單片機溫度模糊控制系統(tǒng)畢業(yè)設計論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要討論了基于模糊單片機NLX230的溫度模糊控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計過程。</p><p>　　在此文中提出了數(shù)學模型難以確定或模型非常粗糙的工業(yè)系統(tǒng)的控制問題的解決辦法——模糊控制方法；并闡述了有關(guān)模糊控制的基本知識和模糊控制系統(tǒng)設計的一般步驟，如模糊化、模糊判決、模糊控制器的設計等；介紹

2、了模糊單片機NLX230的引腳及功能；并以加熱爐控制系統(tǒng)為例，選取爐子出口溫度與給定溫度之間的偏差與偏差變化率作為輸入變量，以系統(tǒng)燃料管道上燃料流量控制閥的開度為輸出變量，通過模糊單片機NLX230設計了一個雙輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)來實現(xiàn)溫度控制。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：溫度控制； 模糊控制； NLX230； 單片機； 自動控制 </p><p><b>　　A

3、bstract</b></p><p>　　This text mainly discusses to control the hardware design and software of the system to design the process according to the temperature faintness of a machine NLX230.</p>&l

4、t;p>　　Put forward the solution of mathematics model control problem of hard assurance or model very rough industry system in this text- misty control method. Elaborated that the basic knowledge and faintnesses of the

5、relevant misty control the general step of the system design also, if the faintness turn, design etc. of the misty verdict, misty control Introducing a machine NLX230 leads the feet and functions. Combine to take the hea

6、ting stove control system as an example, select by examinations the c</p><p>　　Keyword: The temperature control; Misty control; NLX230; </p><p>　　A machine; Automatic co

7、ntrol. </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 引 言1</p><p>　　第二章 模糊控制2</p><p>　　2.1 模糊控制原理簡介2</p><p>　　2.2 模糊控制設計的一般流程3</p

8、><p>　　2.3 模糊控制器設計的步驟4</p><p>　　第三章 模糊單片機NLX2309</p><p>　　3.1 NLX230的引腳及功能圖9</p><p>　　3.2 NLX230的結(jié)構(gòu)特點10</p><p>　　3.3 NLX230的內(nèi)部寄存器及功能12</p><

9、;p>　　3.4 NLX230的操作及接口技術(shù)13</p><p>　　第四章 系統(tǒng)設計16</p><p>　　4.1 系統(tǒng)硬件設計16</p><p>　　4.1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)16</p><p>　　4.1.2 NLX230工作過程18</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件設計18&

10、lt;/p><p>　　4.2.1 模糊控制器的設計18</p><p>　　4.2.2 溫控系統(tǒng)的開發(fā)25</p><p>　　4.3 系統(tǒng)仿真27</p><p><b>　　結(jié) 束 語28</b></p><p><b>　　參考文獻：29</b></

11、p><p><b>　　附 錄30</b></p><p><b>　　致 謝32</b></p><p>　　Contents </p><p>　　1. Preface1</p><p>　　2. Fuzzy control2</p>&l

12、t;p>　　2.1 The fuzzy control principle brief introduction2</p><p>　　2.2 General process that fuzzy control design3</p><p>　　2.3 The step of the fuzzy controller design4</p><p>

13、　　3. NLX2309</p><p>　　3.1 The NLX230 leads the feet and function diagrams9</p><p>　　3.2 NLX230 structure characteristics10</p><p>　　3.3 The NLX230 inner part deposits the machine

14、 and functions10</p><p>　　3.4 NLX230 operation and connect a people's technique13</p><p>　　4. System design16</p><p>　　4.1 The system hardware design16</p><p>　

15、　4.1.1 System hardware structure16</p><p>　　4.1.2 The NLX230 work process18</p><p>　　4.2 The system software design18</p><p>　　4.2.1 The design of the misty controller18</p&g

16、t;<p>　　4.2.2 The development of WEN KONG4's system25</p><p>　　4.3 The system really imitate27</p><p>　　Conclusion28</p><p>　　Reference:28</p><p>　　Appen

17、dix30</p><p>　　Send thanks 32</p><p><b>　　第一章 引 言</b></p><p>　　溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中溫度是一個非常重要的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制不好就可能引

18、起生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量等一系列問題。</p><p>　　溫度控制雖然很重要，但是在那些存在大滯后、時變、非線性、對象數(shù)學模型難以確定的系統(tǒng)中溫度控制并不理想。而經(jīng)典控制理論主要解決的是線性系統(tǒng)控制問題，現(xiàn)代控制理論雖然能夠解決非線性、時變系統(tǒng)控制問題，而對于那些被控對象數(shù)學模型難以確定的系統(tǒng)，模糊控制技術(shù)就發(fā)揮了奇特的優(yōu)勢。</p><p>　　模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎

19、上的一種基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，它是智能控制的一個重要分支。它具有以下幾方面的特點：</p><p>　　模糊工程的計算方法雖然是運用模糊集理論進行的模糊算法，但最后得到的控制規(guī)律是確定性的、定量的條件語句。</p><p>　　不需要根據(jù)機理與分析建立被控對象的數(shù)學模型，因此容易實現(xiàn)那些建立數(shù)學模型很困難的，甚至不可能的系統(tǒng)的控制。</p><p>　　

20、與傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊控制系統(tǒng)依賴于行為規(guī)則庫，由于是用自然語言表達的規(guī)則，更接近于人的思維方法與推理習慣，因此，便于現(xiàn)場操作人員的理解和使用，便于人機對話，以得到更有效的控制規(guī)律。</p><p>　　模糊控制與計算機密切相關(guān)。從控制角度看，它實際上是一個由很多條件語句組成的軟件控制器。</p><p>　　目前，模糊控制還是應用二值邏輯的計算機來實現(xiàn)，模糊規(guī)律經(jīng)過運算，最后還是進行

21、確定性的控制。模糊推理硬件的已經(jīng)與模糊計算機的開發(fā)，使得計算機將像人腦那樣隨心所欲地處理模棱兩可的信息，協(xié)助人們決策和進行信息處理，因此模糊控制的前景非常廣闊，應用領域也會越來越廣闊。</p><p><b>　　第二章 模糊控制</b></p><p>　　2.1 模糊控制原理簡介</p><p>　　模糊控制就是指通過模糊邏輯和近似推理方

22、法，把人的經(jīng)驗形式化、模型化、變成計算機可以接受的控制模型，讓計算機代替人來進行有效的實時控制，為實現(xiàn)模糊控制，語言變量的概念可作為描述手動控制策略的基礎，并在此基礎上發(fā)展為一種新型的控制器----模糊控制器。</p><p>　　下圖為模糊控制原理框圖 </p><p>　　S……系統(tǒng)的設定植，是精確量</p><p>　　e,c……系統(tǒng)偏差與偏差變化率，均是精確

23、量</p><p>　　E,C……經(jīng)模糊量化處理后，偏差與偏差變化率變成的模糊量</p><p>　　U……模糊量的偏差與偏差變化率經(jīng)模糊控制規(guī)則，近似推理處理后，得到模糊量的控制作用U</p><p>　　u……對模糊量的控制作用U，經(jīng)模糊判決，得到模糊控制器輸出的精確量的控制作用u，去控制被控對象。</p><p>　　2.2 模糊控制設

24、計的一般流程</p><p>　?。?）系統(tǒng)分析　對受控的工業(yè)對象進行系統(tǒng)分析，確定控制器的輸入變量x1、x2 與輸出變量y及它們的數(shù)值變化范圍和要求達到的控制精度等，根據(jù)實際</p><p>　　過程的需要建立物理模型，確定控制器結(jié)構(gòu)總體設計方案。</p><p>　　（2）模糊化方法的選擇與確定　所謂模糊化，就是把輸入變量數(shù)值，變換成模糊語言變量的語言

25、值，例如某燃燒爐溫度910℃,變換成語言值（溫度“低”、“中”、“高”），在實際控制過程中，經(jīng)常把一個物理量劃分成正大（PL）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZE）負?。∟S）、負中（NM）、負大（NL）七級語言變量。每一個語言值對應一個模糊子集，其隸屬函數(shù)通常選用三角形或梯形分布，如某控制器輸入變量如溫度、壓力模糊集的隸屬函數(shù)，見圖3-31所示。由隸屬函數(shù)圖可確定輸入數(shù)值相應的隸屬度?！?（3）模糊控制規(guī)則庫的建立　確定語言控制規(guī)

26、則是模糊控制器設計的核心工作，規(guī)則的形式很像計算機程序設計語言常用的“IF……THEN……”條件語句?？刂埔?guī)則的多少視輸人及輸出物理量數(shù)目及所需的控制精度而定。值得注意的是，規(guī)則的數(shù)目是以語言變量級數(shù)平方關(guān)系變化而迅速增加，規(guī)則越多，推理的質(zhì)量就會越下降。因此，在規(guī)則庫的設計時，需要確定合適的語言變量級數(shù)和控制規(guī)則的數(shù)目及建立正確的規(guī)則形式。推理規(guī)則的運算涉及到模糊算子的確定。模糊理論的研究已提出了多種模糊算子，目前世界各國研制的模糊推

27、理應用軟件，常用的推理運算方法為最</p><p>　　2.3 模糊控制器設計的步驟</p><p>　　模糊控制與一般的自動控制的根本區(qū)別是，不需要建立精確的數(shù)學模型，而是運用模糊理論將人的經(jīng)驗知識、思維推理，控制過程的方法與策略是由所謂模糊控制器來實現(xiàn)。因此，模糊控制設計的核心是模糊控制器的設計。設計模糊控制器必須解決以下三個問題：</p><p>　　（1）輸

28、入量、輸出量的模糊化；</p><p>　　（2）建立模糊控制規(guī)則或模糊控制表；</p><p>　　（3）輸出信息的模糊判決。</p><p>　　圖2-2 是一個實用的雙輸入單輸出模糊控制器的方框圖。</p><p>　　其設計的一般步驟如下：</p><p>　　明確在本論文中，模糊控制需要完成的任務。</

29、p><p>　　詳細總結(jié)系統(tǒng)中操作人員的全部手動控制策略。</p><p>　　給出模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖和被控對象的原理圖，結(jié)構(gòu)圖或簡化圖。</p><p>　　選取第一個輸入語言變量偏差E（e）</p><p>　　基本論域：一般為 [a, b] 或 [-xe, xe]；</p><p>　　量化論域：一般取為 X={-n

30、,-n+1, …,0, …,n-1,n]；</p><p>　　量化因子：當基本論域為[-xe, xe]，而量化論域為X={-n,-n+1, …,0, …,n-1,n]時，則量化因子為</p><p>　　ke=n/xe （2.1）</p><p>　　離散化公式：當基本論域為[a, b]，量化論域為X={-n,

31、-n+1, …,0, …,n-1,n]</p><p>　　時，離散化公式為 </p><p>　　X=﹝2n(x’-(a+b)/2)/(a-b)﹞取整數(shù) x’∈[a，b] （2.2）</p><p>　　詞集：當量化論域中取n=6時，常取以下詞集：</p><p>　　負大（NB），負中（NM），負?。∟S），負零（NO）&l

32、t;/p><p>　　正零（PO），正?。≒S）， 正中（PM），正大（PB）</p><p>　　對于模糊子集依次記為E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7，E8</p><p>　　根據(jù)手動策略設計輸入語言變量E在量化論域上的賦值表</p><p>　　（5）第二個輸入變量C（c）</p><p>　　1）這個變量可

33、能與第一個輸入語言變量偏差E無關(guān)，也可能取E的偏差變化率。</p><p>　　2）基本論域：一般為 [g , h] 或 [-ye , ye]；</p><p>　　3）量化論域：一般取為 Y={-m,-m+1, …,0, …,m-1,m]；</p><p>　　4) 量化因子：當基本論域為[-ye , ye]，而量化論域為Y={-m,-m+1, …,0, …,m-

34、1,m]時，則量化因子為 </p><p>　　ke=m/ye （2.3）</p><p>　　5）離散化公式：當基本論域為[g , h]，量化論域為Y={-m,-m+1, …,0, …,m-1,m]時，離散化公式為 </p><p>　　Y=﹝2m(y，h)/2)/(h-g)﹞取整數(shù) y，∈[g , h]

35、 （2.4）</p><p>　　6）詞集：當量化論域中取m=6時，常取以下詞集：</p><p>　　負大（NB），負中（NM），負?。∟S），負零（NO）</p><p>　　正零（PO），正?。≒S）， 正中（PM），正大（PB）</p><p>　　對于模糊子集依次記為C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8</

36、p><p>　　7）根據(jù)手動策略設計輸入語言變量C在量化論域上的賦值表</p><p>　　(6)輸出語言變量控制量U（u）</p><p>　　1）基本論域：一般取為 [-vu, vu]</p><p>　　2) 量化論域：一般取為 V={-s,-s+1,…,0, …,s-1,s}</p><p>　　3）比例因子Ku為

37、 </p><p>　　Ku=V/S （2.5）</p><p>　　4）詞集：如S=6時，取NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB 8個記為U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7，U8</p><p>　　5）根據(jù)手動策略設計輸入語言變量U在量化論域上的賦值表</p><p>　　

38、（7）制定控制規(guī)則表</p><p>　　1）雙輸入單輸出模糊控制器的控制規(guī)則通常用下述模糊多重條件語句描述：</p><p>　　“如果E1且C1則U1，如果E2且C2則U2，…，如果Ep且Cp則Up”</p><p><b>　　或</b></p><p>　　“IF E1 AND C1 THEN U1 ，IF E

39、2 AND C2 THEN U2 ，---，IF EP AND CP THEN UP”</p><p>　　2) 根據(jù)手動控制策略，總結(jié)本論文的所有控制規(guī)則，通?？刂埔?guī)則有幾十條，可合并相同的規(guī)則，但不允許遺漏和出現(xiàn)相互矛盾的規(guī)則。由于控制規(guī)則多，我們常用控制規(guī)則表來表達所有規(guī)則。</p><p>　?。?）編制模糊控制表</p><p><b>　　

40、1）CRI法</b></p><p><b>　　求總模糊關(guān)系：</b></p><p>　　R=R1∪R2∪R3…∪Ri </p><p>　　Ri=（Ei×Ci）T1·Ui ； i=1，…, p.

41、（2.6）</p><p>　　其中（Ei×Ci）T1的含義是：表示把Ei與Ci的笛卡爾積的計算結(jié)果，即nm的模糊陣，按“拉直”成nm元模糊行向量，再轉(zhuǎn)置成nm元模糊列向量。而則Ri的最終結(jié)果為 nm×t的模糊陣。</p><p>　　制備模糊控制表：對于每一具體觀測值偏差E*和偏差變化率C*，分別用各自的量化因子（或離散化）公式變成量化論域中的元素，再把其模糊化為E*

42、和C*，由公式求得模糊控制量U*： </p><p>　　U*=（E*×C*）T2·R （2.7） </p><p>　　其中（E*×C*）T2表示把E*與C*的笛卡爾積的計算結(jié)果，即nm的模糊陣，按“拉直”成nm元模糊行向量。然后計算出模糊控制量U*。再選用任一種模糊判決方法，便可得到輸出的精確量U*。<

43、/p><p>　　遍取輸入數(shù)據(jù)的各種可能情況，進行上述運算，就可以制備“模糊控制表”。模糊控制表一般要經(jīng)過嚴格的實踐檢驗和反復的修改，才能真正投入使用。</p><p>　　2）ARMCE方法（特征展開法）</p><p>　　對于輸入觀測值偏差E*和偏差變化率C*，模糊化后為E*和C*。控制規(guī)則如前，求輸出模糊量U*為：</p><p>　　α

44、i=∨(ej∧aji); i=1,…,p ；j=1,…,n （2.8）</p><p>　　βi=∨(fj∧bji); i=1,…,p ；j=1,…,n （2.9）</p><p><b>　　其推理結(jié)果為下式：</b></p><p>　　U=∪（αi∧βi）Ui i=1,…,p

45、 （2.10）</p><p>　　其中Ei=(a1i…ani),Ci=(b1i…bmi),Ui=(c1i…cti) (i=1,…,p),</p><p>　　E=(e1…en),C=(f1…fm).</p><p>　　ARMCE方法的計算量比CRI方法小得多.</p><p>　　遍取輸入數(shù)據(jù)E*，C*的所有可能情況，進行ARM

46、CE方法的計算，就可以制備出與用CRI方法相同的“模糊控制表”。</p><p>　　注意：由于模糊控制算法得出的是論域上的模糊集，但被控對象只能接受精確的控制量，因此不管用哪一種控制算法都需要進行輸出信息的模糊判決，也就是把模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。</p><p>　　模糊判決的方法有許多，常用的模糊判決方法有如下三種：</p><p><b>　　1）、最

47、大隸屬度法</b></p><p><b>　　2）、加權(quán)平均法 </b></p><p>　　它包括重心法：ua=(∑i·ui)/(∑ui) i=-s,…,s</p><p>　　取µ≥0.5的加權(quán)平均法：ub=(∑i·ui)/(∑ui) i=k,…,h</p><p>

48、;　　加權(quán)平均法：uc=(∑iki)/(∑ki) i=-s,…,s</p><p><b>　　3）、取中位數(shù)法</b></p><p>　　以上計算通常在離線情況下進行。</p><p><b>　?。?）一步控制算法</b></p><p>　　在每一控制周期中，將采樣得到的觀測值E和C，分

49、別量化為xi和yj，用微機查詢“模糊控制表”，便可得到模糊的輸出量，再用比例因子公式Ku計算，即得到精確的作用于被控對象的控制量。 </p><p>　　第三章 模糊單片機NLX230</p><p>　　NLX230是美國Neuralogix公司生產(chǎn)的模糊單片機的一種基本型號，模糊推理速度每秒達3000萬條規(guī)則。它采用Mamdani法的極小極大合成運算進行推理，是一種有固定推理方式的模

50、糊單片機。它有和外部計算機的接口電路、外部EEPROM接口電路，通過這些接口電路，可以和外部計算機進行有關(guān)信息的傳遞，能完成對溫度、位移等參量的精確控制。</p><p>　　3.1 NLX230的引腳及功能圖</p><p>　　NLX230是40引腳的雙列知插式集成芯片，如圖3-1所示。</p><p>　　各引腳的功能簡要介紹如下：</p>&

51、lt;p>　　DI0～DI7；8位數(shù)據(jù)輸入端，在NLX230中，允許8個8位輸入，哪一個數(shù)據(jù)進入哪一個模糊器，由MA0～MA2控制輸入選擇器選擇，由選通信號STB進行同步。</p><p>　　DO0～DO7：8位數(shù)據(jù)輸出端，輸出寄存器由MA0～MA2選擇并由STB同步。</p><p>　　STB：選通信號，它和MA0～MA2相結(jié)合，用于選通輸入和輸出的數(shù)據(jù)。</p>

52、<p>　　MA0～MA2：多路地址信號，它們用于選擇輸入端和輸出端。</p><p>　　SK：串行時鐘，用于把NLX230的配置數(shù)據(jù)送入NLX230。在M/S=0時，稱為從方式，這時，在SK同步之下，外部主計算機系統(tǒng)通過DI端下裝數(shù)據(jù)到 NLX230，或者通過DO端從NLX230中讀取數(shù)據(jù)。M/S=1時，稱為主方式，這時，在SK同步之下，NLX230通過DI端讀取外部EEPROM 93C56的內(nèi)

53、容。</p><p>　　CS：片選信號，低電平有效，用于啟動EEPROM以進行數(shù)據(jù)串行讀寫。</p><p>　　DI：串行數(shù)據(jù)輸入端。</p><p>　　DO：串行數(shù)據(jù)輸出端。</p><p>　　M/S：主從方式設置端，M/S=1時，處于主方式；M/S=0時，處于從方式。</p><p>　　R/W：在從方式中

54、，用做讀寫信號的輸入端，R/W=1，表示讀；R/W=0時，表示寫。主方式中無用。</p><p>　　XI：石英振蕩器輸入信號端。</p><p>　　XO：石英振蕩器輸出信號端。</p><p>　　CLK：內(nèi)部振蕩器的反緩沖器輸出。</p><p>　　RST：復位信號輸入端，低電平有效。</p><p>　　VD

55、D：+5V電源。</p><p><b>　　VSS：電源地。</b></p><p>　　NC：無用端，通常接地。</p><p>　　3.2 NLX230的結(jié)構(gòu)特點</p><p>　　如圖3-2所示，NLX230由模糊化輸入選擇器、16個模糊化器、最小比較器、最大比較器、輸出寄存器、規(guī)則寄存器和定時控制等單元組成

56、。</p><p>　　1）模糊化輸入選擇器和模糊化器</p><p>　　模糊化輸入選擇器是由“8選1”多路選擇器組成的選擇電路，模糊化器是用來求取輸入量對用戶所定義的隸屬函數(shù)的隸屬度。每個“8選1”選擇器都與一個模糊化器相連。因此，每個模糊化都可以從8位的外部信號任選一位輸入，完成對輸入信號的模糊化過程。NLX230中有16個模糊化器，一次最多可求取16個模糊量。</p>

57、<p>　　2）最小比較器和最大比較器　　最小比較器是一個神經(jīng)網(wǎng)絡，可以根據(jù)規(guī)則寄存器置“1”位，將相應的模糊化器的輸出進行高速比較，求出最小值，作為最小比較器的結(jié)果輸出，即每條控制規(guī)則前件產(chǎn)生的最小值作為輸出結(jié)果。最大比較器對每條規(guī)則前件產(chǎn)生的最小值進行比較，求出其中的最大值，這就是模糊邏輯最小最大推理結(jié)果。含最大值的控制規(guī)則的后件的模糊量就是推理結(jié)果的模糊量（由于后件的模糊量實質(zhì)是單點，取值范圍是－128～127，相當

58、于完成了反模糊化的過程），故稱之為作用值。</p><p>　　3）輸出寄存器、規(guī)則寄存器　　規(guī)則寄存器用于存放控制規(guī)則，NLX230最多可存放64條規(guī)則。輸出寄存</p><p>　　器用于存放作用值，作用值對輸出值的修改采用累加法，即輸出值等于即時作用值與上次輸出值相加。</p><p>　　3.3 NLX230的內(nèi)部寄存器及功能</p>&l

59、t;p>　　NLX230寄存器地址至間為00H~FFH，其中00H~0BH保留，在輸入時可全部清零。</p><p>　　輸出方式寄存器（地址為0CH）</p><p>　　該寄存器有8位，若某位為0，則對應的8位輸出以立即法輸出，即輸出值等于作用值加初始值；反之，則對應的8位輸出以累加法輸出，即輸出值等于作用值加上次輸出值。</p><p>　?。?）　輸入

60、配置寄存器（地址為0DH）</p><p>　　該寄存器有8位，若某位為0，則對應輸入端的輸入來自內(nèi)部輸出反饋信號；若某位為1，則對應輸入端的輸入來自外部信號（DIo~DI7）。</p><p>　　函數(shù)類寄存器（地址為0EH~0FH）</p><p>　　它是兩個8位寄存器，共16位，對應控制16個模糊化器的隸屬函數(shù)類型，若某位為0，則對應模糊化器的隸屬函數(shù)為包含

61、隸屬函數(shù)；反之，為排斥隸屬函數(shù)。</p><p>　　初始值寄存器（地址為10H~17H）</p><p>　　初始值寄存器有8個，每個有8位，在每個初始值寄存器中存放了用戶定義的輸出初始值，范圍為-128~+127。在立即法中，初始值就是無需修改的額定輸出值；在類加法中，初始值用于求取復位之后的第一個輸出值。</p><p>　　規(guī)則邊界寄存器（地址為18H~1F

62、H）</p><p>　　規(guī)則邊界寄存器有8個，每個有8位，最高兩位為0，D5~D0共6位為有效值。每一位輸出回用到一定數(shù)量的連續(xù)規(guī)則，這個數(shù)量等于現(xiàn)行輸出對應的規(guī)則邊界寄存器內(nèi)容與先前輸出對應的規(guī)則邊界寄存器的內(nèi)容之差。每一個規(guī)則邊界寄存器的內(nèi)容就是相應輸出所用到的最后一條控制規(guī)則的地址。每一個輸出必須最少用到分配給它的規(guī)則數(shù)量的兩條規(guī)則。應該注意的是：規(guī)則0是不能由用戶編輯的，由于輸出端有8個，而控制規(guī)則可達

63、64條，平均每個輸出端可以用到8條規(guī)則。</p><p>　　項寄存器（地址為20H~3FH）</p><p><b>　　表3-1 項寄存器</b></p><p>　　如表3-1所示，項寄存器有16個，每個有16位，占2個字節(jié)，即占2個地址。每個項寄存器的D7~D0，即第一字節(jié)存放隸屬函數(shù)的中心值c(0~255),D12~D8</p&

64、gt;<p>　　存放隸屬函數(shù)的低寬w(0~31)，D15~D13存放選擇碼0~7，用于選擇輸入。</p><p>　　作用值寄存器（地址40H~7FH）</p><p>　　作用值寄存器有64個，每個有8位，每個作用值寄存器存放補碼，范圍為-128~+127。</p><p>　　規(guī)則寄存器（地址為80H~BFH和C0H~FFH）</p>

65、<p>　　規(guī)則寄存器有64個，每個規(guī)則寄存器有2組，每個有16位，占2個字節(jié)，一個規(guī)則寄存器有80H~BFH中的一個字節(jié)和C0H~FFH中相應的一個字節(jié)組成，如81H和C1H組成一個16位規(guī)則寄存器，其余類推。81H中的字節(jié)用于選擇低8個模糊化器，C1H中的字節(jié)用于選擇高8的模糊化器。規(guī)則寄存器中某位為1，選中對應的模糊化器。</p><p>　　注意：規(guī)則0是不能由用戶編輯的，所以，80H和C0

66、H應寫入0。也既是說，用戶實際只能用63條控制規(guī)則。</p><p>　　3.4 NLX230的操作及接口技術(shù)</p><p><b>　　（1）主方式</b></p><p>　　當M/S引腳端接+5V，這時，NLX230處于主方式狀態(tài)，此時產(chǎn)生下列控制信號：</p><p>　　串行時鐘SK：所產(chǎn)生的SK信號作為外

67、部EEPROM的時鐘信號。它是石英振蕩器輸入信號的32分頻。</p><p>　　片選信號CS：這時所產(chǎn)生的CS信號用于對外部EEPROM進行片選；</p><p>　　串行數(shù)據(jù)輸出口D0：D0信號是外部EEPROM的地址信號。</p><p>　　此外，NLX230的串行數(shù)據(jù)輸入端DI會接收來自外部EEPROM的讀出數(shù)據(jù)。</p><p>

68、　　NLX230在主方式中的這種控制規(guī)則需要專門的外部EEPROM器件，NLX230與EEPROM 93C56的主要連線如圖3-3所示。</p><p><b>　?。?）從方式</b></p><p>　　當M/S端接電源地時，即低電平，則NLX230處于從方式的工作狀態(tài)。在從方式下，NLX230是受外部邏輯電路控制的，接收外部邏輯電路來的下列信號：</p&g

69、t;<p>　　串行時鐘SK；由外部邏輯電路送給NLX230，NLX230的SK端輸入。</p><p>　　片選信號CS：由外部邏輯電路送向NLX230的控制信號，從NLX230的CS端輸入。</p><p>　　讀寫信號R/W：由外部邏輯電路送來，從NLX230的R/W端輸入。當R/W=1時，表示讀NLX230的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；當R/W=0時，表示寫NLX230的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。&l

70、t;/p><p>　　從方式有兩種工作過程：即上裝過程和下裝過程。所謂上裝，就是外部邏輯電路寫NLX230；所謂下裝，就是外部邏輯電路讀NLX230。無論在上裝或是下裝完成后，都需要用一個復位信號RST對內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行初始化，才能啟動NLX230的正常工作。</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)接口方法</b></p><p>　　當NLX230

71、像單片機一樣作為單獨的核心處理器使用時（即主方式下），它只需要一個外部串行EEPROM存儲配置信息就可以了。</p><p>　　當把NLX230和一般的微處理器連接使用時（即從方式），就需要在它的SK、CS、R/W、DI、DO 5個引腳上提供所需的信號。根據(jù)輸入輸出的數(shù)目，還應在它的外部設置相應的輸出鎖存器和輸入緩沖器。</p><p><b>　?。?）初始化</b&g

72、t;</p><p>　　在主方式時，初始化會使NLX230自動從外部EEPROM下載配置數(shù)據(jù)，這時，所有的輸出端保持邏輯0，直到配置數(shù)據(jù)下裝結(jié)束；在從方式時，NLX230等待外部邏輯電路下裝配置數(shù)據(jù)，在復位之后，所有的輸出端DO0~DO7都保持邏輯0，直到數(shù)據(jù)從輸入端DI0~DI7傳送到輸出端DO0~DO7為止。</p><p><b>　　第四章 系統(tǒng)設計</b>

73、;</p><p>　　溫度控制是自動控制領域中常見的一種控制，在許多工業(yè)過程中都起到非常重要的作用，應用非常廣泛。下面就以加熱爐溫度控制系統(tǒng)為例，設計一個基于單片機的溫度模糊控制系統(tǒng)，其控制方案如圖4-1所示。在此控制系統(tǒng)中，以加熱爐出口溫度的偏差e和偏差變化率c為輸入信號，以系統(tǒng)燃料管道上燃料流量控制閥的開度u為輸出量，通過模糊單片機NLX230，構(gòu)建一個“雙輸入單輸出”的控制系統(tǒng)，來達到控制溫度的目的。&l

74、t;/p><p>　　4.1 系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　4.1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　對于模糊單片機NLX230我們采用主動方式，使其與外部EEPROM 93C56相連，從外部EEPROM中讀取數(shù)據(jù)，其硬件結(jié)構(gòu)大約可分為三部分，系統(tǒng)硬件框圖如下圖4-2所示。</p><p><b>　　1）輸入結(jié)構(gòu)</b

75、></p><p>　　在此溫控系統(tǒng)中，由ADC0809所構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換器和其他附屬電路組成了輸入結(jié)構(gòu)，其主要作用是將經(jīng)檢測、變送等電路得來的溫度偏差及偏差變化率電壓模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入到NLX230的輸入端。</p><p><b>　　2）控制結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　控制結(jié)構(gòu)是由模糊單片機NLX230和EEPROM9

76、3C56等附屬電路組成。其中NLX230采用主動方式從EEPROM93C56中讀取數(shù)據(jù)，EEPROM93C56中存放了NLX230的配置信息，這些配置信息用于設定NLX230的輸出寄存器、輸入配置寄存器、隸屬函數(shù)寄存器、初始值寄存器、項寄存器、作用值寄存器、規(guī)則寄存器等內(nèi)容。</p><p><b>　　3）輸出結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　在此系統(tǒng)中只有一個輸出

77、量，因此輸出結(jié)構(gòu)就是由一個D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832和放大器OP07組成，在輸出結(jié)構(gòu)后續(xù)有執(zhí)行裝置與控制。其作用是把數(shù)字控制信號經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬控制信號，再輸入執(zhí)行器去控制閥門開度以控制燃料流量，從而達到控制溫度的目的。</p><p>　　4.1.2 NLX230工作過程</p><p>　　1）NLX230的初始化過程</p><p>　　首先在NL

78、X230的M/S引腳上接上+5V的電壓，此時NLX230會送出串行時鐘信號SK作為外部EEPROM的時鐘信號，接著送出片選信號CS選中EEPROM（EEPROM中存儲的是模糊控制器的控制規(guī)則）。然后，從串行數(shù)據(jù)輸出端D0送出一個讀標志和7位的地址，并從EEPROM中讀出對應地址中的16位內(nèi)容送入串行輸入DI端，此時，片選信號CS變負，接著變正。依次類推，直至EEPROM中的182個數(shù)據(jù)被讀入NLX230中，這就是NLX230的初始化過程

79、，即NLX230的結(jié)構(gòu)配置過程。</p><p>　　2）模糊化、模糊控制過程</p><p>　　溫度傳感器測量被控對象的溫度得到一個電壓信號，經(jīng)變送電路反饋到控制器，與設定值比較得到偏差信號e及偏差變化率信號c（e、c都為模擬信號），</p><p>　　分別接入ADC0809的不同輸入通道。此時NLX230把通道選擇信號MA0—MA2送入ADC0809的通道選

80、擇端A、B、C用以選擇輸入變量，然后ADC0809將其接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸入到NLX230的DI0~DI7端。NLX230對輸入的數(shù)字信號按結(jié)構(gòu)配置進行處理，如：輸入數(shù)據(jù)的模糊化和Mamdani法的極小極大合成運算，最后得出一個數(shù)字控制信號量。這個數(shù)字信號再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，并將其接入執(zhí)行器以控制控制閥的開度來改變?nèi)剂狭髁?，從而達到控制溫度的目的。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件

81、設計</p><p>　　4.2.1 模糊控制器的設計</p><p>　　對于這個溫控系統(tǒng)而言，模糊控制器的輸入語言變量為出口溫度y與給定溫度S之間的偏差e＝y(tǒng)－S及其變化率c=de/dt，而其輸出語言變量為系統(tǒng)燃料管道上燃料流量控制閥的開度u 。</p><p>　　設定偏差e的論域為[-t,+t]，選取輸入語言變量偏差E的論域X＝｛－6，－5，－4，－3，－

82、2，－1，－0，+0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6｝，則得到偏差e的量化因子k＝6／t，這樣就可為語言變量E選取8個語言值：PB、PM、PS、PO、NO、NS、NM和NB；</p><p>　　設定偏差變化率c的論域為[-s,+s]，選取輸入語言變量偏差變化率C的論域Y＝｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6｝，則得到偏差變化率c的量化因子k＝6／s，這樣就可為語言變量

83、C選取7個語言值：PB、PM、PS、ZO、NS、NM和NB；</p><p>　　設定閥門開度u的論域為[-w,+w]，選取輸出語言變量閥門開度U的論域Z＝｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6｝，則得到閥門開度u的量化因子k＝w/6，這樣就可為語言變量U選取7個語言值：PB、PM、PS、ZO、NS、NM和NB。</p><p><b>　　

84、（1）輸入量</b></p><p>　　輸入量1：實際溫度y與給定溫度S之間的誤差e＝y(tǒng)－S，用E表示，單位0C。</p><p>　　基本論域：[-t , +t]</p><p>　　量化論域：X={-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6}</p><p>　　詞 集：NB，NM，NS，N

85、O，PO，PS，PM，PB</p><p>　　E的隸屬函數(shù)圖見下圖4-4；E的隸屬函數(shù)表見表4-1</p><p>　　表4-1 E的隸屬函數(shù)表</p><p>　　輸入量2：實際溫度y與給定溫度S之間的誤差e的變化率c=de/dt，用C表示。 </p><p>　　基本論域：[-s , +s]</p><p>　

86、　量化論域：Y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}</p><p>　　詞 集：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB</p><p>　　C的隸屬函數(shù)圖見下圖4-5；C的隸屬函數(shù)表見表4-2</p><p>　　表4-2 C的隸屬函數(shù)</p><p><b>　　（2）輸出量</b&

87、gt;</p><p>　　加熱電阻絲的電流的可控硅導通角的變化量，用U表示</p><p>　　基本論域：[-w ,+w]</p><p>　　量化論域：Z={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}</p><p>　　詞 集：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB</p><p>

88、　　U的隸屬函數(shù)圖見下圖4-6；U的隸屬函數(shù)表見表4-3</p><p>　　表4-3 U的隸屬函數(shù)表</p><p><b>　　（3）控制規(guī)則</b></p><p>　　總結(jié)本課題中操作者的所有手動操作實踐經(jīng)驗，得到所有語言控制規(guī)則表如表4-4所示，表中共有64條控制規(guī)則，但其中一些可以合并。</p><p>　

89、　表4-4 E、C→U模糊控制規(guī)則表</p><p><b>　　例如表中控制規(guī)則</b></p><p>　　IF E=NB AND C=NB THEN U=PB，</p><p>　　IF E=NB AND C=NM THEN U=PB，</p><p>　　IF E=NB AND C=NS THEN U=PB，&

90、lt;/p><p>　　IF E=NB AND C=ZO THEN U=PB，</p><p>　　IF E=NM AND C=NB THEN U=PB，</p><p>　　IF E=NM AND C=NM THEN U=PB，</p><p>　　IF E=NM AND C=NS THEN U=PB，</p><p>

91、　　IF E=NM AND C=ZO THEN U=PB，</p><p><b>　　可以合并成</b></p><p>　　IF E=NB OR NM AND C=NB OR NM OR NS ORZO THEN U=PB </p><p>　　依此可把表中56條控制規(guī)則合并成17條規(guī)則，得到一個新的模糊控制規(guī)則表，如表4-5所示</

92、p><p>　　表4-5 合并后的E、C→U模糊控制規(guī)則表</p><p>　　IF E=NB OR NM AND C=NB OR NM OR NS OR ZO THEN U=PB</p><p>　　IF E=NS AND C=NB OR NM OR NS OR ZO THEN U=PM</p><p>　　IF E=NO OR PO AND

93、 C=NB OR NM THEN U=PM</p><p>　　IF E=NO OR PO AND C=NS THEN U=PS</p><p>　　IF E=NO OR PO AND C=ZO THEN U=ZO</p><p>　　IF E=PS AND C=NB OR NM THEN U=PS</p><p>　　IF E=PS AND

94、 C=NS THEN U=ZO</p><p>　　IF E=PM OR PB AND C=NB OR NM THEN U=ZO</p><p>　　IF E=PM OR PB AND C=NS THEN U=NM</p><p>　　IF E=PS AND C=ZO OR PS OR PM OR PB THEN U=NM</p><p>　

95、　IF E=PM OR PB AND C=ZO OR PS OR PM OR PB THEN U=NB</p><p>　　IF E=NB OR NM AND C=PS THEN U=PM</p><p>　　IF E=NB OR NM AND C=PM OR PB THEN U=ZO</p><p>　　IF E=NS AND C=PS THEN U=ZO<

96、/p><p>　　IF E=NC AND C=PM OR PB THEN U=NS</p><p>　　IF E=NO OR PO AND C=PS THEN U=NS</p><p>　　IF E=NO OR PO AND C=PM OR PB THEN U=NM</p><p><b>　　編制模糊控制表</b><

97、/p><p>　　我們通過CRI方法來計算</p><p>　　對上表4-4中的每一條控制語句，都可得到一個模糊關(guān)系。例如：第一條語句“IF E=NBAND C=NB THEN U=PB”的模糊關(guān)系為</p><p>　　R1=NBe×NBc×PBu</p><p>　　=（NBe×NBc）T1·PBu

98、 （4.1）</p><p>　　通過模糊關(guān)系與模糊矩陣的運算最終計算出R1為182×13的模糊陣，再對表4-4中56條控制規(guī)則進行同樣的計算，得到R1，R2 ，R3 ，… ，R56，從而求得總模糊關(guān)系</p><p>　　R= R1∪R2∪R3∪…∪R56 （4.2）</p><p>　　也為一個182×13

99、模糊陣。</p><p>　　對于任意輸入偏差e和偏差變化率c，把它們模糊化后分別為E和C，由模糊推理合成規(guī)則計算出模糊控制器輸出的控制量為</p><p>　　U=（E×C）T2· R （4.3）</p><p>　　從而得到U為一個13元模糊行向量，對這個模糊控制向量U，用重心法進行模糊決策，可得到量化

100、論域上的精確量U。對所有可能的輸入，都進行計算，便可編制出如下表4-6所示的模糊控制表。</p><p>　　表4-6 模糊控制表</p><p>　　這是一個14×13的矩陣，用編程器將此矩陣寫入EEPROM93C56作為模糊單片機NLX230初始化時的所需配置數(shù)據(jù)。</p><p>　　4.2.2 溫控系統(tǒng)的開發(fā)</p><p&

101、gt;　　利用NLX230的開發(fā)系統(tǒng)ADS230對系統(tǒng)進行開發(fā)，它由硬件和軟件兩部分組成，主要功能是利用軟件將系統(tǒng)的控制規(guī)則和隸屬函數(shù)寫成控制規(guī)則集文件，并將其轉(zhuǎn)換成有關(guān)寄存器的內(nèi)容寫入NLX230的規(guī)則寄存器。</p><p>　　系統(tǒng)的規(guī)則集文件如下：</p><p><b>　　NLX230</b></p><p><b>　　

102、TERMS</b></p><p>　　E is NB -6 2 in </p><p>　　E is NM -4 2 in </p><p>　　E is NS -2 2 in </p><p>　　E is NO -0 2 in </p><p>　　E is PO +0 2 in </p>

103、<p>　　E is PS +2 2 in </p><p>　　E is PM +4 2 in </p><p>　　E is PB +6 2 in </p><p>　　C is NB -6 2 in </p><p>　　C is NM -4 2 in </p><p>　　C is NS -2 2

104、 in </p><p>　　C is ZO 0 2 in </p><p>　　C is PS +2 2 in </p><p>　　C is PM +4 2 in </p><p>　　C is PB +6 2 in </p><p>　　U is NB -6 2 in </p><p>

105、　　U is NM -4 2 in </p><p>　　U is NS -2 2 in </p><p>　　U is ZO 0 2 in </p><p>　　U is PS +2 2 in </p><p>　　U is PM +4 2 in </p><p>　　U is PB +6 2 in </p&

106、gt;<p><b>　　OUTPUTS</b></p><p>　　P O IM/* Compreeor Control */</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if E is NB or NM and C is NB or NM or NS or ZO then U is PB&

107、lt;/p><p>　　if E is NS and C is NB or NM or NS or ZO then U is PM</p><p>　　if E is NO or PO and C is NB or NM then U is PM</p><p>　　if E is NO or PO and C is NS then U is PS</p>

108、<p>　　if E is NO or PO and C is ZO then U is ZO</p><p>　　if E is PS and C is NB or NM then U is PS</p><p>　　if E is PS and C is NS then U is ZO</p><p>　　if E is PM or PB and C

109、 is NS or NM then U is ZO</p><p>　　if E is PM or PB and C is NS then U is NM</p><p>　　if E is PS and C is ZO or PS or PM or PB then U is NM</p><p>　　if E is PM or PB and C is ZO or

110、PS or PM or PB then U is NB</p><p>　　if E is NB or NM and C is PS then U is PM</p><p>　　if E is NB or NM and C is PM or PB then U is ZO</p><p>　　if E is NS and C is PS then U is ZO&

111、lt;/p><p>　　if E is NC and C is PM or PB then U is NS</p><p>　　if E is NO or PO and C is PS then U is NS</p><p>　　if E is NO or PO and C is PM or PB then U is NM</p><p>&l

112、t;b>　　}</b></p><p>　　上面的規(guī)則集文件即定義了控制規(guī)則所需的所有元素，也定義了其隸屬函數(shù)，并給出了控制規(guī)則。在TERMS段中，主要描述的是在控制中要用到的輸入輸出物理量及其模糊量的隸屬函數(shù)。在OUTPUTS段中，則給出了所有的控制規(guī)則、輸出量、輸出初值，并指出了輸出方式。</p><p><b>　　4.3 系統(tǒng)仿真</b>&

113、lt;/p><p>　　對設計好的模糊控制系統(tǒng)為了考察其控制效果，我們還需對其進行數(shù)字仿真。得出對典型控制對象（如一階加純滯后）的階躍響應曲線，并用工業(yè)上最常用的PI控制器與上述模糊控制器進行仿真比較，比較兩種不同控制器作用下的階躍響應曲線，得出各自的性能指標，證明這種控制系統(tǒng)是可行的。但由于條件的原因這里沒能給出系統(tǒng)仿真比較曲線。</p><p><b>　　結(jié) 束 語</b

114、></p><p>　　進入90年代以來，美、日、德等國家和我國已研制開發(fā)了各種模糊控制的軟件開發(fā)工具，國外早在70年代以來就在鍋爐控制、燃燒爐的溫度控制、壓力容器的壓力控制、熱交換控制及十字路口的交通控制等方面實現(xiàn)了模糊控制。目前，它主要應用于液壓伺服系統(tǒng)、機器人、汽車、家電產(chǎn)品等控制領域。</p><p>　　模糊控制在現(xiàn)代控制領域中發(fā)揮著不可磨滅作用，它在大量應用和研究中表現(xiàn)出

115、了響應時間短、超調(diào)量小、魯棒性好等特點；特別對那些難以獲得數(shù)學模型或模型非常粗糙的工業(yè)系統(tǒng)，如那些大滯后、非線性等復雜工業(yè)對象實施控制有獨特優(yōu)勢，但應該指出的是，它絕不可以代替經(jīng)典的自動控制，而是擴展了一般的自動控制。在一些實際過程中，人們也常把模糊控制與一般的自動控制結(jié)合在一起應用，并且已研制出神經(jīng)模糊網(wǎng)絡的家電產(chǎn)品，將模糊控制技術(shù)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)等人工智能中一些新技術(shù)相結(jié)合，向著更高層次的研究和應用發(fā)展。但是，如模糊算子、模

116、糊關(guān)系方程的求解等模糊控制理論方面，還有許多不完善的地方，有待人們?nèi)ド钊胙芯俊?lt;/p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 何平，《模糊控制器的設計及應用》，科學出版社，1997</p><p>　　[2] 張乃堯，閻平凡，李衍達，《神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊控制》，清華大學出版社，1998</p><p