模糊控制原理课件.ppt

北京理工大学自动化学院,模糊控制原理,孙 健,第三章 模糊控制原理,3.1,3.2,3.3,3.4,第三章 模糊控制原理,Fuzzy Control,3.1 模糊控制的基本原理,3.1.1 模糊基本思想,模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。,操作人员或专家的控制经验是如何转化为数字控制器的？,人类对热水器水温的调节,控制思想：如果水温偏高，就把燃气阀关小；如果水温偏低，就把燃气阀开大。,3.1 模糊控制的基本原理,模仿人类的调节经验，可以构造一个模糊控制系统来实现对热水器的控制。,用一个温度传感器来替代左手进行对水温的测量，传感器的测量值经A/D变换后送往控制器。电磁燃气阀代替右手和机械燃气阀作为执行机构，电磁燃气阀的开度由控制器的输出经D/A变换后控制。构造控制器，使其能够模拟人类的操作经验。,描述了输入（水温与期望值的偏差 e）和输出（燃气阀开度的增量 u）之间的模糊关系R,人类的控制规则如果水温比期望值高，就把燃气阀关小；如果水温比期望值低，就把燃气阀开大。,3.1 模糊控制的基本原理,输入e,输出u,模糊推理,规则库R,D/A,电磁阀,热水器,温度传感器,A/D,期望值,e,u,模糊值,模糊值,精确值,精确值,模糊化,反模糊化,热水器水温模糊控制系统结构,3.1 模糊控制的基本原理,模糊控制原理框图,3.1 模糊控制的基本原理,3.1.2 模糊控制器的基本结构模糊化知识库模糊推理反模糊化,模糊控制器的构成框图,3.1 模糊控制的基本原理,模糊化模糊化步骤确定符合模糊控制器要求的输入量和输出量,将输入的精确量转化成为模糊量的过程称为模糊化,常用的输入量是系统输出的误差（e）和误差的改变量（ec），而输出量就是控制量（u）。,3.1 模糊控制的基本原理,模糊化输入量和输出量论域的设计基本论域,e ec u 的实际范围称为这些变量的基本论域,3.1 模糊控制的基本原理,模糊化输入量和输出量论域的设计,在模糊控制器的设计中，通常就把输入、输出量的论域定义为有限整数的离散论域。例如，可以将E的论域定义为-m,-m+1,-1,0,1,m-1,m；将EC的论域定义为-n,-n+1,-1,0,1,n-1,n；将U的论域定义为-l,-l+1,-1,0,1,l-1,l。,为了提高实时性，模糊控制器常常以控制查询表的形式出现。该表反映了通过模糊控制算法求出的模糊控制器输入量和输出量在给定离散点上的对应关系。为了能方便地产生控制查询表，在模糊控制器的设计中，通常就把输入输出的论域定义为有限整数的离散论域。,?,3.1 模糊控制的基本原理,模糊化输入量和输出量论域的设计,有关论域的选择问题，一般误差论域m6，误差变化论域n6，控制量的论域l7。,这是因为语言变量的词集多半选为七个（或八个）这样能满足模糊集论域中所含元素个数为模糊语言词集总数的二倍以上，确保模糊集能较好地覆盖论域，避免出现失控现象。,道理上讲，增加论域中的元素个数，即把等级细分，可以提高控制精度，但受到计算机字长的限制，另外要增加计算量。把等级分得过细，显得必要性不大。,3.1 模糊控制的基本原理,输入量和输出量论域的设计,如何实现实际的连续域到有限整数离散域的转换？,通过引入量化因子ke、kec和比例因子ku来实现,实际中误差的连续取值范围是e=eL,eH，则：,3.1 模糊控制的基本原理,输入量和输出量论域的设计,同理，假如误差变化率的连续取值范围是ec=ecL,ecH，控制量的连续取值范围是u=uL,uH，则量化因子kec和比例因子ku可分别确定如下：,在确定了量化因子和比例因子之后，误差e和误差变化率ec可通过下式转换为模糊控制器的输入E和EC：,式中，代表取整运算（四舍五入）。,3.1 模糊控制的基本原理,输入量和输出量论域的设计,模糊控制器的输出U可以通过下式转换为实际的输出值u：,Ke选的较大时，系统的超调变大，过渡过程变长。Ke增大，相当于缩小了误差的基本论域，增大误差变量的控制作用。,Kec选的较大时，系统的超调变小，系统的响应速度变慢。,Ku选的过小时，系统动态响应过程变长，选择过大会导致系统振荡。Ku影响着控制器的输出，能过调整Ku可以改变被控对象输入的大小。,3.1 模糊控制的基本原理,对输入量进行模糊化处理，包括确定语言变量和隶属函数确定语言变量的语言值,通常在语言变量的论域上，将其划分为有限的几档。例如，可将E、EC和U的划分为“正大（PB）”，“正中(PM)”，“正小（PS）”，“零（ZO）”，“负小（NS）”，“负中（NM）”，“负大（NB）”七档。,档级多，规则制定灵活，规则细致，但规则多、复杂，编制程序困难，占用的内存较多；档级少，规则少，规则实现方便，但过少的规则会使控制作用变粗而达不到预期的效果。因此在选择模糊状态时要兼顾简单性和控制效果。,3.1 模糊控制的基本原理,对输入量进行模糊化处理，包括确定语言变量和隶属函数确定隶属函数（原则）模糊化处理方法模糊单点或单点模糊集合 如果输入值x0是准确的，那么通常将其模糊化为模糊单点，即离散化的输入论域 将确定的隶属函数曲线离散化，得到有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。,3.1 模糊控制的基本原理,例,论域X由闭区间-6,6离散化为-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,3.1 模糊控制的基本原理,模糊化过程小结,将输入输出的精确值转换为相应的模糊值，具体的步骤如下：,第一步 将实际检测的系统误差和误差变化率量化为模糊控制器的输入。,假设实际检测的系统误差和误差变化率分别为e*和ec*，可以通过量化因子将其量化为模糊控制器的输入E*和EC*。,3.1 模糊控制的基本原理,模糊化过程小结,第二步 将模糊控制器的精确输入E*和EC*转化为模糊输入A*和B*。,将E*和EC*所对应的隶属度最大的模糊值当作当前模糊控制器的模糊输入量A*和B*。,假设E*=6，系统误差采用三角形隶属函数来进行模糊化。E*属于NB的隶属度最大（为1），则此时，相对应的模糊控制器的模糊输入量为：,3.1 模糊控制的基本原理,模糊化过程小结,对于某些输入精确量，有时无法判断其属于哪个模糊值的隶属度更大，例如当E*=-5时，其属于NB和NM的隶属度一样大。此时有两种方法进行处理：,1）在隶属度最大的模糊值之间任取一个；例如当E*=-5时，A*NB或NM。,2）重新定义一个模糊值，该模糊值对于当前输入精确量的隶属度为1，对于其它精确量的隶属度为0。（模糊单点）,3.1 模糊控制的基本原理,知识库,数据库,规则库,知识库,3.1 模糊控制的基本原理,规则库规则库的形式,规则库由若干条控制规则组成，这些控制规则根据人类控制专家的经验总结得出，按照 IF is AND is THEN is的形式表达。,R1:IF E is A1 AND EC is B1 THEN U is C1 R2:IF E is A2 AND EC is B2 THEN U is C2 Rn:IF E is An AND EC is Bn THEN U is Cn,其中，E、EC是输入变量“误差”，“误差变化率”；U是输出变量“控制量”。Ai、Bi、Ci是第i条规则中与E、EC、U对应的语言值。,3.1 模糊控制的基本原理,规则库规则库的形式,规则库也可以用表格的形式进行描述。,在E、EC、U的论域上各定义了7个语言子集：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB对于E、EC可能的每种取值，进行专家分析和总结后，则总结出的控制规则为：,规则库中的规则必须涵盖所有可能的情况,3.1 模糊控制的基本原理,建立模糊控制规则表的基本思想当误差为负大时，若误差变化为负，这时误差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大误差并抑制误差变大，所以控制量的取负大。当误差为负而误差变化为正时，系统本身已有减小误差的趋势，为尽快消除误差且又不引起超调，应取较小的控制量。当误差为负中时，控制量应使误差尽快消除，取值与误差为负大时相同。当误差为负小时，系统接近稳态，若误差变化为负，选取控制量为负中，以抑制误差往负方向变化，若误差变化为正时，系统本身已有趋势消除负小的偏差，选取控制量为零或正小即可。当误差为正时，控制思想与此基本相同，仅符号相反。,3.1 模糊控制的基本原理,规则库规则库的生成,模糊控制规则的提取方法在模糊控制器的设计中起着举足轻重的作用，它的优劣直接关系着模糊控制器性能的好坏，是模糊控制器设计中最重要的部分。模糊控制规则的生成方法归纳起来主要有以下几种：根据专家经验或过程控制知识生成控制规则。这种方法通过对控制专家的经验进行总结描述来生成特定领域的控制规则原型，经过反复的实验和修正形成最终的规则库。根据过程的模糊模型生成控制规则。这种方法通过用模糊语言描述被控过程的输入输出关系来得到过程的模糊模型，进而根据这种关系来得到控制器的控制规则。根据学习算法获取控制规则。应用自适应学习算法（神经网络等）对控制过程的样本数据进行分析和聚类，生成和在线优化较完善的控制规则。,3.1 模糊控制的基本原理,规则库规则库的基本要求规则数量合理规则要具有一致性完备性要好,控制规则的增加可以增加控制的精度，但是会影响系统的实时性；控制规则数量的减少会提高系统的运行速度，但是控制的精度又会下降。所以，需要在控制精度和实时性之间进行权衡,控制规则的目标准则要相同。不同的规则之间不能出现相矛盾的控制结果。如果各规则的控制目标不同，会引起系统的混乱。,控制规则应能对系统可能出现的任何一种状态进行控制。否则，系统就会有失控的危险。,3.1 模糊控制的基本原理,模糊推理模糊推理的综合法（组合推理）,模糊推理是一种近似推理，是根据模糊控制规则库和系统当前状态应用模糊推理方法得到模糊控制器的输出模糊值的过程。,规则库有N条规则，对所有规则的模糊蕴含关系作综合处理，就得到整个规则库的总的模糊关系R,如果系统当前的状态是，那么，模糊控制器的输出是：,对模糊控制 规则库中的规则不做综合，而是各自独立地存放，独立地对系统当前状态作出响应，最终的控制作用由各规则的分布响应综合而成。如果规则库内有N条规则，各自的模糊蕴含关系分另是R1，R2，R3，RN，而系统当前的状态是A*1，A*2，A*N，那么，各条规则的输出分别是,3.1 模糊控制的基本原理,模糊推理模糊推理的并行法（独立推理）,控制器的最终输出是,3.1 模糊控制的基本原理,两种方法的比较并行法需要占用较多的计算机内存并行法能清楚地展示每条规则所起的作用并行法使规则的增减和修改更方便，因而具有更大的灵活性。,3.1 模糊控制的基本原理,例,设模糊控制器的规则由两条规则组成，分别是,IF e=E1 and e=C1,THEN u=U1,IF e=E2 and e=C2,THEN u=U2,其中，,如果系统的当前状态是,求控制器的输出,3.1 模糊控制的基本原理,解：综合法,同理可得,3.1 模糊控制的基本原理,3.1 模糊控制的基本原理,并行法,3.1 模糊控制的基本原理,反模糊化（Defuzzification）最大隶属度法（平均）,由模糊推理得到的模糊输出值C*是输出论域上的模糊子集，只有其转化为精确控制量u，才能施加于对象。我们实行这种转化的方法叫做反模糊化/清晰化/去模糊化/模糊判决/非模糊化/解模糊化/逆模糊化。,把C*中隶属度最大的元素U*作为精确输出控制量；若模糊输出量的元素隶属度有几个相同的最大值，则取相应诸元素的平均值，并进行四舍五入取整，作为控制量。,上式中，元素4对应的隶属度最大，则根据最大隶属度法得到的精确输出控制量为4。,反模糊化（Defuzzification）最大隶属度法（平均）,3.1 模糊控制的基本原理,上式中，元素4、3、2对应的隶属度均为1，则精确输出控制量为,缺点：丢失的信息较多，在很大程度上忽略了隶属函数的形状所包含的信息，不精确，导致控制精度不高。,优点：简单方便。,3.1 模糊控制的基本原理,反模糊化（Defuzzification）加权平均法,该方法对模糊输出量中各元素求加权平均值，来得到精确输出控制量。,当ki为隶属度时，就转化为重心法,反模糊化（Defuzzification）重心法,该方法是取隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理的最终输出值，即,3.1 模糊控制的基本原理,对于具有m个输出量化级数的离散域情况,3.1 模糊控制的基本原理,反模糊化（Defuzzification）中心平均法,由于由模糊推理得到的模糊输出值C*往往是M个模糊集的并或者交，所以重心法一个很好的近似为这M个模糊集中心的加权平均，其权重等于相应模糊集的高度。,模糊集的中心：隶属函数达到其最大值的所有点的均值,模糊集的高度：任意点所达到的最大隶属度值,3.1 模糊控制的基本原理,反模糊化（Defuzzification）Matlab提供五种解模糊化方法：（1）centroid：重心法；（2）bisector：面积等分法；（3）mom：最大隶属度平均法；（4）som：最大隶属度取小法；（5）lom：最大隶属度取大法；在Matlab中，通过defuzz()执行反模糊化运算。,3.1 模糊控制的基本原理,模糊控制器的工作过程小结,模糊控制器实时检测系统的误差和误差变化率e*和ec*；通过量化因子ke和kec将e*和ec*量化为控制器的精确输入E*和EC*；E*和EC*通过模糊化过程转化为模糊输入A*和B*；将A*和B*根据规则库蕴含的模糊关系进行模糊推理，得到模糊控制输出量C*；对C*进行反模糊化处理，得到控制器的精确输出量U*；通过比例因子ku将U*转化为实际作用于控制对象的控制量u*。,将（3）（5）步离线进行运算，对于每一种可能出现的E和EC取值，计算出相应的输出量U，并以表格的形式储存在计算机内存中，这样的表格我们称之为模糊控制表/模糊控制查询表/模糊控制总表。,3.1 模糊控制的基本原理,3.1.3 模糊控制器的基本类型单变量模糊控制器一维模糊控制器,在确定性控制系统中，根据控制器输出的个数，可分为单变量控制系统和多变量控制系统。模糊控制器也可类似地划分为单变量模糊控制器和多变量模糊控制器,一维模糊控制器的输入变量往往选择为受控量和输入给定的偏差量E。由于仅仅采用偏差值，很难反映过程的动态特性品质，因此，所能获得的系统动态性能是不能令人满意的。这种一维模糊控制器往往被用于一阶被控对象。,3.1 模糊控制的基本原理,单变量模糊控制器二维模糊控制器,二维模糊控制器的两个输入变量基本上都选用受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化EC，由于它们能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性，因此，在控制效果上要比一维控制器好得多，也是目前采用较广泛的一类模糊控制器。,3.1 模糊控制的基本原理,单变量模糊控制器三维模糊控制器,三维模糊控制器的三个输入变量分别为系统偏差量E、偏差变化量EC和偏差变化的变化率ECC。由于这些模糊控制器结构较复杂，推理运算时间长，因此除非对动态特性的要求特别高的场合，一般较少选用三维模糊控制器。,3.1 模糊控制的基本原理,多变量模糊控制器,要直接设计一个多变量模糊控制器是相当困难的，可利用模糊控制器本身的解耦特点，通过模糊关系方程求解，在控制器结构上实现解耦，即将一个多输入-多输出（MIMO）的模糊控制器，分解成若干个多输入-单输出（MISO）的模糊控制器，这样可采用单变量模糊控制器方法设计。,3.3 模糊控制器设计,模糊控制器的设计步骤确定输入输出变量确定输入输出变量的论域及语言变量的模糊集确定输入输出隶属函数,常见e ec u,例如：E、EC和u的模糊集均为：NB,NM,NS,Z,PS,PM,PBE、EC和u的论域均为：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6,模糊变量误差E、误差变化EC及控制量u的模糊集和论域确定后，需对模糊语言变量确定隶属函数，确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。,3.3 模糊控制器设计,模糊控制器的设计步骤建立模糊控制规则、选择模糊推理模型模糊推理反模糊化,3.3 模糊控制器设计,模糊逻辑工具箱,模糊推理系统编辑器,隶属函数编辑器,输出量曲面观测窗,模糊规则编辑器,模糊规则观测窗,3.3 模糊控制器设计,模糊推理系统编辑器,在MATLAB主窗口中键入 fuzzy,3.3 模糊控制器设计,模糊推理系统编辑器,3.3 模糊控制器设计,模糊推理系统编辑器,3.3 模糊控制器设计,3.3 模糊控制器设计,隶属函数编辑器,3.3 模糊控制器设计,3.3 模糊控制器设计,3.3 模糊控制器设计,3.3 模糊控制器设计,隶属函数编辑器,3.3 模糊控制器设计,模糊规则编辑器,3.3 模糊控制器设计,模糊规则编辑器,3.3 模糊控制器设计,模糊规则观测窗,3.3 模糊控制器设计,输出量曲面观测窗,3.3 模糊控制器设计,在主菜单键入fuzzy fuzzy1进行修改和查看,3.3 模糊控制器设计,模糊控制器在MATLAB中的实现,假定被控对象的传递函数为：,为之设计模糊控制器,3.3 模糊控制器设计,确定输入输出变量 确定输入输出变量的论域及语言变量的模糊集确定输入输出隶属函数,e ec u,三角形隶属函数 S状隶属函数,3.3 模糊控制器设计,3.3 模糊控制器设计,建立模糊控制规则、选择模糊推理模型,推理模型：Mamdani,3.3 模糊控制器设计,推理方法 min法反模糊化,最大隶属度平均法,3.3 模糊控制器设计,3.3 模糊控制器设计,3.3 模糊控制器设计,3.3 模糊控制器设计,模糊控制的优缺点模糊控制的优点模糊控制的缺点,设计时不需要建立被控制对象的数学模型，只要求掌握人类的控制经验。系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统的控制,确立模糊化和反模糊化的方法时，缺乏系统的方法，主要靠经验和试凑。总结模糊控制规则有时比较困难。控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情况的变化。模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制洗衣机,1洗衣条件,（1）衣服的质料（2）水：水可带走一般的灰尘和水溶性污垢，所以，不用洗涤剂也可能洗去部分污垢。水的硬度也会影响洗涤效果，但影响最大的还是水的温度，在一定的水温范围内，温度越高，洗涤效果越好。右图为水温与洗净力之间的关系曲线。然而，温度也不宜太高，否则，高温会把附着在衣服上的蛋白质凝固，反而影响洗涤效果。（3）洗涤剂：,水温与洗涤效果关系曲线,3.4 模糊控制的应用,模糊控制洗衣机,2模糊控制洗衣机结构,模糊控制洗衣机由缸体、电动机、搅拌轮、进水阀、排水阀和各种传感器构成。在模糊控制洗衣机中，要进行多个状态参数的检测，使用到多个传感器并进行综合判断：（1）负载检测：使用负载传感器检测电动机的负载来确定衣物的量；（2）衣物质料检测：负载传感器结合水位传感器来判断质料并细分；（3）水位检测：使用水位传感器检测水位；（4）水温检测：使用热电偶检测水温来作为洗衣自动控制判断条件之一；（5）水的透光率检测：使用光电传感器检测放入衣物后水的透光率以判断衣物的脏污程度。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制洗衣机,3模糊控制洗衣机的模糊控制器,（1）基本结构和控制过程：,3.4 模糊控制的应用,模糊控制洗衣机,3模糊控制洗衣机的模糊控制器,（2）输入输出变量的模糊化,为简化规则描述，这里以水温、负载、衣物类型作为输入变量，输入变量均划分为3个模糊子集：水温高、中、低；负载大、中、小；衣物类型棉、混合、化纤。隶属度函数采用三角形函数和梯形函数。,输入变量模糊子集的隶属度函数曲线,3.4 模糊控制的应用,模糊控制洗衣机,3模糊控制洗衣机的模糊控制器,（2）输入输出变量的模糊化,将洗涤方式和洗涤时间作为输出变量，均划分为4个模糊子集：洗涤类型划分为很强、强、中、弱；洗涤时间分为：很长、长、中、短。模糊子集也是采用三角形函数和梯形函数作为隶属度函数。,输出变量模糊子集的隶属度函数曲线,3.4 模糊控制的应用,模糊控制洗衣机,3模糊控制洗衣机的模糊控制器,（3）控制规则,3.4 模糊控制的应用,模糊控制洗衣机,3模糊控制洗衣机的模糊控制器,（4）反模糊化,采取重心法对模糊推理产生的模糊值进行去模糊精确化处理，最后得到精确的洗衣控制参数。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉,微波炉采用模糊逻辑控制：可以根据食品的类型、数量、温度，以及容器等诸多因素，确定工作时间，以保证烹调的效果符合要求。,根据食品的类型、数量、温度，以及容器等因素来设定微波炉的工作时间，往往需要有一定的经验。,存在问题：,一般微波炉的工作过程：由用户确定利用微波炉进行 烹调的食品的类型和数量；由用户确定所需微波炉工作时间 t 以后，予以予置；启动微波炉工作。,如果：微波炉工作时间过短：烹调效果不好；微波炉工作时间过长：对水份少的食品可能会产生过热碳化的现象。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉控制电路和结构框图,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉控制电路和结构框图（1）检测电路,红外检测电路 A作用：用于检测被烹调食物的内部温度。B组成：由红外敏感器件和放大电路组成。由红外检测电路所测出的食物的放射能量单片微机。通过处理、计算得到食物的内部温度T。,温度检测电路 A作用：用于检测炉腔内部的温度，而不是食物的内部温度。B组成：温度传感器。安装在炉腔内。C电路工作时间：在加热丝进行食物保温或特殊加热时，使用温度检测器，以使炉腔内的温度能保持在一定的水平。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉控制电路和结构框图（1）检测电路（2）按键和炉门开关,湿度检测电路 A作用：测定食物的含水量的多少。B组成：采用湿敏电容作为传感器，安装在微波炉的排气孔附近。在微波加热过程中，含水量不同的食物的损耗系数不同。一般情况下，含水量越多的食物的损耗系数越大，所需微波加热的时间越短，效率越高。,按键：用于输入有关食物特征信号和控制信号。炉门开关：用于检测炉门的开启或关闭状态。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉控制电路和结构框图（2）按键和炉门开关,按键：设有九个按键：15，A，B，C，启/停。A 按键15：用于输入食品的类型（按介电性质即损耗系数和比热排列）。按键编号 1 2 3 4 5 食品类型 水 蔬菜 牛肉 肥肉 油类 汤类 精肉 面 油浸品 鱼 蛋B按键A、B、C 用于指示烹调方式：A 输入快煮方式。B 输入普通煮方式。C 输入慢煮方式。C按键 启/停,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉控制电路和结构框图（2）按键和炉门开关（3）输出控制电路,炉门开关：用于检测炉门的开启或关闭状态。A炉门开启时：停止磁控管工作。B炉门关闭时：在磁控管工作时接通炉腔内的照明灯，便于观察炉腔内的情况。,磁控管控制电路 磁控管在固定的磁感应强度和稳定的阳极电压下工作，其输出功率恒定，效率也保持基本不变。磁控管控制电路：采用占空比调节磁控管输出功率平均值的方法。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉控制电路和结构框图（3）输出控制电路（4）显示和报警电路,加热丝控制电路 对加热丝的控制，可以采用移相调压电路，也可以采用占空比调节的方法。炉腔照明控制电路 是一个十分简单的开关电路。,显示电路 A.四个发光二极管（七段显示）。两位显示“分”，两位显示“秒”。B.指示灯一个：指示微波炉处于工作或停止状态。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉控制电路和结构框图（4）显示和报警电路（5）单片机,报警电路 由陶瓷喇叭组成。可用于在微波炉工作倒计时为零时，或微波炉空载时报警。,根据输入的检测结果（温度、湿度、红外检测的结果）经过模糊推理 分别控制磁控管、加热器、报警电路等。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉模糊量与推理规则模糊量,在模糊控制微波炉中，需要考虑的因素有五个：食物类型，食物重量，食物温升，工作功率和工作时间。模糊控制微波炉要求能自动推断：（A）被烹调食物重量；（B）烹调工作时间。,在模糊控制微波炉中，应考虑六个物理量：工作时间t、食物重量m、食物比热C、输出功率P、加热效率和食物温升T。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉模糊量与推理规则,*加热效率：对固定的微波炉可看作常数；*食物（烹调）温升T：一般为100左右。*其余的物理量模糊化：食物比热C（J/kg*）：小（S）、中小（MS）、中（M）、中大（MB）、大（B）。食物重量m（kg）：很轻（VL）、轻（L）、中（M）、重（H）、很重（VH）。输出功率P（Kw）：小（S）、中小（MS）、中（M）、中大（ML）、大（L）。工作时间t（min）：极短（VS）、短（S）、中短（MS）、中（M）、中长（ML）、长（L）、极长（VL）。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉模糊量与推理规则,食物重量m的推理,模糊推理的输入量：食物比热C；食物被加热后的温升T。模糊推理的输出量：食物重量m。,模糊推理,食物比热C,食物被（短时）加热后的温升T,食物重量m,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉模糊量与推理规则,食物重量m的推理,输出功率P 和加热效率 可认为是一个不变量。取工作时间t#=20秒，食物加热t#（=20秒）后的温升T，其模糊量为：很小（VS）、小（S）、小（MS）、中（M）、中大（ML）、大（L）、很大（VL）共七个。,推理条件语句：if C and T then m 推理结果：得到食物重量的模糊量m*；再经过反模糊化，得到食物重量的精确量m。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉模糊量与推理规则,烹调工作时间t的推理,烹调工作时间是微波炉工作的关键参数，其正确与否将影响食物烹调的效果。应防止食物因烹调不足而不熟，或因过度而焦化。,烹调工作时间 t：t m CT/P,模糊推理的输入量：食物比热C；食物重量m；加热输出功率P。模糊推理的输出量：烹调工作时间 t。可认为：加热效率 是一个不变量；一般烹调时T=100，解冻时T=25。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉模糊量与推理规则,烹调工作时间t的推理,输出功率P,烹调工作时间 t,食物比热C,食物重量m,模糊推理,3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉模糊量与推理规则,烹调工作时间t的推理,推理条件语句：if C and m and P then t为减少规则数目，简化设计，在烹调过程中可将：输出功率P固定为某个数值。仅考虑食物比热C和食物重量m两个输入变量，进行模糊逻辑推理。则：if C and m then t（P=Constant）例如：P=1000W等。,推理的结果：得到烹调时间 t*；再经过反模糊化，得到烹调时间的精确量 t。烹调时间的精确量 t 减去食物重量m推理时的工作时间t#（=20秒），才是尚需的烹调时间，即 t=t-t#=t-20(秒),3.4 模糊控制的应用,模糊控制微波炉模糊量与推理规则,控制电路结构原理（略）,控制软件：由主控程序和过零中断程序组成。主控程序：进行模糊推理，微波加热，加热丝保温的过程控制；过零中断程序：周波记数；磁控管占空比控制；加热丝占空比控制。,控制软件,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱,家用电冰箱一般是双门冰箱，分为冷冻室和冷藏室两个部分。冷冻室用于冷冻食品和制冰。长时间存放，食品中的水份也会凝结成冰。冷冻室的温度为-6-18。冷藏室用于在较低的温度中存放食品。要求有一定的保鲜而不冻伤食物的功能。冷藏室的温度一般为 0 10。对家用电冰箱的要求是：较高的温度控制精度和最优的节能效果。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱系统结构,单片微机,冷藏室温度检测,霜厚度检测,冷冻室温度检测,温 度 给 定,电 源 检 测,压缩机控制,电热丝控制,风 门 控 制,温 度 显 示,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱系统结构,（1）输入部件、输出部件和单片微机 输入部件 输入电冰箱内部状态、电源状态和用户设定的温度值等。输入部件包括:冷冻室温度检测电路;冷藏室温度检测电路;霜厚度检测电路;电源检测电路;温度给定电路等。输出部件 用于对压缩机、电热丝和风门的控制，以及温度显示。包括:压缩机通断控制电路;电热丝控制电路;风门控制电路;以及温度显示电路。单片微机,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱系统结构,（2）除霜及温度控制 除霜控制 包括霜厚度检测和对电热丝的控制，其作用是用于冷冻室除霜。除霜控制过程：当冷冻室的霜的厚度凝结到一定程度时，开始进行加热除霜 加热丝通电，进行全电压加热除霜 霜的厚度下降 降低加热丝的控制电压 霜的厚度继续下降 直到除霜结束 断开加热丝电源。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱系统结构,温度控制 该系统是一个二输入二输出模糊控制系统：两个输入量：冷冻室温度；冷藏室温度。两个输出量：对压缩机的控制量；对风门的控制量。,模糊控制器,加热丝,e0,e0,ch,给定霜厚度,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱系统结构,模糊控制器,压缩机,风门,冷冻室温度设定,冷藏室 温度设定,e1,e1,e2,e2,cp,cf,+,+,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱系统结构,冷冻室温度控制：通过对压缩机的控制来实现。（模糊控制系统接收冷冻室的温度偏差 e1、温度偏差变化率e1后，进行模糊推理。然后，根据模糊推理的结果，对压缩机的工作进行控制Cp。）冷藏室温度控制：通过对风门的控制来实现。既与压缩机的工作状态有关，也和冷冻室的温度有关。（模糊控制系统接收冷藏室的温度偏差e2、温度偏差变化率e2，同时也要考虑冷冻室的温度偏差e1，经过模糊推理，决定对风门的控制Cf。）,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱模糊量和模糊控制规则,（1）除霜控制 霜厚度检测器将检测得来的霜厚度与给定的霜厚度相比较：得到霜厚度偏差e0和霜厚度偏差变化率e0 模糊控制器 控制信号Ch 控制加热丝工作。霜厚度偏差e0的模糊量 取四个模糊量：零（Z）小（S）中（M）大（L）。全是正模糊量。实际上一般霜厚度的给定值为零，采样检测出的厚度即为霜厚度偏差e0。霜厚度偏差变化率e0的模糊量 三个模糊量：小（S）中（M）大（L）。也是正模糊量。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱模糊量和模糊控制规则,（1）除霜控制加热丝控制 模糊量隶属函数采用单点形式：零（Z）低（L）中（M）高（H）除霜控制规则 if e0 and e0 then Ch e0 Ch Z S M L S Z M H H e0 M Z L M H L Z Z M H 例：if e0=M and e0=L then Ch=M,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱模糊量和模糊控制规则,（2）温度控制 冷冻室温度控制的模糊量和控制规则 模糊化：A.冷冻室的温度偏差e1和温度偏差 变化率e1，都取五个模糊量：负大（NB），负小（NS），零（Z），正小（PS），正大（PB）。B.压缩机电机的控制信号Cp：只需取“通”（On）和“断”（Off）两种状态。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱模糊量和模糊控制规则,（2）温度控制 冷冻室温度控制的模糊量和控制规则 控制规则：if e1 and e1 then Cp 实际上，在压缩机停机三分钟以内不准重新启动，以防止因压缩机的输入、输出两端压力不平衡，从而导致压缩机动力矩过大而烧毁压缩机电动机。为此，凡使压缩机电机接通电源的语句，均应有停压缩机时间的约束条件。设压缩机停机时间约束条件为Toff3分钟，则：凡使压缩机电机接通电源的语句（Cp=ON）的语句，其规则应为：if e1 and e1 and Toff then Cp（Cp=On）,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱模糊量和模糊控制规则,（2）温度控制 冷藏室温度控制的模糊量和控制规则 模糊量：A.冷藏室的温度偏差e2和温度偏差变化率e2，都取五个模糊量：负大（NB），负小（NS），零（Z），正小（PS），正大（PB）。B.风门的控制量Cf 取单点输出，也取五个模糊量：零（Z），小（S），中（M），大（B），极大（VB）。它们分别是在风门控制范围中的平均值。控制规则：分别考虑Cp=On和Cp=Off的两种情况。在压缩机电机通电（Cp=On）时：if e2 and e2 then Cf（Cp=On）此时风门打开,主要传递压缩机蒸发器制冷所得的冷气。在压缩机电机断电（Cp=Off）时：if e2 and e2 then Cf（Cp=Off）此时风门打开,主要传递压缩机蒸发器制冷后的余冷及冷冻室的冷气。,3.4 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱控制系统的电路结构,（1）电源部分 5V稳压电源：对控制系统及单片微机供电。电源过零检测电路：在电源的交流电压信号过零时产生负脉冲。对晶闸管进行移相控制时，作为同步信号用。电路电压检测：检测电源电压过低或过高，以便采取相应控制措施。（2）状态检测电路 冷冻室温度检测：通过温度传感器（-4-20）冷藏室温度检测：通过温度传感器（-4+14）霜厚度检测电路：由红外线发射管和光敏接收管组成。,3.6 模糊控制的应用,模糊控制电冰箱控制系统的电路结构,（3）温度给定和显示电路 温度给定电路 温度显示电路（4）功率输出电路 压缩机控制用功率输出电路：单片机输出信号 经反相、驱动 功放 压缩机电机。加热丝控制用功率输出电路：加热丝控制电压有三种：175V，200V和220V。采用占空比控制方式。风门控制用功率输出电路：用一个小型步进马达。（例如：三相步进马达）,模糊控制（完）,欢迎多提宝贵意见,