11/12 学年第一学期
模糊控制技术课程设计任务书
指导教师：班级：地点：一教
课程设计题目（范围）：蚕茧站烘烤炉温度模糊控制系统及MATLAB仿真
一、课程设计目的
课程设计的目的是培养学生综合运用模糊控制技术所学的基本理论、基本知识，分析与解决实际问题的能力。通过课程设计，使学生基本具备检索中外文献的能力；独立思考，对方案进行论证、分析与比较的能力；初步掌握模糊控制系统的设计原则、设计方法、设计的主要内容及相关程序的编写的能力；使用计算机的能力、计算与绘图的能力；撰写设计说明书，表述研究结果及答辩的能力。
二、课程设计内容（包括技术指标）
1、控制系统的总体方案设计，画出整个系统的原理框图。
2、系统硬件电路的设计：包括传感器的选择，控制电路的设计，键盘与显示电路的设计，报警电路的设计，A/D转换电路的设计，存储器、定时器等接口电路的设计等。
序号起止日期设计阶段内容名称
1 第1天查阅资料
2 第2天模糊控制系统总体结构的确定
3 第3天硬件电路的设计
4 第4天软件部分的设计及 Matlab仿真
5 第5天答辩
3、模糊控制推理过程阐述。
4、利用GUI建立FIS，得到输出曲面。
三、时间安排
四、基本要求
1、针对设计题目，综合所学知识进行调研、文献查询等，独立完成设计工作；
2、撰写设计论文一份，要求A4幅面，正文采用5号宋体，字数不少于五千。设计说明书要条理清晰、内容充实，内容包括以下几部分：①摘要；②目录；③各章节内容；④结论；⑤
参考文献。
3、图纸采用计算机绘图，要求图形、符号、线条等符合国家标准；
教研室审核
主任签字：年月日教学院（系）审批
院长签字：年月日
五、领导审批
摘要
随着科学技术的快速发展，模糊控制将在各个领域的应用越来越广本次课程设计以嵌入式微处理器AT89S51为模糊控制器，结合温度传感器、液晶显示器、输出电路等组成一个基于模糊控制的温度控制系统。温度传感器及有关电路将温度转化为电脉冲的脉宽，单片机将测得的脉冲宽度的值转化为与之对应的温度值。与设定的温度相比较后，以温度偏差及其变化量为输入、加热量为输出，通过模糊控制算法，就可达到蚕茧站烘烤炉温度自动调节的目的。对任意温度对应的脉宽还可进行自动测量，并加以显示。
关键词
单片机模糊控制温度加热器
Abstract：
With the rapid development of science and technology, fuzzy control in various fields of application more widely this curriculum design in embedded microprocessor AT89S51 fuzzy controller, combining with the temperature sensor, liquid crystal display, the output circuit composed of a temperature control system based on fuzzy control. Temperature sensor circuit and the temperature into electric pulse width, SCM will be measured pulse width value into the corresponding temperature value. And set the temperature comparison, with the temperature error and its change rate as input, the heating output, through fuzzy control algorithm, it can achieve the cocoon baking furnace temperature automatic regulation aim. For any temperature corresponding to the pulse width can be measured automatically, and to display. Keywords：Single chip microcomputer Fuzzy control temperature heater
目录
1.概述 (1)
2．总体设计 (1)
3.系统硬件设计 (2)
3.1 AT89S51最小系统设计 (2)
3.2键盘电路的设计 (4)
3.3显示电路的设计 (5)
3.4温度采集电路设计 (7)
3.5 D/A转换电路 (8)
3.6 温度控制电路 (10)
3.7 报警电路设计 (10)
4．系统软件设计 (11)
4.1系统软件流程图 (11)
4.2 模糊控制算法 (12)
总结 (16)
参考文献 (17)
附录 (18)
附录1：程序清单 (18)
附录2：仿真结果 (21)
附录3：硬件原理图 (21)
1.概述
人工智能包括推理、学习和联想三大要素，它是采用非数学式子方法，把人们的思维过程模型化，并用计算机来模仿人的智能的学科。许多科学家认为下一世纪生产力的飞跃寄托于人工智能技术，并认为人工智能的发展必将带来一次新的史无前例的技术革命，第五代计算机的研究充分体现了人类左脑的逻辑推理功能，而人工智能研究的下一步是模仿人类右脑的模糊处理功能。人工智能将在逻辑推理计算机、模糊计算机和神经网络计算机这三者的基础上，由两个方面来实现，即：一是利用现有的计算机技术模拟人类的智能；二是利用一种全新的技术来实现信息处理的模糊化和网络化。前者是实现人工智能必需的先决条件；后者是实现人工智能的根本途径。【1】
“模糊控制理论”是由美国学者加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh于1965年首先提出，至今仅有20余年时间。它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行判决的一种高级控制策略。它无疑是属于智能控制范畴，而且发展至今已成为人工智能领域中的一个重要分支。其理论发展之迅速，应用领域之广泛，控制效益之显著，实为世人醒目关注。特别是近一二年内，模糊控制与其他控制策略构成的集成控制，以及与神经网络相结合的模糊神经网络等得到迅速发展，更使诸多学者确信，它是一种全新的技术和高科技的发展方向。【1】
“模糊控制”是近代控制理论中一种基于语言规则与模糊推理的高级控制策略和新颖技术。它是智能控制的一个重要分支，发展迅速，应用广泛，实效显著，引人关注。模糊控制比传统的PID等控制方法，在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。将模糊控制技术应用于家电产品在国外已是很普遍的现象。单片机是家用电器常用的控制器件，把二者结合起来，可是控制器的性能指标达到最优的目的。基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器，是对传统的电热水器开关控制的改造，具有达到设定温度时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。【1】
2．总体设计
蚕茧站烘烤炉温度自动调节器以AT89S51单片机为核心，有时钟电路、复位电路、键盘
电路、温度采集电路、显示电路、控制信号隔离输出电路等几部分组成，结构框图如图2.1所示：
（1） AT89S51单片机:是本控制器核心器件，模糊控制就是靠它控制软件来实现。 （2） 温度采集电路:将烘烤炉内的温度采集送给单片机进行控制。 （3） 温度设定电路:通过按键产生脉冲从INT1输入单片机来调节水温。
（4） 设定温度显示电路:单片机将设定的温度值通过动态扫描的方法输出，液晶上可直接
显示设定温度。
（5） 报警电路:当出现故障时，单片机发出信号给报警电路，报警电路报警。
（6） 转换电路:传感器的模拟信号经过A/D 转换电路转换成数字电路送给单片机进行处
理，同时将处理后的数字信号经D/A 转换电路送给加热器。
（7） 时钟电路:时钟电路是产生一定的脉冲控制单片机正常工作。 （8） 复位电路:通过按键进行复位，将单片机恢复到原始状态。
单单单
单单单单单
单
单单单单
单单单单
单单单单
D/A 单单单单
单单单
单单单单
单单单单
图2.1 系统原理框图
本次设计首先通过温度采集电路采集烘烤炉内的温度，然后送给单片机控制，通过与设定温度进行比较，如果小于设定温度，则启动加热器，如果大于设定温度，则停止加热。通过键盘来设定温度，并由显示电路显示，如有异常，则由报警电路报警。
3.系统硬件设计
3.1 A T89S51最小系统设计
AT89S51最小系统由CPU 、时钟电路和复位电路组成。
3.1.1时钟电路硬件设计
时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。
。
本次设计采用的是内部时钟方式，如图3.1
图 3.1 时钟电路
AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。
C1和C2的典型值通常选择为30pF。电容大小会影响振荡器频率高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振频率范围通常是1.2～12MHz。晶体频率越高，单片机速度就越快。速度快对存储器的速度要求就高，印制电路板的工艺要求也高，即线间的寄生电容要小。晶体和电容应尽可能与单片机靠近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定、可靠地工作。为提高温度稳定性，采用温度稳定性能好的电容。
常选6MHz或12MHz的石英晶体。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，已达33MHz。本次设计使用11.0592MHz的石英晶体。【2】
3.1.2复位电路硬件设计
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。【2】本次设计采用的按键电平复位。如图3.2。
图3.2 复位电路
3.2键盘电路的设计
键盘可以分为两类：非编码键盘和编码键盘。非编码键盘是利用按键直接与单片机相连接而成，这种键盘通常使用在按键数量较少的场合。使用这种键盘，系统功能通常比较简单，需要处理的任务较少，但是可以降低成本、简化电路设计。常见的非编码键盘有两种结构：独立式键盘和矩阵式键盘。
独立式键盘：其特点是：一键一线，各键相互独立。每个按键各接一条I/O口线，通过检测I/O输入线的电平状态，可以很容易的判断哪个按键被按下。这种键盘的优点是：电路简单，各条检测线独立，识别按下按键的软件编写简单。适用于键盘按键数目较少的场合，不适合用于键盘按键数目较多的场合，因为将占用较多的I/O口线。
矩阵式键盘：这种键盘用于按键数目较多的场合。【3】
本次设计采用独立式键盘，其中S1键为调整温度键当S1按下时可以调整预设的温度，S2键为向上调整温度键，S3键为向下调整温度键，S4键为停止工作键。如图3.3所示。
图3.5 独立式键盘电路图
对于上图的键盘，图中的上拉电阻保证按键释放时，输入检测线上有稳定的高电平.与门U3A输出为高电平。
当某一按键按下时，对应的检测线就变成了低电平，与其他按键相连的检测线仍为高电平，与门U3A的输出为低电平（向单片机发出中断请求），只需读入I/O输入线的状态，判别哪一条I/O输入线为低电平，很容易识别哪个键被按下。
图中的上拉电阻的原则：由于单片机的灌电流为4-20MA所以选择电阻的范围为1.25K-0.25K综合考虑选择1K的电阻。
3.3显示电路的设计
采用LCD液晶显示。为了避免占用大量的IO口，我们采用串行传输，虽然编程难度增大，但是节省了IO资源，避免外扩IO，减少了硬件电路的制作。
此次设计需要将设定值与实际值显示出来，由于显示的内容比较单一，所以采用比较简单的1602LCD液晶显示器。第一行的显示地址是0x80-0x8F，第二行的显示地址是0xC0-0xCF。1602自带字符。
1602它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它由32个5×8点阵字符位组成，每一个点阵字符位都可以显示一个字符，但是它不能显示图形。模块内部自带有160个5×8点阵字型的字符发生器CHROM和8个可由用户自定义的5×8的字符发生器CGRAM。字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，这里选用16脚LCD液晶显示器。
16脚液晶显示管脚说明见表1所示。
表1 1602引脚说明
编号符号引脚说明编号符号引脚说明
1 VSS 电源地9 D
2 数据
2 VDD 电源正极10 D
3 数据
液晶显示偏
11 D4 数据
3 VL
压
数据/命令
4 RS
12 D5 数据
选择
5 R/W 读/写选择13 D
6 数据
6 E 使能信号14 D
7 数据
7 D0 数据15 A 背光源正极
8 D1 数据16 K 背光源负极
其操作指令见表2所示。
表2 1602操作指令
RS R/W 操作说明
0 0 写入指令寄存器（清除屏等）
读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）
0 1
值
1 0 写入数据寄存器（显示各字型等）
1 1 从数据寄存器读取数据
使用1602液晶显示，首先需要对其进行初始化，并且进行相关设置，例如写指令，写数据，设置显示位置等。【4】
其与单片机的接线图见图3.7所示。
图3.6 1602与单片机的接口电路图
液晶LCD被选通后，2脚为电源正极用10K的可调电阻进行限流，用P2.6控制数据/命令的选择，用P2.7脚控制读/写操作，15脚是背光电源正极，同样要用10K的电阻进行限流，从而完成单片机将烘烤炉的温度值经LCD显示出来。
3.4温度采集电路设计
本次温度传感器采用一线制数字温度传感器DS18B20，将采集的温度传给单片机。
3.4.1 DS18B20特点
（1）单线接口，只有一根信号线与CPU 连接单总线器件，具有线路简单，体积小的特点；
（2）不需要备份电源，可通过信号线供电，电源电压范围从3.3～5V；
（3）传送串行数据，不需要外部元件；
（4）温度测量范围从-55℃～+125℃；
（5）通过编程可实现9～12 位的数字值读数方式（出厂时被设置为12 位）；
（6）零功耗等待；
（7）现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。【5】
3.4.2 DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位激光ROM，温度敏感元件，非易失性温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。64位激光ROM是出厂前被光刻好的，它其中保存着该DS18B20的产品信息和产品系列编码，可以看作是该DS18B20的地址序列号。单总线上所有DS18B20器件可以通过检索器件的ROM中的内容进行识别。DS18B20的管脚排列如图3.7所示。
图3.7 DS18B20管脚排列
引脚功能如下：
VDD：可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。工作于寄生电源时，此引脚应接地；
DQ：数据输入/输出脚，漏极开路，常态下高电平。
3.4.3 DS18B20测温原理
DS18B20内含两个温度系数不同的温敏振荡器，其中温敏振荡器1相当于测温元件，温
敏振荡器2相当于标尺，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期，得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值，根据频率比值和温度的对应曲线，得到相应的温度值。具体测温过程如下：首先由预置器2将温度寄存器预置为对应于温度下限（-55℃）的值。然后，由预置器1对计数器1也预置一个对应于温度下限（-55℃）的计数值，计数器1接收温度振荡器1的输出信号并进行减法运算。计数器2接收温敏振荡器2的输出信号得到实际温度值并送给温度寄存器作为比较标尺。如果计数器1首先递减到0，那么将向温度寄存器输出一个信号，温度寄存器的值将增加一位，对应温度值增加一个分辨率的值（如分辨率为0.5℃时，对应温度值增加0.5℃），说明实测温度高于-55℃。随后，斜率累加器根据两个温敏振荡器的温度特性曲线计算出下一个温度位置处计数器1的预置计数值，对计数器1再次进行预置。计数器1和计数器2再次开始计数。如果计数器2先于计数器1到达0，完成一次测温。温度寄存器中的值为测量所得的当前温度值。通过这个过程不仅完成了测温，而且将完成了温度值的数字化，省去了A/D转换器。【6】
本次设计中采用的是外部供电方式，其与单片机接线方式如图3.12所示。
图3.8 温度采集电路
3.5 D/A转换电路
美国国家半导体公司产品，具有两个输入数据寄存器的8位DAC,能直接与MCS-51单片机相连。主要特性如下：
分辨率为8位；
电流输出，稳定时间为1 s
可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入；
单一电源供电（+5～+15V）；
单缓冲方式
DAC0832的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式。
图3.9 单缓冲方式电路
单缓冲方式的接口如图3.9在不要求多路输出同步的情况下，可采用单缓冲方式。
单片机选通DAC0832，同时将信号送给DAC0832将数字信号转换成模拟信号，然后经过LM324放大，将信号送给可控变压器TGDC_1KVA的正极，控制输出的电压，用来控制电热丝，即完成对温度的控制。
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
图3.10 LM324管教接线图
如图3.10所示：1脚、2脚、3脚构成一个运算放大器其中1脚为输出，2脚为反相相输入端，3脚为同相输入端。5脚、6脚、7脚构成一个运算放大器其中7脚为输出，6脚为反相相输入端，5脚为同相输入端。8脚、9脚、10脚构成一个运算放大器其中8脚为输出，9脚为反相相输入端，10脚为同相输入端。12脚、13脚、14脚构成一个运算放大器其中14脚为输出，13脚为反相相输入端，12脚为同相输入端。4脚接+10V，11脚接-10V。【7】
3.6 温度控制电路
本次温度控制电路采用加热丝，由单片机控制三相调压器调节电压，从而控制加热丝的温度。如图3.11所示。
图3.11 温度控制电路图
3.7 报警电路设计
当单片机测控系统发生故障或处于某种紧急状态时，单片机系统应能发出提醒人们警觉的声音报警。用I/O口很容易实现该功能。
购买市售的压电式蜂鸣器，用一根I/O口线驱动蜂鸣器发声。约需10mA的驱动电流，可用7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体管驱动如图3.12所示。
图3.12 报警电路图
4．系统软件设计
4.1系统软件流程图
单单单
单单单单单单
单单单单单单单
单单单
单单
单单
单单单单单
单单单单单单单单
单单单单
单单
N
Y N
Y
图4.1 系统主流程图
开始
延时去抖
按键仍按下，将设定温
度增加一度
增加到最大？
恢复为初始设定温度
延时0.5秒
按键仍按下？
返回
N
Y
N Y
单单单单单单单单单
单单单单单单单单单
单单单单
单TLO 单单单单单单单单
TL0
单单单
单单单单
Y N
图4.2调整设定温度的程序 图4.3自动测量、显示的中断服务程序流程图 4.2 模糊控制算法
1.确定模糊控制器的结构 二维
2.基本论域与模糊论域 (1)基本论域
本次设计中要求系统在运行时,温度偏差能够稳定在[-2m 2m]之间，则: e 的基本论域为[-2 2]。 根据实际经验和模糊控制器设计情况: ec 的基本论域定为：[-0.2 ，0.2]。
(2) 模糊论域
偏差语言变量E 所取的模糊集合的论域为： X ＝{-n ，-n+1,…，0，…，n-1，n },
偏差变化率语言变量EC 所取的模糊集合的论域为：
Y＝{-m，-m+1，…，0，…，m-1，m }
本次设计中温度偏差语言变量 E 所取的模糊集合的论域为：
X＝{-3，-2，-1，0，1，2，3 }。
偏差变化率语言变量 EC 所取的模糊集合的论域为：
Y＝{-3，-2，-1，0，1，2，3 }。
控制加热电压语言变量 U 所取的模糊集合的论域为：
Z＝{-4.5, -3,-1.5, 0, 1.5, 3, 4.5 }
(3)量化因子
偏差、偏差变化率的量化因子分别用下面两式确定：
Ke=n/emax Kec=m/ecmax
在本次设计中：n=3，emax=2 则 Ke=3/2=1.5 ，m=3， ecmax=0.2，则 Kec=3/0.2=15
3. 定义模糊集合及其隶属度函数表
(1)定义模糊集合
考虑偏差、偏差变化及控制量的正负性，我们选取语言变量的语言值为7 个：PB（正大）,PM（正中）,PS（正小）,Z（零）,NS（负小）,NM（负中）,NB（负大）因此，模糊子集可表示为：
{ NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB }。
(2)隶属度函数
语言变量论域上的模糊子集由其论域上
的隶属度函数μ(x)来描述
其中偏差e与偏差的变化率ec的各个隶属
函数的参数分别为[–3，–1]，[–3，–2，0]，
[–3，–1，+1]，[–2，0，+2]，[–1，1，+3]，
[0，+2，+3]，[+1，+3]。
控制量u的各个隶属函数的参数分别为
[–4.5, –1.5]，[–4.5, –3,0]，[–4.5, –1.5, 1.5]，
[–3, 0,+3]，[–1.5, 1.5, +4.5], [0, +3, +4.5],
[+1.5, +4.5]
e、ec的隶属度函数表4-1
-3 -2 -1 0 1 2 3
PB 0 0 0 0 0 0.5 1.0
PM 0 0 0 0 0.5 1.0 0
PS 0 0 0 0.5 1.0 0.5 0
Z 0 0 0..5 1.0 0.5 0 0
NS 0 0.5 1.0 0.5 0 0 0
NM 0 1.0 0.5 0 0 0 0
NB 1.0 0.5 0 0 0 0 0 u的隶属度函数表4-2
-4.5 -3 -1.5 0 1.5 3 4.5
PB 0 0 0 0 0 0.5 1.0
PM 0 0 0 0 0.5 1.0 0
PS 0 0 0 0.5 1.0 0.5 0
Z 0 0 0.5 1.0 0.5 0 0
NS 0 0.50 1.0 0.5 0 0 0
NM 0 1.0 0.5 0 0 0 0
NB 1.0 0.50 0 0 0 0 0
3. 编制模糊控制规则，建立模糊控制规则表
e的语言值有7个，ec的语言值也有7个，若按排列组合来考虑，有7×7=49条模糊控制规则，将其整理成模糊
控制规则表，如下表4-3所示。
模糊控制规则表4-3
控制量u
偏差 e
NB NM NS Z PS PM PB
偏差
变化量ec NB NB NB NM NM NS Z Z NM NB NB NM NS NS Z PS NS NM NM NM NS Z PS PS Z NM NM NS Z PS PM PM PS NS NS Z PS PS PM PM PM NS Z PS PM PM PM PB PB Z Z PM PM PM PB PB
模糊控制量的选取一般遵循如下原则：
1) 当偏差大或者较大时，模糊控制量的选择应以消除偏差为主；
2) 当偏差较小时，模糊控制量的选择应以系统的稳定性为主，防止系统超调。因为在本设计中e = －3,ec = －3
根据前面模糊化结果，此时有：
对于模糊控制规则表3第一行第一列的模糊控制规则：
若e为NB and ec为NB，则u为NB，根据表4-1和表4-2可得：
按如上同样的方法即可依次求得最终求得：
反模糊化
U=1/-4.5+0.5/-3+0/-1.5+0/0+0/1.5+0/3+0/4.5=-4【8】
总结
短暂的模糊控制课程设计结束了，通过这次设计，我不仅加深了对模糊控制理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为真己的东西。
虽然我们学习了两个学期的模糊控制方面的知识，但是对模糊控制的了解还是很少。此次的课程设计是单片机和模糊控制的结合，模糊控制只能实现控制算法及程序的编写，也就是说只能实现软件的控制，却不能实现硬件，所以就要借助于单片机来实现硬件方面的工作。要想完成硬件的确定，那么就要首先确定系统方案，只有确定了系统方案，才知道要用什么硬件来实现这个方案，同时硬件要注意选择，硬件的选择决定着系统的稳定及准确性等。硬件选择完后，要将各个硬件连接在一起，这就需要对各个硬件的功能及用途要有很好的了解，由于单片机是所有硬件的核心，所以单片机的认识度要很高。只用模糊控制编程是不足够满足此次课程设计的要求的，还要涉及到单片机的编程，从而达到控制的要求，对蚕茧站烘烤炉的温度实现自动控制。
科技是第一生产力，强大的科技力量都是由许多的复杂的知识等作为基础的。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。自己实践才能明白许多道理，本次课程设计不仅锻炼了我们的动手动脑能力，而且让我们明白团队合作的重要性。分工到位，大家一起动脑思考，即可学知识，又能温习知识，何乐而不为。
参考文献
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[9] 刘卫国.MATLAB程序设计及应用.高等教育出版社，2006.7
《模糊控制》实验指导书李士勇沈毅周荻邱华洲袁丽英 实验名称： 实验地点： 指导教师： 联系电话： Harbin Institute of Technology 2005.3
模糊控制实验指导书 一、 实验目的 利用Matlab 软件实现模糊控制系统仿真实验，了解模糊控制的查询表方法和在线推理方法的基本原理及实现过程，并比较模糊控制和传统PID 控制的性能的差异。 二、 实验要求 设计一个二维模糊控制器分别控制一个一阶被控对象1 1 )(11+=s T s G 和二阶被控对象) 1)(1(1 )(212++= s T s T s G 。先用模糊控制器进行控制，然后改变控制对 象参数的大小，观察模糊控制的鲁棒性。为了进行对比，再设计PID 控制器，同样改变控制对象参数的大小，观察PID 控制的鲁棒性。也可以用其他语言编制模糊控制仿真程序。 三、 实验内容 （一）查询表式模糊控制器实验设计 查询表法是模糊控制中的最基本的方法，用这种方法实现模糊控制决策过程最终转化为一个根据模糊控制系统的误差和误差变化（模糊量）来查询控制量（模糊量）的方法。本实验利用了Matlab 仿真模块——直接查询表（Direct look-up table ）模块（在Simulink 下的Functions and Tables 模块下去查找），将模糊控制表中的数据输入给 Direct look-up table ，如图1所示。设定采样时间（例如选用0.01s ），在仿真中，通过逐步调整误差量化因子Ke ，误差变化的量化因子Kec 以及控制量比例因子Ku 的大小，来提高和改善模糊控制器的性能。
11/12 学年第一学期 模糊控制技术课程设计任务书 指导教师：班级：地点：一教 课程设计题目（范围）：蚕茧站烘烤炉温度模糊控制系统及MATLAB仿真 一、课程设计目的 课程设计的目的是培养学生综合运用模糊控制技术所学的基本理论、基本知识，分析与解决实际问题的能力。通过课程设计，使学生基本具备检索中外文献的能力；独立思考，对方案进行论证、分析与比较的能力；初步掌握模糊控制系统的设计原则、设计方法、设计的主要内容及相关程序的编写的能力；使用计算机的能力、计算与绘图的能力；撰写设计说明书，表述研究结果及答辩的能力。 二、课程设计内容（包括技术指标） 1、控制系统的总体方案设计，画出整个系统的原理框图。 2、系统硬件电路的设计：包括传感器的选择，控制电路的设计，键盘与显示电路的设计，报警电路的设计，A/D转换电路的设计，存储器、定时器等接口电路的设计等。 序号起止日期设计阶段内容名称 1 第1天查阅资料 2 第2天模糊控制系统总体结构的确定 3 第3天硬件电路的设计 4 第4天软件部分的设计及 Matlab仿真 5 第5天答辩 3、模糊控制推理过程阐述。 4、利用GUI建立FIS，得到输出曲面。 三、时间安排 四、基本要求 1、针对设计题目，综合所学知识进行调研、文献查询等，独立完成设计工作； 2、撰写设计论文一份，要求A4幅面，正文采用5号宋体，字数不少于五千。设计说明书要条理清晰、内容充实，内容包括以下几部分：①摘要；②目录；③各章节内容；④结论；⑤ 参考文献。 3、图纸采用计算机绘图，要求图形、符号、线条等符合国家标准； 教研室审核 主任签字：年月日教学院（系）审批 院长签字：年月日 五、领导审批
在线推理式模糊逻辑控制器设计实验报告 学院：电力学院 专业：自动化 学号： 姓名： 时间：2013年11月16日
一、实验目的 利用Matlab软件实现模糊控制系统仿真实验，了解模糊控制的在线推理方法的基本原理及实现过程。 二、实验要求 以matlab模糊工具箱中提供的一个水位模糊控制系统仿真的实例，定义语言变量的语言值，设置隶属度函数，根据提供的规则建立模糊逻辑控制器。最后启动仿真，观察水位变化曲线。 三、实验步骤 叙述在线推理模糊控制的仿真的主要步骤。 1）在matlab命令窗口输入：sltank，打开水位控制系统的simulink仿真模型图，如图； 2）在matlab的命令窗口中，输入指令：fuzzy，便打开了模糊推理系统编辑器（FIS Editor），如图；
3）利用FIS Editor编辑器的Edit/Add variable/input菜单，添加一条输入语言变量，并将两个输入语言和一个输出语言变量的名称分别定义为：level；rate；valve。其中，level代表水位（三个语言值：低，高，正好），rate代表变化率（三个语言值：正，不变，负），valve代表阀门（五个语言变量：不变，迅速打开，迅速关闭，缓慢打开，缓慢关闭）； 4）①利用FIS Editor编辑器的Edit/membership function菜单，打开隶属度函数编辑器，如下图，将输入语言变量level的取值范围（range）和显示范围（display range）设置为[-1，1]，隶属度函数类型（type）设置为高斯型函数（gaussmf），而所包含的三条曲线的名称（name）和参数（parameters）（[宽度中心点]）分别设置为：high,[0.3 -1];okay [0.3 0];low [0.3 1]。其中high 、okay、low分别代表水位高、正好、低； ②将输入语言变量rate的取值范围（range）和显示范围（display range） 设置为[-0.1，0.1]，隶属度函数类型（type）设置为高斯型函数（gaussmf），而 所包含的三条曲线的名称（name）和参数（parameters）（[宽度中心点]）分
《运动控制系统》课程设计 学院：物联网工程学院 班级： 姓名： 学号： 日期： 成绩:
文章编号： 双闭环模糊控制系统的设计与仿真 （江南大学物联网工程学院，江苏省无锡邮编214122） 摘要：直流电机具有良好的起动、制动性能，因此其在电力拖动自动控制系统中应用广泛。众所周知，直流电机的闭环系统静特性要比开环系统的机械特写硬的多，而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能好、应用最广泛的直流调速系统，但该系统依赖精确的数学模型，在增加解决环节的同时，系统模型趋于复杂，还可能会影响系统的可靠性。因此我们在总结了以前经验的同时，提出了双闭环模糊控制系统的的设计与仿真。 关键词：直流电机；双闭环系统；模糊控制 中图分类号：文献标识码：A Double Closed Loop Fuzzy Control System Design and Simulation Author name (Jiangnan University, Wuxi 214122, China) Abstract：DC motor has good starting, braking performance, therefore in the electric drive automatic control system is widely applied in the field of. As everyone knows, the closed-loop DC motor system static characteristics than the open loop system of mechanical feature of more than hardware, and speed, electric current double closed loop DC motor control system is of good performance, the most widely used DC speed regulating system, but the system depend on the accurate mathematical model, increase solve link at the same time, the system model tends to be complex, also may influence the reliability of the system. Therefore we are summing up the previous experience at the same time, put forward a double closed loop fuzzy control system design and simulation. Key words：DC Motor; Double Closed Loop System; Fuzzy Control 1 引言 2 双闭环直流调速系统的设计 直流电动机具有启动转矩大、调速范围宽等优势，在轧钢机、电力机车等方面仍广泛采用。直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础；电力电子技术、计算机控制技术、智能控制理论的发展,，更为直流调速系统继续发展和应用提供了契机。进入21世纪后国外一些公司仍在不断推出高性能直 流调速系统。因此,对直流调速系统的研究仍具有重要意义。 直流调速系统中最典型的控制方式就是速度、电流双闭环调速。由于受参数时变和不确定性等因素的影响，传统的控制方法常受到很大的局限。另外，PID 控制方法往往在系统快速性与稳定性之间不能两者兼顾。模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，既能克服非线性因素的影响，又具有较强的鲁棒性。因此，给直流电动机双闭环调速系统引入模糊控制器，可以改善系统性能。 2.1 双闭环可逆直流调速系统的原理结构 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行串级联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变 换器UPE。从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速环在外面,称作外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图1所示。 图1直流双闭环调速系统结构 双闭环直流调速系统目前应用广泛、技术成熟，常采用PID控制方式，它具有结构简单、可靠等优点,取得了较好的控制效果。但是,在实际生产现场,由于条件限制,使得PID控制器参数的整定往往难以达到最优状态,另外,PID 控制方法必须在系统快
一、速度控制算法： 首先定义速度偏差-50 km/h ≤e （k ）≤50km/h ，-20≤ec （i ）= e （k ）- e （k-1）≤20，阀值e swith =10km/h 设计思想：油门控制采用增量式PID 控制算法,刹车控制采用模糊控制算法，最后通过选择规则进行选择控制量输入。 选择规则： e （k ）<0 ① e （k ）>- e swith and throttlr_1≠0 选择油门控制 ② 否则：先将油门控制量置0，再选择刹车控制 0 模糊逻辑与模糊控制技术的发展 宁廷群1 肖英辉1任惠英2 （1山东科技大学机电学院山东青岛 266510 2山东兖矿集团机械制修厂山东邹城 273500）The Development of Fuzzy Logic and Fuzzy Control Technology 摘要：针对现代工业控制领域的模糊控制技术的新发展，综合介绍了当代该领域的基本理论和发展现状，展望了未来的发展应用。 关键词：模糊控制；应用发展；自适应控制。 Abstract: This paper introduces the development of fuzzy logic and fuzzy control technology in modern control domain, and discusses the basic theory and main development in integration. At last it gives some prospects. Key words: fuzzy control, development and application, adaptive control 一、引言 在现代工业控制领域，伴随着计算机技术的突飞猛进，出现了智能控制的新趋势，即以机器模拟人类思维模式，采用推理、演绎和归纳等手段，进行生产控制，这就是人工智能。其中专家系统、模糊逻辑和神经网络是人工智能的几个重点研究热点。相对于专家系统，模糊逻辑属于计算数学的范畴，包含有遗传算法，混沌理论及线性理论等内容，它综合了操作人员的实践经验，具有设计简单，易于应用、抗干扰能力强、反应速度快、便于控制和自适应能力强等优点。近年来，在过程控制、建摸、估计、辩识、诊断、股市预测、农业生产和军事科学等领域得到了广泛应用。为深入开展模糊控制技术的研究应用，本文综合介绍了模糊控制技术的基本理论和发展状况，并对一些在电力电子领域的应用作了简单介绍。 二、模糊逻辑与模糊控制 １、模糊逻辑与模糊控制的概念 １９６５年，加州大学伯克利分校的计算机专家Ｌofty Ｚadeh提出“模糊逻辑”的概念，其根本在于区分布尔逻辑或清晰逻辑，用来定义那些含混不清，无法量化或精确化的问题，对于冯˙诺依曼开创的基于“真－假”推理机制，以及因此开创的电子电路和集成电路的布尔算法，模糊逻辑填补了特殊事物在取样分析方面的空白。在模糊逻辑为基础的模糊集合理论中，某特定事物具有特色集的隶属度，他可以在“是”和“非”之间的范围内取任何值。而模糊逻辑是合理的量化数学理论，是以数学基础为为根本去处理这些非统计不确定的不精确信息。 模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程的控制算法。对于参数精确已知的数学模型，我们可以用Berd图或者Nyquist图来分析家其过程以获得精确的设计参数。而对一些复杂系统，如粒子反应，气象预报等设备，建立一个合理而精确的数学模型是非常困难的，对于电力传动中的变速矢量控制问题，尽管可以通过测量得知其模型，但对于多变量的且非线性变化，起精确控制也是非常困难的。而模糊控制技术仅依据与操作者的实践经验和直观推断，也依靠设计人员和研发人员的经验和知识积累，它不需要建立设备模型，因此基本上是自适应的，具有很强的鲁棒性。历经多年发展，已有许多成功应用模糊控制理论的案例，如Rutherford，Carter 和Ostergaard分别应用与冶金炉和热交换器的控制装置。 2、分析方法探讨 工业控制系统的稳定性是探讨问题的前提，由于难以对非线性和不统一的描述，做出判断，因此模糊控制系统的分析方法的稳定性分析一直是一个热点，综合近年来各位学者的发表的论文,目前系统稳定性分析有以下集中: 1、李普亚诺夫法:基于直接法的离散时间(D-T)和连续时间模糊控制的稳定性分析和设计方法,相对而言起稳定条件比价保守. 温度模糊控制实验（选学） 一、实验目的 1．认识Labview 虚拟仪器在测控电路的应用； 2．通过实验，改变P 的参数，观察对整个温度测控系统的影响； 3．进一步认识固态继电器和温度变送器，了解其工作原理； 4．了解什么是模糊控制理论。 二、预习要点 1．了解模糊控制理论的由来及应用； 2．Labview 虚拟仪器图形软件（本实验指导书附录中对使用环境详细介绍）。 三、实验原理 温度还是通过固态继电器的导通关断来实现加热过程的，控制周期即是一个 加热和冷却周期，PID 调节的实现也是通过这个周期实现的，在远离温度预设值 的时固态继电器在温度控制周期中持续加热（假设导通时间是T），在接近温度 预设值时通过PID 得到的值来控制这一周期内固态继电器的开关时间（假设导通 时间是1/2T）维持温度（假设导通时间是1/4T）。 本实验暂时用的是模糊控制原理中的的比例控制钟摆无限接近的控制理论， 所以温度预设值不能超过（最大温度+实验开始前温度）/2，例如实验开始前温度为25 度，最大为100 度，那么预设最大为62.5 度，当然这样可能几天温度才能被控制好，所以建议温度不超过实验开始温度5 度，同时我们在将来的升级中 会用更好的模糊理论代替现有的较差的控制理论，这里还要指出好的模糊控制理 论在一定程度上比好的PID 控制还要稳定，做的好的模糊控制是经验与理论的最 完美结合。 四、实验项目 用模糊PID 控制水箱温度。 五、实验仪器 ZCK-II 型智能化测控系统。 六、实验步骤及操作说明 1．打开仪器面板上的总电源开关，绿色指示灯亮起表示系统正常； 2．打开仪器面板上的液位电源开关，绿色指示灯亮起表示系统正常； 3，确保贮水箱内有足够的水，参照图2（图见第三章）中阀门位置设置阀门开关，将阀门1、3、5、6 打开，阀门2、4 关闭； 4．参看变频器操作说明书将其设置在手动操作挡； 5．单击控制器RUN 按钮，向加热水箱注水，直到水位接近加热水箱顶部，完全 淹没加热器后单击STOP 按钮结束注水； 6．关闭仪器面板上的液位电源开关，红色指示灯亮起表示系统关闭； 7．打开仪器面板上的加热电源开关，绿色指示灯亮起表示系统正常； 8．打开计算机，启动ZCK-II 型智能化测控系统主程序； 12 9．用鼠标单击温度控制动画图形进入温度控制系统主界面，小组实验无须在个人信息输入框填写身份，直接确定即可； 10．在温度系统控制主界面中，单击采集卡测试图标，进入数据采集卡测试程序。 一切设置确认无误后即可单击启动程序图标，观察温度和电压的变化，也可以单 击冷却中左边的开关按钮进入加热程序，观察温度上升曲线及电流表和电压表变 化，确认传感器正常工作后点击程序结束，等待返回主界面图标出现即可返回温 度控制主界面进入下一步实验。 11．在温度系统控制主界面中，单击传感器标定图标，进入传感器标定程序。本 程序界面基本和数据采集卡测试程序界面基本相同，操作请参照步骤10 进行，一切设置确认无误后即可单击启动程序图标，观察温度和电压的变化，同时用温 度计测量加热箱内水温，并用传感器标定控制图标完成精确标定。标定完成后加 热水箱到30 摄氏左右时程序结束，等待返回主界面图标出现即可返回温度控制主界面进入下一步实验； 12．在温度系统控制主界面中，单击模糊PID 系统图标，进入模糊PID 温度控制系统程序。点击控制参数图标，进入控制参数设定界面，按照参数表4 中的小 组1 给定的预设参数填写。确定返回后点击采集参数图标按照参数表4 中的小组 模糊控制的优缺点 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： １.模糊控制中模糊的含义 模糊控制中的模糊其实就是不确定性。从属于该概念和不属于该概念之间没有明显的分界线。模糊的概念导致了模糊现象。 2.模糊控制的定义 模糊控制就是利用模糊数学知识模仿人脑的思维对模糊的现象进行识别和判断,给出精确的控制量，利用计算机予以实现的自动控制。 3.模糊控制的基本思想 模糊控制的基本思想:根据操作人员的操作经验，总结出一套完整的控制规则,根据系统当前的运行状态，经过模糊推理，模糊判断等运算求出控制量,实现对被控制对象的控制。 4.模糊的控制的特点 不完全依赖于纯粹的数学模型，依赖的是模糊规则。模糊规则是操作者经过大量的操作实践总结出来的一套完整的控制规则。 模糊控制的对象称为黑匣（由于不知道被控对象的内部结构、机理，无法用语言去描述其运动规律,无法去建立精确的数学模型）。但是模糊规则又是模糊数学模型。 5 模糊控制的优缺点及需要解决的问题分析 5.1模糊控制的优点 (1)使用语言方便,可不需要过程的精确数学模型;(不需要精确的数学模型) (２）鲁棒性强,适于解决过程控制中的非线性、强耦合时变、 滞后等问题；鲁棒性即系统的健壮性。 (3）有较强的容错能力。具有适应受控对象动力学特征变化、环境特征变化和动行条件变化的能力; (4)操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系,这些模糊条件语句容易加到过程的控制环节上。 5．2模糊控制的缺点 (１)信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差; (2)模糊控制的设计尚缺乏系统性,无法定义控制目标。 6.模糊数学 模糊数学就是利用数学知识研究和解决模糊现象。在数学和模糊现象之间架起了一座桥梁。 6．１模糊集合的概念 每一个概念都有内涵和外延。 内涵就是指概念的本质属性的集合。外延就是符合某种本质属性的全体对象的集合。 模糊数学的基础就是模糊理论集。 在模糊集合设计到的论域U 上，给定了一个映射A,A ：U →[0,1] ,)(x x A μ ,则称A 为论域U 上的模糊集合或者模糊子集； )(x A μ表示U 中各个元素x 属于集合A 的程度,称为元素x 属于模糊集合A 的隶属函数。当x 是一个确定的0x 时，称)(0x A μ为元素0x 对于模糊集合A 的隶属 度。 F 集合引出的几个概念 基于模糊控制的速度控制 ——地面智能移动车辆速度控制系统问题描述 利用模糊控制的方法解决速度跟踪问题，即已知期望速度(desire speed)，控制油门(throttle output)和刹车(brake output)来跟踪该速度。已知输入：车速和发动机转速（值可观测）。欲控制刹车和油门电压（同一时刻只有一个量起作用）。 算法思想 模糊控制器是一语言控制器，使得操作人员易于使用自然语言进行人机对话。模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，具有较佳的适应性及强健性(Robustness)、较佳的容错性(Fault Tolerance)。利用控制法则来描述系统变量间的关系。不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。 Figure 1模糊控制器的结构图 模糊控制的优点： (1)模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 (2)由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 (3)基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 (4)模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、模型不完全的系统上。 模糊控制的缺点 一、速度控制算法： 欧阳歌谷（2021.02.01） 首先定义速度偏差-50 km/h≤e（k）≤50km/h，-20≤ec（i）=e（k）-e（k-1）≤20，阀值eswith=10km/h 设计思想：油门控制采用增量式PID控制算法,刹车控制采用模糊控制算法，最后通过选择规则进行选择控制量输入。 选择规则： e（k）<0 ①e（k）>-eswith and throttlr_1≠0 选择油门控制 ②否则：先将油门控制量置0，再选择刹车控制 0 E/EC和U取相同的隶属度函数即： 说明：边界选择钟形隶属度函数，中间选用三角形隶属度函数，图像略 实际EC和E输入值若超出论域范围，则取相应的端点值。 3.模糊控制规则 由隶属度函数可以得到语言值隶属度（通过图像直接可以看出）如下表： 表1：E/EC和U语言值隶属度向量表 设置模糊规则库如下表： 表2：模糊规则表 3.模糊推理 由模糊规则表3可以知道输入E与EC和输出U的模糊关系，这里我取两个例子做模糊推理如下： if (E is NB) and (EC is NM) then (U is PB) 那么他的模糊关系子矩阵为： 变频空调器的模糊控制技术 (陇东人作品) （XXX 能源学院陕西西安710054 ） 摘要：对变频空调器的模糊控制技术的原理作了研究，讨论了变频空调器模糊控制系统的特点。分析总结了国内变频空调器模糊控制技术的研究现状以及发展趋势，同时对变频空调器模糊控制技术未来的研究问题进行了展望。 关键词：变频空调器；模糊控制；展望 Developing Tendency and Current Situation of Fuzzy Control in In- verter Room Air Conditioner XXX (Xi'an XX,College of Energy Resources Engineering, Shaanxi, Xi'an710054, P.R.China) Abstract：In this paper, the fuzzy control technology is briefly introduced, and from different directions discusses the characteristics of fuzzy control system. Current domestic developing ten-dency and current situation of fuzzy control in inverter room air conditioner is summarized, while future research issues about the technology of fuzzy control in inverter room air conditioner were discussed. Keywords: inverter room air conditioner; fuzzy control; current situation; developing tendency; development 0引言 随着世界范围内能源危机的到来，各国政府都在为经济的可持续发展积极地推广节能降耗技术。作为家庭用电的主要设备，传统空调器由于其运行效率低下正在逐渐退出市场，而变频空调器（Inverter Room Air Conditioner，MAC）是制冷理论、热动力学、电机驱动技术、电力电子技术、微电子技术和智能控制理论交叉发展应用的产物，由于其高效节能和实现智能化控制的优异特性，使之成为家用空调器的主要发展方向。 变频空调器的空气调节效果虽然比传统定速空调器有所提高，但变频空调器容易控制、反应快、高效节能等特点并没有完全展现出来。智能控制方法的出现打破了传统控制的模型限制，将模糊控制技术应用于变频空调器中，使空调性能更为优越。可以说控制系统是整个变频空调器的心脏，研究变频空调器的控制技术，对变频空调器的节能运行至关重要。 鉴于变频空调器系统属于参数时变、非线性、大纯滞后系统的特点，所以采用具有学习功能的模糊控制方法，根据系统响应自动建立和修改控制规则，不断自动改善其性能，与传统的控制方法相比能达到较好控制效果。本文主要讨论变频空调器的模糊控制技术，以及该技术的现状和研究进展。 1变频空调器模糊控制技术 1.1 模糊控制 智能控制理论及应用课程设计报告 题目：基于matlab的倒立摆模糊控制 院系：西北民族大学电气工程学院 基于MATLAB的倒立摆模糊控制 摘要：倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。本文主要针对较为简单的单级倒立摆控制系统而进行的设计分析。通过建立微分方程模型，求出相关参数，设计出对应的模糊控制器，并运用MATLAB软件进行系统模型的软件仿真，从而达到预定控制效果。目前，一级倒立摆的研究成果应用于火箭发射推进器和控制卫星的飞行状态等航空航天领域。关键词：单级倒立摆；微分方程；模糊控制；MATLAB仿真 1背景分析 倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的 研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。 正是由于倒立摆系统的特殊性，许多不同领域的专家学者在检验新提出理论的正确性和实际可行性时，都将倒立摆系统作为实验测试平台。再将经过测试后的控制理论和控制方法应用到更为广泛的领域中去。现代控制理论已经在工业生产过程、军事科学、航空航天等许多方面都取得了成功的应用。例如极小值原理可以用来解决某些最优控制问题；利用卡尔曼滤波器可以对具有有色噪声的系统进行状态估计；预测控制理论可以对大滞后过程进行有效的控制。但是它们都有一个基本的要求：需要建立被控对象的精确数学模型。 随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。然而由于一系列的原因，诸如被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等，难以建立被控对象的精确模型。虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题，但范围是有限的。对于像二级倒立摆这样的非线性、多参数、强耦合的被控对象，使用 模糊控制的应用 学院实验学院 专业电子信息工程 姓名 指导教师___________ 日期20门年9月20日 在自动控制中，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型（如微分方程等） 的基础上，但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂。建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意头重大，模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。现代控制系统中的的控制能方便地解决工业领域常见的非线性、时变、在滞后、强耦合、变结构、结束条件苛刻等复杂问题。可编程控制器以其高可靠性、编程方便、耐恶劣环境、功能强大等特性很好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，这两者的结合，可在实际工程中广泛应用。 所谓模糊控制，其定义是是以模糊数学作为理论基础，以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的一种控制。模糊控制具有以下突出特点： ⑴模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点 是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用 ⑵由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控 制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 ⑶基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同， 容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 ⑷模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人 工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 ⑸模糊控制系统的鲁棒性強，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减 弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 由于有着诸多优点，模糊理论在控制领域得到了广泛应用。下面我们就以下示例介绍模糊控制在实际中的应用： 电机调速控制系统见图1,模糊控制器的输入变量为实际转速与转速给定值之间的差值e及其变化率仝，输出变量为电机的电压变化量u。图2为电机调试输出结果，其横坐标为时间轴，纵坐标为转速。当设定转速为2 OOOr / s时，电机能很快稳定运行于2 OOOr / s;当设定转速下降到1 OOOr / s时，转速又很快下降到1 OOOr / s稳定运 行。 实验一 模糊控制器的MATLAB 仿真 一、实验目的 本实验要求利用MATLAB/SIMULINK 与FUZZYTOOLBOX 对给定的二阶动态系统，确定模糊控制器的结构，输入和输出语言变量、语言值及隶属函数，模糊控制规则；比较其与常规控制器的控制效果；研究改变模糊控制器参数时，系统响应的变化情况；掌握用 MATLAB 实现模糊控制系统仿真的方法。 实验时数：3学时。 二、实验设备：计算机系统、Matlab 仿真软件 三、实验原理 模糊控制器它包含有模糊化接口、规则库、模糊推理、清晰化接口等部分，输人变量是过程实测变量与系统设定值之差值。输出变量是系统的实时控制修正变量。模糊控制的核心部分是包含语言规则的规则库和模糊推理。模糊推理就是一种模糊变换，它将输入变量模糊集变换为输出变量的模糊集，实现论域的转换。工程上为了便于微机实现，通常采用“或”运算处理这种较为简单的推理方法。Mamdani 推理方法是一种广泛采用的方法。它包含三个过程：隶属度聚集、规则激活和输出总合。模糊控制器的体系结构如图1所示。 图1 模糊控制器的体系结构 四、实验步骤 （1）对循环流化床锅炉床温，对象模型为 ()()1140130120 ++s s 采用simulink 图库，实现常规PID 和模糊自整定PID 。 （2）确定模糊语言变量及其论域：模糊自整定PID 为2输入3输出的模糊控制器。该模糊控制器是以|e|和|ec|为输入语言变量，Kp 、Ki 、Kd 为输出语言变量，其各语言变量的论域如下： 误差绝对值：e={0，3，6，10}； 误差变化率绝对值：ec={0，2，4，6}； 输出Kp：Up={0，0.5，1.0，1.5}； 输出Ki：Ui={0，0.002，0.004，0.006}； 输出Kd：Ud={0，3，6，9}。 （3）语言变量值域的选取：输入语言变量|e|和|ec|的值域取值“大”(B)、“中”(M)、“小”(s)和“零”(Z) 4种；输出语言变量Kp、Ki、Kd的值域取值为“很大”(VB)、“大”(B)、“中”(M)、“小”(s) 4种。 （4）规则的制定：根据PID参数整定原则及运行经验，可列出输出变量Kp、Ki、Kd 的控制规则表。 （5）推理方法的确定 隐含采用“mamdani”方法：max-min； 推理方法，即“min”方法； 去模糊方法：面积中心法； 选择隶属函数的形式：三角型。 上海电力学院 自动控制原理实践报告 课名：自动控制原理应用实践 题目：水翼船渡轮的纵倾角控制 船舶航向的自动操舵控制 班级： 姓名： 学号： 水翼船渡轮的纵倾角控制 一．系统背景简介 水翼船(Hydrofoil)是一种高速船。船身底部有支架，装上水翼。当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面(称为水翼飞航或水翼航行，Foilborne)，从而大为减少水的阻力和增加航行速度。 水翼船的高速航行能力主要依靠一个自动稳定控制系统。通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。 航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（舵角）、船舶本身（航向角）在内的两个反馈回路：舵角反馈和航向反馈。 当尾舵的角坐标偏转错误!未找到引用源。，会引起船只在参考方向上发生某一固定的偏转错误!未找到引用源。。传递函数中带有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。有此动力方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向一个常数，因此如果船只以直线运动，而尾舵偏转一恒定值，那么船只就会以螺旋形的进入一圆形运动轨迹。 二．实际控制过程 某水翼船渡轮，自重670t，航速45节（海里/小时），可载900名乘客，可混装轿车、大客车和货卡，载重可达自重量。该渡轮可在浪高达8英尺的海中以航速40节航行的能力，全靠一个自动稳定控制系统。通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求该系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。 上图：水翼船渡轮的纵倾角控制系统 已知，水翼船渡轮的纵倾角控制过程模型，执行器模型为F（s）=1/s。 三．控制设计要求 试设计一个控制器Gc（s），使水翼船渡轮的纵倾角控制系统在海浪扰动D （s）存在下也能达到优良的性能指标。假设海浪扰动D（s）的主频率为w=6rad/s。 本题要求了“优良的性能指标”，没有具体的量化指标，通过网络资料的查阅：响应超调量小于10%，调整时间小于4s。 四．分析系统时域 1.原系统稳定性分析 num=[50]; den=[1 80 2500 50]; g1=tf(num,den); [z,p,k]=zpkdata(g1,'v'); p1=pole(g1); pzmap(g1) 分析：上图闭环极点分布图，有一极点位于原点，另两极点位于虚轴左边，故处于临界稳定状态。但还是一种不稳定的情况，所以系统无稳态误差。 2.Simulink搭建未加控制器的原系统（不考虑扰动）。 控制理论与控制工程 《智能控制基础》 课程实验报告 专业：控制理论和控制工程 班级：双控研2016 姓名：洪帅 任课教师：马兆敏 2016年12 月4 日 第一部分：模糊控制 实验一模糊控制的理论基础实验 实验目的： 1 练习matlab中隶属函数程序的编写，同时学习matlab数据的表达、格式、文件格式、存盘 2 学习matlab中提供的典型隶属函数及参数改变对隶属度曲线的影响 3 模糊矩阵合成仿真程序的学习 4 模糊推理仿真程序 实验内容 （1）要求自己编程求非常老，很老，比较老，有点老的隶属度函数。 1隶属函数编程 试验结果如图1-1 图1-1隶属度函数曲线 （2）完成思考题P80 2-2 写出W及V两个模糊集的隶属函数，并绘出四个仿真后的曲线。 仿真曲线见图1-2， 图1-2隶属度函数曲线 2 典型隶属函数仿真程序 学习下列仿真程序，改变各函数中的参数，观察曲线的变化，并总结各种隶属函数中其参数变化是如何影响曲线形状变换的。 M=1 M=3 M=3 M=4 M=5 M=6 图1-3 M在1、2、3、4、5、6时的图形 2 模糊矩阵合成仿真程序：学习P31例2-10，仿真程序如下， （1）完成思考题P81 2-5，并对比手算结果。完成思考题P81 2-4，并对比手算结果。 （2）2-5： (1)Matlab结果如下 ① ② ③ P81 2-5手算结果： P=? ? ? ? ? ? 7.0 2.0 9.0 6.0 Q=? ? ? ? ? ? 4.0 1.0 7.0 5.0 R=? ? ? ? ? ? 7.0 7.0 3.0 2.0 S=? ? ? ? ? ? 5.0 6.0 2.0 1.0 (P Q) R=? ? ? ? ? ? 4.0 4.0 6.0 6.0 (PUQ) S=? ? ? ? ? ? 5.0 6.0 5.0 6.0 (P S)U(Q S)=? ? ? ? ? ? 5.0 6.0 5.0 6.0 总结：手算结果和MATLAB运行结果一致。 (2) （2）思考题P81 2-4 Matlab运行结果如下： P81 2-4题手算结果如下： () 30 20 10 4.0 1 10 4.0 20 30 + + + + - + - + - = e ZE μ () 30 20 3.0 10 1 3.0 10 20 30 + + + + - + - + - = e PS μ ()() 30 20 10 4.0 3.0 10 20 30 + + + + - + - + - = ?e e PS ZE μ μ ()() 30 20 3.0 10 1 1 10 4.0 20 30 + + + + - + - + - = ?e e PS ZE μ μ 总结：手算结果和MATLAB运行结果一致。 4 模糊推理仿真程序：学习P47 例2-16，仿真程序如下。（1）完成思考题2-9，并对比手算结果。 Matlab结果如下 第5章 模糊控制器设计的基本方法 5.1 模糊控制器的结构设计 结构设计：确定输入、输出变量的个数（几入几出）。 5.2 模糊控制规则设计 1. 语言变量词集 {}PB PM PS O NS NM NB ,,,,,, 2. 确立模糊集隶属函数（赋值表） 3. 建立模糊控制规则，几种基本语句形式： 若A 则B c R A B A E =?+? 若A 则B 否则C c R A B A C =?+? 若A 或B 且C 或D 则E ()()R A B E C D E =+?+????????? 4. 建立控制规则表 5.3 模糊化方法及解模糊化方法 模糊化方法 1. 将[]b a ,内精确量离散化为[]n n +-,内的模糊量 2. 将其区间精确量x 模糊化为一个单点集，即0)(,1)(==x x μμ 模糊推理及非模糊化方法 1. MIN-MAX ——重心法 11112222n 00R and R and R and and '? n n n A B C A B C A B C x y c →→→→= 三步曲： 取最小 1111'()()()()c A o B o C z x y z μμμμ=∧∧ 取最大 12''''()()()()n c c c c z z z z μμμμ=∨∨∨ 2. 最大隶属度法 例： 10.3 0.80.5 0.511234 5 C =+----- ＋＋＋，选3-=*u 20.30.80.40.21101234 5 C =+ ＋＋＋ ＋ ，选 5.12 21=+=*u 5.4 论域、量化因子及比例因子选择 论域：模糊变量的取值范围 基本论域：精确量的取值范围 误差量化因子：e e x n k /= 比例因子：e y k u u /= 误差变化量化因子：c c x m k /= 5.5 模糊控制算法的流程 m j n i C u B EC A E ij j i ,,2,1;,,2,1 then then if ===== 其中 i A 、 j B 、ij C 是定义在误差、误差变化和控制量论域X 、Y 、Z 上的模糊集合，则该语句所表示的模糊关系为 j i ij j i C B A R ,??= m j n i j i C B A R z y x z y x ij j i ===== ,1 ,1)()()(),,(μμμ μ 根据模糊推理合成规则可得：R B A U )(?= Y y X x B A R U y x z y x z ∈∈=)()(),,()(μμμμ 设论域{}{}{}l m n z z z Z y y y x x x X ,,,,,,,Y ,,,,212121 ===，则X ，Y ，Z 上的模糊集合分别为一个n ，m 和l 元的模糊向量，而描述控制规则的模糊关系R 为一个m n ?行l 列矩阵。 由i x 及i y 可算出ij u ，对所有X ，Y 中元素所有组合全部计算出相应的控制量变化值，可写成矩阵()ij n m u ?，制成的表即为查询表或称为模糊控制表。 * 模糊控制器设计举例（二维模糊控制器） 1. 结构设计：二维模糊控制器，即二输入一输出。 2. 模糊控制规则：共21条语句，其中第一条规则为 t h e n o r and or if :1 PB u NM NB EC NM NB E R === 3. 对模糊变量E ，EC ，u 赋值（见教材中的表）发展战略-模糊逻辑与模糊控制技术的发展 精品
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