基于模糊推理的智能控制器及其應(yīng)用 模糊推理的應(yīng)用

　　摘要:本文介紹了模糊控制的基本思想、模糊控制器的基本結(jié)構(gòu),主要介紹了模糊控制器在全自動(dòng)洗衣機(jī)中的應(yīng)用。 　　關(guān)鍵詞:模糊推理;模糊控制;智能控制器 　　中圖分類號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
　　
　　工業(yè)控制中最常用的數(shù)字控制算法是數(shù)字PID控制算法。對(duì)于大多數(shù)控制對(duì)象,需要事先建立該對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,且要知道模型的結(jié)構(gòu)、階次和參數(shù)等,在此基礎(chǔ)上合理地選擇控制策略進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。然而大量的事實(shí)告訴我們,在許多情況下,被控制對(duì)象由于過(guò)程復(fù)雜,機(jī)理有不明之處,缺乏必要的檢驗(yàn)手段或者檢測(cè)裝置,不能進(jìn)入被測(cè)試區(qū)域等各種原因,致使無(wú)法建立被控制過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。這就迫使人們探索新的控制方法和途徑去解決這類問(wèn)題。在這樣一個(gè)背景下,誕生了基于模糊邏輯的模糊控制算法。
　　
　　1 模糊控制的基本思想
　　
　　模糊控制的基本思想,就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)。而人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是用語(yǔ)言來(lái)表達(dá)的,這些語(yǔ)言表達(dá)的控制規(guī)則又帶有相當(dāng)?shù)哪：�性。例�?人工控制水槽水位的經(jīng)驗(yàn)可以表達(dá)為:
　�、偃羲�槽無(wú)水或水較少時(shí),則開(kāi)大閥門(mén);
　　②若水位和要求的水位相差不太大,則把水閥關(guān)小;
　�、廴羲�位快接近要求的水位,則把閥門(mén)關(guān)的很小;
　　…
　　這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則中,“較少”、“不太大”、“接近”、“開(kāi)大”、“關(guān)小”等表示水位狀態(tài)和控制閥門(mén)動(dòng)作的概念都帶有模糊性,這種模糊性可以用模糊數(shù)學(xué)的方法來(lái)描述過(guò)程變量和控制作用之間的關(guān)系,又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系及其時(shí)刻過(guò)程變量的檢測(cè)值,用模糊邏輯推理的方法得出此時(shí)的控制量,這就是模糊控制的基本思想。也可以說(shuō),模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識(shí)模型,以模糊集合、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具,用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種智能控制。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它與一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本相似,只是它的控制器是模糊控制器。
　　
　　2 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)
　　
　　模糊控制器(FC,FUZZY CONTROLLER),又被稱為模糊邏輯控制器(FLC,FUZZY LOGIC CONTROLLER),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。從功能上劃分,它主要由4部分組成:模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)以及解模糊接口。各部分的功能為:
　　2.1 模糊化接口
　　模糊控制器仿照人的思維進(jìn)行模糊控制,必須把由輸入通道采樣得到的精確量變成模糊推理需要的模糊量。這種模糊化工作由模糊化接口完成。例如,某系統(tǒng)水溫與其設(shè)定值的誤差信號(hào)的量程范圍可能是-12～+12℃,即[-12,12],而每一個(gè)輸入信號(hào)都有相應(yīng)的論域,在該論域上定義模糊化后表示信號(hào)大小的模糊子集。比如水溫誤差的論域可能定義為{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}共11個(gè)離散點(diǎn),在每一個(gè)采樣時(shí)刻,模糊化接口把輸入信號(hào)的物理值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)論域上的點(diǎn),比如水溫誤差為7.2℃對(duì)于于離散論域上則為點(diǎn)+3。
　　2.2 知識(shí)庫(kù)
　　知識(shí)庫(kù)包含應(yīng)用領(lǐng)域方面的知識(shí),主要由數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)組成。
　　數(shù)據(jù)庫(kù)提供所有必要的定義。所有輸入、輸出變量所對(duì)應(yīng)的論域,以及這些論域上所定義的規(guī)則庫(kù)中所使用的全部模糊子集的定義,都存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在模糊控制器推理過(guò)程中,數(shù)據(jù)庫(kù)向推理機(jī)提供必要的數(shù)據(jù)。在模糊化接口和解模糊接口中進(jìn)行模糊化和解模糊時(shí),數(shù)據(jù)庫(kù)也向它們提供相應(yīng)論域的數(shù)據(jù)。
　　規(guī)則庫(kù)存放模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則基于手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的控制經(jīng)驗(yàn)和專家的有關(guān)知識(shí),它是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的一個(gè)知識(shí)模型。這個(gè)模型建立得是否準(zhǔn)確,將決定模糊控制器性能的好壞。在實(shí)際應(yīng)用中,相應(yīng)輸入、輸出論域的模糊子集常常用有標(biāo)志性的符合標(biāo)志,如NB (負(fù)大)、NM (負(fù)中)、NS(負(fù)小)、NO(負(fù)零)、ZO(零)、PO(正零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)等。以下是一個(gè)模糊控制規(guī)則表,它表示了7×7=49條模糊條件語(yǔ)句。
　�、� 若E是NB且EC是NB,則U是PB,否則
　�、� 若E是NM且EC是NB,則U是PB,否則
　　③ 若E是NS且EC是NB,則U是PM,否則
　�、� 若E是PB且EC是PB,則U是NB,否則
　　…
　　2.3 推理機(jī)
　　推理機(jī)采用某種模糊推理方法,由采樣時(shí)刻的輸入和模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出模糊控制器的控制輸出,模糊控制器的模糊推理機(jī)制的設(shè)計(jì)主要是選擇一種模糊推理算法,當(dāng)模糊控制器采用查表法實(shí)現(xiàn)時(shí),可離線設(shè)計(jì)查詢表;當(dāng)模糊控制器采用軟件推理法實(shí)現(xiàn)時(shí),可在線進(jìn)行模糊推理。當(dāng)采用模糊控制芯片構(gòu)成硬件模糊控制器時(shí),它推理的速度快、控制精度高,處理速度至少比軟件提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　2.4 解模糊接口
　　與模糊化相反,解模糊是由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換過(guò)程。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行模糊控制算法時(shí),它從模糊推理中得到的模糊控制作用必須轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能接受的精確量。解模糊接口主要有兩個(gè)功能:一是量程轉(zhuǎn)化,二是解模糊。即把輸出作用的域轉(zhuǎn)化為輸出物理量的變化范圍,在運(yùn)行時(shí),解模糊求得的輸出域上的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為輸出物理量的值。解模糊常用的策略主要有最大隸屬度法、法中位數(shù)法和重心法等。
　　
　　3 模糊控制器的應(yīng)用
　　
　　最早開(kāi)發(fā)出的模糊家電產(chǎn)品是洗衣機(jī)。洗衣機(jī)一般要根據(jù)洗衣量的多少、衣物的污濁程度、衣物的質(zhì)料性質(zhì)及水溫的高低等因素來(lái)決定洗滌的時(shí)間、水流的強(qiáng)弱、洗滌劑的用量等。
　　3.1 模糊洗衣機(jī)的基本構(gòu)成
　　模糊洗衣機(jī)除一般全自動(dòng)洗衣機(jī)具有的洗滌缸、馬達(dá)、波盤(pán)、給水和排水電磁閥、控制器、水位傳感器等之外,根據(jù)模糊控制的需要,一般還要加上光傳感器、負(fù)載傳感器、水溫傳感器等。
　　(1)負(fù)載檢測(cè)
　　負(fù)載檢測(cè),即檢測(cè)所洗衣物的重量,一般采用間接的測(cè)量方法,可用電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)計(jì)量。還有一種方法是用電動(dòng)機(jī)斷電后反電動(dòng)勢(shì)維持的時(shí)間來(lái)計(jì)量。一般而言,衣物重量越大,其反電動(dòng)勢(shì)跌落也快,反之則跌落慢。
　　(2)質(zhì)料檢測(cè)
　　被洗衣物的質(zhì)料可分為軟質(zhì)類、硬質(zhì)類和混合類等幾種。一般把絲綢、化纖、薄型花布等歸為軟質(zhì)類,而將牛仔服、呢絨服裝等歸為硬質(zhì)類,介于它們之間的則為混合類。衣物質(zhì)料檢測(cè)也是采取間接檢測(cè)方式。如果測(cè)量的是馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電流,那么硬質(zhì)類布料電流波形變化大,有較大的波動(dòng),而軟質(zhì)類布料電流相對(duì)平穩(wěn),波動(dòng)小。
　　(3)污濁度檢測(cè)
　　被洗衣物的污濁度檢測(cè),是通過(guò)水的透光率檢測(cè)間接實(shí)現(xiàn)的,水的透光率檢測(cè)是用光電傳感器實(shí)現(xiàn)的。它被安排在排水管出口,發(fā)光二極管和光敏管分別相對(duì)安裝在管子的兩邊。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)聚焦后,透過(guò)水被光敏管接收,接收的光強(qiáng)度就反映了水的透明度,也就反映了被洗衣物的污濁程度。
　　(4)水位及溫度檢測(cè)
　　作為洗衣機(jī)工作條件之一的水位檢測(cè),是由一根與缸體等高的空管連通器實(shí)現(xiàn)的�？展艿纳隙擞幸粋�(gè)用壓力膜隔開(kāi)的差動(dòng)電感器,當(dāng)缸中有水注入時(shí),管內(nèi)的空氣被壓縮使壓力膜上壓力增大,繼而推動(dòng)與它聯(lián)動(dòng)的鐵心移動(dòng),引起線圈的電感量變化,用此電感器構(gòu)成的LC振蕩器的頻率就能反映水位的高低。水溫檢測(cè)是通過(guò)熱敏電阻測(cè)量的。它把洗衣機(jī)啟動(dòng)時(shí)的水溫作為當(dāng)時(shí)的室溫,然后再檢測(cè)供水的溫度,以作為洗衣機(jī)的工作條件之一。
　　3.2 洗衣機(jī)的模糊控制
　　不同品牌的洗衣機(jī)采用的模糊控制方案不一樣。這里提出一種較為實(shí)用的模糊控制規(guī)則。
　　(1)模糊語(yǔ)言變量
　�、� 輸入變量
　　負(fù)載:大、中、小;
　　質(zhì)料:軟質(zhì)類、硬質(zhì)類和混合類;
　　水溫:偏高、中等、偏低。
　　② 輸出變量
　　水流強(qiáng)度:強(qiáng)、中、弱;
　　洗滌時(shí)間:很長(zhǎng)、長(zhǎng)、中、短。
　　(2)模糊控制規(guī)則
　　根據(jù)輸入變量和輸出變量的分級(jí)組合,對(duì)于水流強(qiáng)度可洗滌時(shí)間,就可用以下的27條模糊規(guī)則表示:
　　如果負(fù)載小,屬軟質(zhì)類衣物且水溫偏高,那么就將水流調(diào)中,洗滌時(shí)間也調(diào)中;
　　如果負(fù)載大,屬硬質(zhì)類衣物且水溫偏低,那么就將水流調(diào)特強(qiáng),洗滌時(shí)間調(diào)特長(zhǎng);
　　…
　　依此類推,可寫(xiě)出其他規(guī)則。表1給出了輸出變量和輸入變量之間關(guān)系的模糊真值表。
　　有了上述定義和規(guī)則,就可以設(shè)計(jì)洗衣機(jī)模糊控制在線運(yùn)行的查詢表。
　　3.3 模糊洗衣機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
　　全自動(dòng)洗衣機(jī)模糊控制的軟件系統(tǒng)比較復(fù)雜,其程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件由主程序、各種子程序和中斷服務(wù)程序組成,如圖3所示。模糊推理在洗滌之前進(jìn)行,當(dāng)系統(tǒng)程序判別出洗衣機(jī)已經(jīng)啟動(dòng),就進(jìn)行一系列的狀態(tài)檢測(cè)和推理工作,在推理工作完成后,就開(kāi)始進(jìn)入洗滌工作。在設(shè)定時(shí)間內(nèi)對(duì)個(gè)別因素進(jìn)行檢測(cè)并修正程序,因而與人工操作十分接近,達(dá)到智能控制的效果。
　　
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　
　　智能控制作為一門(mén)新興的理論技術(shù),現(xiàn)在還處于發(fā)展初期�；�于遺傳算法的智能控制、基于Petro網(wǎng)理論和方法的智能控制,遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制相結(jié)合的綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)等新的智能控制理論和方法在不斷涌現(xiàn)和發(fā)展之中�？梢灶A(yù)見(jiàn),隨著系統(tǒng)理論、人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,智能控制將會(huì)有更大的發(fā)展,并在實(shí)際中獲得更加廣泛的應(yīng)用。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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