模糊語言變量確定隸屬函數(shù)，即對模糊變量進行賦值。

　?、?計算機經(jīng)過采樣和A/D轉(zhuǎn)換獲得被控量的值，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（實際是模糊向量e和ec）。

　?、?根據(jù)模糊向量e、ec和模糊控制規(guī)則R，按推理合成規(guī)則進行模

　　糊決策，得到控制量（模糊向量u）。

3  基于單片機的溫控系統(tǒng)

3.1  系統(tǒng)原理

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

3.2  硬件設計

　?、貯Tmega8是采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機。工作電壓4. 5-5.5 V，芯片內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換功能。通過編寫程序，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(zhuǎn)換，從而省去外圍的A/D轉(zhuǎn)換 電路。ATmega8內(nèi)部有3個定時器T0，T1和T2，本系統(tǒng)使用2個，分別用作Ss的溫度數(shù)據(jù)采集和5 NS的LED刷新顯示。

　　② DS18B20支持“一線總線”接口，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性。溫度測量范圍從-55℃～+ 125℃，在-10℃～+85℃時測量為0. 5℃。DS18B20采用3腳TO－92封裝。分別為GND電源地，DQ數(shù)據(jù)輸人/輸出端（單線總線），VDD外接供電電源輸人端（3.0～5. 5 V） 。DS18B20內(nèi)部主要由寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口和配置寄存器等組成。在本系統(tǒng)中，將DQ接ATmega8的PC4口，VDD 與單片機Vcc同接+5V電源，并在DQ和VDD之間接一個4. 7 kΩ的上拉電阻，即可完成溫度的采集部分的硬件電路。

　?、坻I盤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3片Max595芯片與單片機相連，同時顯示當前溫度值和設定值。外圍電路同時有4個按鍵，可進行溫度逐次加減、功能切換以及保存等功能。

3.3  軟件設計

　　整個系統(tǒng)的硬件電路設計相對簡單。在本系統(tǒng)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(shù)；Ki為積分參數(shù)；Kd為微分參數(shù)；e（k）為系統(tǒng)偏差。先根據(jù)KP、 Ki 、Kd的值，計算出輸出U的初值，再根據(jù)操作人員的給定值得到偏差e和偏差變化率ec，然后通過模糊規(guī)則表推導出KP‘、 Ki' 、Kd’的值，再計算出△u。

　　由于增量型的算法不需要累加量，控制增量△u僅僅與近的采樣次數(shù)有關(guān)，所以誤動作時的影響小，而且比較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。這也是本系統(tǒng)采用增量型的PID控制算法作為Fuzzy PID控制器中的PID調(diào)節(jié)器部分算法的原因。

　　模糊控制器的關(guān)鍵是總結(jié)操作人員和技術(shù)人員的實際操作經(jīng)驗和技術(shù)知識，并建立合適的模糊規(guī)則表，并將模糊規(guī)則表通過程序編寫人單片機ATmega8中的EEPROM中去，在線時通過查詢得到合適的PID參數(shù)。

　　控 制器的控制范圍為整個測量系統(tǒng)的測量范圍，各個隸屬函數(shù)的論域范圍既要滿足覆蓋的原則，又不要使規(guī)則過多。根據(jù)多次實驗，在本系統(tǒng)中，偏差e和偏差變化率 ec的變化范圍為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊子集為e、ec= {NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。在本系統(tǒng)中，所設定的偏差e和偏差變化率ec以及KP、 Ki 、Kd的各個子集均采用正態(tài)分布。

圖3 程序設計流程圖

　　應用模糊合成推理使在線運行的過程中完成對PID參數(shù)的自行調(diào)整，具體步驟為：（1）采樣獲取當前溫度數(shù)據(jù)。（2）獲 取偏差和偏差變化率：e（k）=R（k）-Y（k）；ec（k）=e（k）-e（k-1）。（3） e（k）和ec （ k）模糊化。（4）計算當前KP、 Ki 、Kd。（5）PID控制器輸出。

　　在編寫程序時，考慮到由于溫度系統(tǒng)變化化緩慢，所以采樣周期用軟件和硬件相結(jié)合的方法，即用ATmega8的T1和軟件計時相結(jié)合的方法。

　　在等待采樣周期到達的期間內(nèi)不斷進行掃描和顯示過程，通過LED顯示給定溫度和采樣的溫度，通過ATmega8的T0進行5 ms的定時刷新LED。

　　模型控制子程序是根據(jù)采樣值和給定值求得溫度的偏差和偏差變化率，將KP、 Ki 、Kd三個參數(shù)的模糊規(guī)則表寫人單片機的EEPROM中，通過在線查表獲得控制。具體流程圖如上圖3所示。

4  結(jié)論

　　本文首先介紹了模糊控制理論的基本原理，在此基礎(chǔ)上將模糊控制理論與常規(guī)PID控制相結(jié)合，在以單片機ATmega8為系統(tǒng)部件對溫度進行控制。相較單 一的PID控制來說，模糊PID控制的效果具有動態(tài)效果好，上升時間快，超調(diào)小的優(yōu)越性，在本系統(tǒng)中也取得了很好的控制效果。另外可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)控制與模 糊控制是可以協(xié)同工作、相互補充的。