隶属云产生方法、隶属云发生器与隶属云控制装置

摘要

本发明包含隶属云产生方法、隶属云发生器和隶属云控制装置，属电子信息及控制领域。隶属云发生器含有产生标准正态分布随机数的子程序、产生满足给定期望值和带宽的随机数子程序和求隶属度的子程序。隶属云发生器的载体为通用单片机。根据给定的期望值、带宽和方差调用各子程序可得到云滴。隶属云控制装置以隶属云发生器为核心，还包括采样、译码和驱动等电路，可用于风扇、广告牌控制，以及家用电器、工业过程控制和机器人等领域。

说明书

本发明涉及一种隶属云产生方法、隶属云发生器与隶属云控制装置，属于电子信息技术、控制技术领域。可用于的各种家用电器以及地震预报设备和智能机器人等技术领域。

1965年美国科学家伯克利加利佛尼亚大学教授L.A.Zadeh首次提出了隶属函数的概念，用以解释客观事物的差异之间存在的中介过渡现象。

设X是一个普通集合X＝{x}称作论域。关于论域上的模糊子集A是指：对于任何元素x，x∈X，都指定一个数(x)，(x)∈[0，1]，叫作元素x对于A的隶属度。

映射：X→[0，1]

        Vx∈X，X→(x)

叫作A的隶属函数。

从此，隶属函数成为模糊信息处理和模糊控制的基石，30年来在各方面都得到了普遍应用。特别是在自动控制、信息处理、模式识别、人工智能、综合评判、物品分类、地震预报、医疗诊断以及经济学、心理学、社会学、生态学、语言学、管理科学、历史学、法学和哲学等多种领域得到应用。

在所有的应用中，无不遇到要确定隶属函数的问题。为此人们提出了很多方法如：示范法、统计法、蕴含解析法、可变模型法、相对选择法、比较法、三分法、滤波函数法、多维量表法、增量法等。这些方法可以说都带有一定的局限性。

通过电子技术，构造各类隶属函数发生器用于各类控制系统中，并迅速形成产品投向市场的当数日本的各类模糊产品，仅以家电产品为例，日本模糊家电产品在同类家电产品中的占有率见图11

其它的模糊家电产品还有：

电视机、录象机、照相机、摄象机、干燥机、冷藏箱、热水器、淋浴器、电热毯、熨平机、电动剃须刀等。

隶属函数思想和隶属函数发生器还广泛用于机器设备的智能控制．工业过程控制系统、专象系统、决策支持系统等。

本发明的目的是提出一种隶属云产生方法，更加客观地描述自然界和社会生活中事物的差异之间的中介过渡现象。

本发明的另一目的是利用电子信息技术，构造隶属云发生器，简便地产生各种正态隶属云，以数字信号形式输出。

本发明的还有一个目的是利用隶属云发生器实现定性和定量之间的转换。

本发明的又一个目的是利用隶属云控制装置，实际处理或控制对象产生积极效果。

本发明的目的是由下面技术方案实现的：

1、隶属云的产生方法，以通用单片机为载体，其特征在于采用下列步骤：

①产生正态分布随机数x_i符合N(x_o，b²)；

②声生正态分布随机带宽b_i符合N(b，σ²)；

③利用公式：        $>>>\mu >i>>=>>e>>->>>(>>x>i>>->>x>o>>)>>2>>/sup>>>2>b>>i>2sup>>>>>s>计算\mu$_i的值；

④得到隶属云云滴ξ_i(x_i，μ_i)。

隶属云的产生方法，具有以下子程序和程序结构：

子程序A，触发一次产生符合标准正态分布N(0，1)的随机数；

子程序B，产生满足给定期望值和带宽正态分布的随机数；

子程序C，计算隶属云滴ξ_i(x_i，μ_i)中的μ_i的值；

①调用子程序A得到标准正态分布随机数；然后，根据给定的期望值X_o，带宽b调用子程序B，计算云滴的x_i；

②根据给定的带宽b和方差σ再次调用子程序A和子程序B求得正态随机带宽b_i；

③根据x_i，x_o，b_i调用子程序C，求得μ_i；

④隶属云云滴ξ_i(x_i，μ_i)中的x_i和μ_i值分别作为控制量输出。

隶属云发生器，由子程序A、B、C以及将隶属云云滴中的x_i和μ_i经变换处理后分别作为两个控制信号输出的主程序以及通用单片机载体组成。

隶属云控制装置以隶属云发生器组成的隶属云控制装置，还包括采样、译码、驱动等外围电路。

隶属云控制装置用于控制电子广告牌显示条目和该条目的显示时间，：隶属云发生器产生的云滴中的x_i经译码驱动后的信号是广告牌条目显示选择信号，云滴中的μ_i经放大平移后控制该广告牌条目的本次显示时间。

隶属云控制装置用于控制产生自然风电风扇，温度检测电路输出信号控制隶属云发生器产生云滴x_i和μ_i值，x_i和μ_i经放大变换处理后分别作为两个控制信号和温度检测电路输出信号一起控制风扇的接通时间和工作电压。

下面结合附图对本发明详细说明。

图1    全正态分布隶属云；

图2.1  升半正态隶属云；

图2.2  降半正态隶属云；

图3    论域中的元素对模糊概念的贡献；

图4    隶属云解释之一；

图5    隶属云解释之二；

图6.1至6.4分别为100、500、1000、5000个云滴形成的云图；

图7    应用隶属云控制装置的电子广告牌电原理图；

图8    应用隶属云控制装置的自然风扇电原理图；

图9    隶属云发生器的主程序流程图；

图10   是18个满足N³(x_o，b²，σ²)分布的云滴；

图11   日本模糊家电产品在同类家电产品中的占有率。

1、隶属云方法

在自然界和社会生活中，事物的差异之间存在中介过渡性或亦此亦彼性，设X是一个普通集合，X＝{x}称作论域．关于论域X中的模糊集合A，是指对于任意元素都存在一个有稳定倾向的随机数(x)∈[0，1]叫做x对于A的隶属度．如果论域中的元素是简单有序的，则X可以看作是基础变量，隶属度在X上的分布叫做隶属云；如果论域中的元素不是简单有序的，而根据某个法则f，可以将X映射到另一个有序的论域X’上，X’中吉勺一个且只有一个x’和x对应，则X’上的分布叫做隶属云．

对于自然界和社会科学中的大量模糊概念，设有论域X＝{x}，关于论域X中的模糊集合A的隶属云(x)，近似服从正态分布或半正态分布：

(x)＝N³(x_o，b³，σ²)

其中：x_o为模糊期集合A的期望值．

  b为模糊集合A的带宽

  σ为模糊集合A的方差。

半正态分布是指，由于具体研究对象对基础变量区域的有界限制，或者亦此亦彼的过渡区段，其隶属云仅取降半正态分布或升半正态分布的情况。隶属云方法将隶属函数、可能性分布和分布的随机性融为一体。

图1为全正态分布隶属云，图2为升(降)半正态分布隶属云：

2、隶属云发生器的原理

隶属云的期望曲线(x)是一条高斯曲线，其中心隶属度高，两侧隶属度低，顶端呈钟形，两边向下曲伸而且对称的匀滑曲线，属于该模糊概念的所有元素映射在基础变量上对应的数的平均数位于正态曲线的中央，其中位数和众数也都在其中央，因此平均数，中位数和众数均为x_o，称为隶属度的期望值。     $>>ver>>\mu >->ver>>A>->>>>(>x>)>>=>>e>>->>>(>x>->>x>0>>)>>2>>/>>>2>b>>2>>>>>s>$

基础变量X中的任一小区间上的元素Δx对模糊集合A的贡献ΔC定义为：    $>>\Delta C>\approx >ver>>\mu >->ver>>A>->>>>(>x>)>>\times >\Delta x>/>>2>\pi >>b>>s>$

显然，论域上所有元素对模糊集合A的总贡献C为：      $>>C>=sup>>\int >>->\infty >>\infty sup>>ver>>\mu >->ver>>A>->>>>(>x>)>>dx>/>>2>\pi >>b>>s>$ >>=sup>>\int >>->\infty >>\infty sup>>>e>>->>>(>x>->>x>0>>)>>2>>/>>>2>b>>2>>>>dx>/>>2>\pi >>b>>s>$$

＝1

因为 $>>C>=>[>>>\int >>xo>->3>b>>>>xo>+>3>b>>>>\mu ver>>A>->>>>>(>x>)>>dx>]>/>>2>\pi >>b>=>99.74>\%>>s>所以对于论域X中的模糊概念A有贡献的元素，落在[x$_o－3b，x_o＋3b]内几乎是肯定的事。我们可以忽略[x_o－3b，x_o＋3b]区间之外的元素对A的贡献，这就是隶属云(x)的“三b规则”，可以认为：

(xo±3b)≈0

隶属云的带宽b反应了模糊概念A涵盖的元素集中于期望值x_o的程度。b值大，反映模糊概念的外延不确定性大。也就是模糊性大。位于区间[x_o－0.67b，x_o＋0.67b]的那些元素，占全部元素的22.33％(0.67b/3b＝22.33％)，它们对模糊概念的贡献占总贡献的50％，这部分元素称为骨干元素”；位于区间[x_o－b，x0＋b]的那些元素，占全部元素的33.33％，他们对模糊概念的贡献占总贡献的68.26％，这部分元素称为“基本元素”；位于区间[x_o－2b，x_o＋2b]的那些元素，占全部元素的33.33％，它们的贡献占总贡献的27.18％，这部分元素称为“外围元素”；位于区间[x_o－3b，x_o－2b]和[x_o＋2b，x_o＋3b]的那些元素，占全部元素的33.33％，它们的贡献占总贡献的4.3％，这部分元素称为“弱外围元素”。如图3所示。这些定性描述和定量分析之间的关系具有普遍适用性。

隶属云的方差σ，直观上表现为隶属云的厚度，反映一个元素属于模糊概念A的隶属度的离散度，每一点x_i的隶属度虽然有个别的差异性(随机性)，但存在整体的稳定性，它符合统计学意义上的正态分布规律，即：

x_i点对模糊概念A的隶属度(x_i)是以其期望曲线(x)上的值(x_i)为中心值，σ为方差的正态分布。见图4。

能够实际生成隶属云云滴的电子装置称为隶属云发生器。隶属云发生器能够根据给定的数字特征x_o，b和σ产生满足正态隶属云分布规律的云滴ξ_i(x_i，μ_i)，以数字信号的形式输出。

更本质地看，可将隶属云看成是由正态期望曲线的带宽b的随机变化引起的，带宽b服从N(b，σ²)分布，此处σ是指带宽b的方差。见图5。

隶属云的任一云滴ξ_i(x_i，μ_i)可以通过以下三个步骤求得：

①按照中心值为x_o、方差为b的正态分布规律生成随机数x_i。

  即：x_i～N(x_o，b²)

②按照中心值为b、方差为σ的正态分布规律生成随机带宽b_i。

  b_i～N(b，σ²)

③计算μ(x_i)      $>>\mu >>(>>x>i>>)>>=>>e>>->>>(>>x>i>>->>x>o>>)>>2>>/sup>>>2>b>>i>2sup>>>>>s>$

3、隶属云发生器的实现方法

随着计算机技术的不断发展，计算机在控制系统中的应用越来越普遍。单片计算机是把微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。它具有集成度高、可靠性好、易扩展、控制功能强、价格便宜，且容易和被控制系统接口等优点，其应用越来越广泛；实际上，大多数的应用系统都是以单片机为基础的。因此，我们的基本策略是在用单片机基础上构造隶属云发生器，将其作为一个实体嵌入应用系统中。具体实现方法是：

首先，用移位寄存器法产生12个[0，1]之间的均匀分布随机数m_i(i＝1，2，…，12)，利用公式：     $>>>t>i>>=>>\Sigma >>c>=>1>>12>>>m>i>>->6>>s>计算得到一个标准正态分布的随机数t$_i，该随机数的期望值为0，方差为1；

即：t_i～N(0，1)

其次，根据给定的期望值x_o，带宽b，按照公式：

x_i＝x_o+bt_i计算得到隶属云的云滴ξ_i(x_i，μ_i)中的x_i值。即：x_i～N(x_o，b)

再其次，用同样的移位寄存器法再产生12个[0，1]之间的均匀随机数m_i(i=1，2，…12)，利用公式：     $>>>t>i>>=>>\Sigma >>c>=>1>>12>>>m>i>>->6>>s>计算得到又一个标准正态分布随机数t$_i，根据给定的带宽b和方差σ。

按照公式：    b_i＝b+σt_i计算得到隶属云云滴ξ_i(x_i，μ_i)所对应的随机带宽b_i。

最后，给定x_o，b_i，x_i，利用公式：    $>>>\mu >i>>=>>e>>->>>(>>x>i>>->>x>o>>)>>2>>/sup>>>2>b>>i>2sup>>>>>s>$

计算得到云清ξ_i(x_i，μ_i)的μ_i值。

则：ξ_i(x_i，μ_i)～N³(x_o，b²，σ²)将以上方法用单片机程序实现，其程序结构如图9：子程序A：触发一次产生一个符合标准正态分布的随机数t_i～N(0，1)子程序B，产生满足给定期望值和带宽的正态分布的随机数；子程序C：根据给定的x₀，x₁，x₂，按公式：     $>>>x>3>>=>>e>>->>>(>>x>1>>->>x>0>>)>>2>>/>2sup>>x>2>2sup>>>>>s>$

图10是用上述方法产生的18个满足N³(x_o，b²，σ²)(其中x_o＝2.0，b＝1.0，σ＝0.04)分布的云滴。图6给出了用隶属云发生器产生的满足该分布的100个云滴，500个云滴、l000个云滴和5000个云滴形成的云图。

4、隶属云控制装置

隶属云控制装置以隶属云发生器为核心，以及采样电路、译码电路、驱动电路等外围电路组成；其中，隶属云发生器能够根据外部采样输入定时地随机产生对一个模糊概念贡献比较大的一批批典型确定值，即隶属云云滴，它也可以作为一个对象从定性描述到定量分析的转换器。控制装置即以云滴中的X，μ值为基础，实现对被控对象的控制。

这类应用要求是十分普遍的，如自动控制、信息处理、模式识别、人工智能、综合评判、物品分类、医疗诊断、地震预报，以及经济学、心理学、社会学、生态学、语言学、管理科学、历史学、法学和哲学等多种领域、

下面仅举隶属云控制装置控制被控对象的两个具体例子。例一：

隶属云控制装置用于控制同一个电子广告牌中各条广告，确定每次被选中的广告条目和该条目本次显示的时间。从微观上看哪条电子广告条目被显示、显示多长时间，全然无序、次次不同；从宏观上看，却又可以做到有主有次、程度有别。其控制极为方便，调节也很简单。

隶属云控制装置由隶属云发生器、译码器和广告牌驱动电路等组成。

隶属云发生器产生云滴ξ_i(x_i，μ_i)，x_i送至译码器经译码后作为广告牌条目的选择信号，即不同的x_i值使相应的译码器输出线为低电平，该信号再经驱动使其具有一定的驱动能力来控制电子广告牌。μ_i经放大平移后控制x_i所对应的广告牌条目的点亮时间。通过改变x_o，b和σ可得到不同参数的隶属云，从而得到不同的广告显示效果。其电路原理图见图7 

该隶属云控制装置极容易推广到霓虹灯、音乐卡、电子门铃、音响玩具、告警器、电子工艺品、报时钟、电子提醒器等产品中。例二：

隶属云控制装置用于控制电风扇产生自然风效果。普通的模拟自然风电风扇，只能产生周而复始的阵风；本控制器以隶属云发生器为基础，可使电风扇随温度的升高或降低而自动启停，温度不同时阵风强度不同，产生的阵风能实现阵阵不同，无周期性。

本装置由以下电路组成：温度检测电路、隶属云发生器和风扇控制电路。温度检测电路将温度的变化转换为0-4V的电压信号，然后将其送至隶属云发生器和风扇控制电路；该电路具有起始电压调节电位器，调整该电位器可控制电风扇在某一温度下启动；此外该电路还配有增益调节电位器，调整它可使电风扇在某一温度时达到最高转速。隶属云发生器接受温度检测电路信号，将其作为隶属云发生器的控制参数，隶属云发生器的输出信号经变换后送至风扇控制电路。风扇控制电路由一继电器和可控硅组成，温度检测电路的输出信号送至可控硅控制极，温度不同时可控硅的输出电压不同，使加到风扇上的电压不同，从而使电风扇的转速不同；隶属云的输出接至继电器的控制端，控制继电器的吸合和断开，决定风扇接通或新开可控硅的输出电压，从而控制电风扇的转动或停止。电原理图见图8。

该控制装置可推广至家用电器和工业过程控制等领域中。六、优点和积极效果

1、隶属云实现了用简单而又合理统一的方法建立定性描述和定量分析之间的桥梁。

2、用期望值x_o、带宽b、方差σ三个数字特征产生的正态隶属云对于自然界和社会科学中的大量模糊概念具有普遍适用性；与已有的建立隶属函数模型，以此确定对象的隶属度的方法相比，隶属云是对对象更客观、更恰当的描述。此外x_o，b和σ的确定方法简单。

3、用单片机方法构造的隶属云发生器，可作为一个实体嵌入应用系统中，这种方法与构造专门的隶属云发生器部件相比有成本低、集成度高、可靠性好、灵活性和通用性强、嵌入性好、参数调整灵活方便、价格低廉、易于和控制系统接口等优点。

4、本发明所给出的隶属云发生器极易应用于现有模糊控制系统，对已有的资源(技术和设备)不要求作很大变动，已有投资不被会浪费。因此，隶属云发生器可以得到广泛的应用，能产生巨大的社会效益和经济效益。