基于單片機的模糊控制系統(tǒng)

1 引言
     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域之一，模糊理論是當前能用來對信息進行軟處理的最新技術，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。采用傳統(tǒng)控制理論，不管是用經(jīng)典控制理論還是用現(xiàn)代控制理論來設計一個控制系 統(tǒng)，都需要事先知道被控對象的精確數(shù)學模型。然而，在許多情況下被控對象(或生產(chǎn)過程)的精確數(shù)學模型很難建立；像建材工業(yè)生產(chǎn)中的水泥窯、玻璃窯，化學 生產(chǎn)中的化學反應過程，食品生產(chǎn)中的發(fā)酵過程，還有眾多爐類的熱處理過程。諸如此類過程具有變量多，各種參數(shù)存在不同程度的時變性；且過程具有非線性，強 耦合，較大的隨機干擾、過程機理錯終復雜、存在各種不確定性以及現(xiàn)場測量手段不完善等特點。這些特點使得建立這一類過程的精確數(shù)學模型的難度很大，或甚至 根本辦不到。
      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精確數(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，把二者結合起來，可使控制器的性能指標達到最優(yōu)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) 核心，開發(fā)出具有自校正能力的通用的模糊控制器。最后以一個溫度監(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)的核心部分，也是和其它控制器最大區(qū)別環(huán)節(jié)。模糊控制器有四個基本部分組成：
    (1)模糊化。把輸入信號映射到相應域上的一個點后，將其轉化為該論域上的一個模糊子集，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域中的知識和要求的目標，通常由數(shù)據(jù)庫和模糊規(guī)則庫兩部分組成。數(shù)據(jù)庫主要包含各語言變量的隸屬函數(shù)，尺度變換因子和模糊空間的分級數(shù)等;規(guī)則庫包含了用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則，他們反映了控制專家的知識和經(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。該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊含關系及推理規(guī)則來進行的。
    (4)清晰化。清晰化又稱為解模糊化，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際的控制量。

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：
    1.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
    3.模糊語言變量確定隸屬函數(shù)，即對模糊變量進行賦值。
    4.計算機經(jīng)過采樣和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(實際是模糊向量e和ec)。
5.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，外圍電路包括鍵盤，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(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

3.2 硬件設計
1、ATmega8是采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR 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轉換，從而省去外圍的A/D轉換 電路。ATmega8內部有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℃時測量精度為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。

   DS18 B20規(guī)定了自己的通信協(xié)議，在每一次的溫度采集轉換時必須要經(jīng)過以下的步驟:每一次讀寫之前都要進行復位;復位后發(fā)送一條ROM指令；發(fā)送RAM指令。 復位要求ATmega8將數(shù)據(jù)線下拉500μs，然后抬至高電平，DS18B20收到信號后等待16～60μs后發(fā)出60～240μs的低脈 沖，ATmega8收到此信號后表示復位成功。
3、鍵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僅僅與最近的采樣次數(shù)有關，所以誤動作時的影響小，而且比較容易通過加權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調節(jié)器部分算法的原因。
       模糊控制器的關鍵是總結操作人員和技術人員的實際操作經(jīng)驗和技術知識，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合的方法，即用ATmega8的T1和軟件計時相結合的方法。
在等待采樣周期到達的期間內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 結論
     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(guī)PID控制相結合，在以單片機ATmega8為系統(tǒng)核心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。
      本文作者創(chuàng)新點為：將模糊控制系統(tǒng)應用于水溫的監(jiān)控中，打破了傳統(tǒng)的控制思路。另外將單片機應用于控制系統(tǒng)中，使控制系統(tǒng)更加簡潔，更容易控制，為工業(yè)控制系統(tǒng)提供了另外一條更好的思路。