仿人直觉推理式模糊控制器

摘要

一种仿人直觉推理式模糊控制器，它由数据输入单元、预设存储单元、偏差数据通道、偏差变化率数据通道、数据选择单元和数据输出单元组成，数据输入单元接收外部信号并输出偏差信号和偏差变化率信号，数据输入单元的偏差信号输出端与预设存储单元一起连接到偏差数据通道的输入端、偏差变化率信号输出端与预设存储单元一起连接到偏差变化率数据通道的输入端，预设存储单元存储有一组属于模糊论域的预设数值，数据选择单元根据偏差数据通道和偏差变化率数据通道分别输出的选通信号选择预设存储单元中的预设数值，并通过所述数据输出单元输出该预设数值。本发明具有结构简单、成本低廉、低开销、传输延时小、处理速度快、易学易用、稳定可靠的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及模糊控制技术领域，具体涉及一种基于常规逻辑器件的仿人直觉推理式模糊控制器。

背景技术

众所周知，模糊控制器是一种基于语言规则的智能控制器，现已应用于各种工业过程控制和家电控制领域，但是模糊控制器的设计对设计者具有较高的技术门槛，因而限制了它进一步的推广应用。自模糊控制器的产生以来，人们应用它最直接的动力来自于：一些生产现场有许多成功的人工操作经验，这些经验可写成IF-THEN语言规则形式，人们希望利用控制装置来复制人类大脑的控制行为。但是，人类的语言具有模糊性，控制装置都是基于具体数值的，这成为了复制人脑的控制行为最大的障碍。模糊数学的出现，人们自然想到了利用模糊集合理论来处理语言规则的问题。例如，人们普遍认为：汽车速度“很快”的大致范围为80km/s～150km/s，汽车速度“稍快”的大致范围为60～90km/s，现有某汽车的实际行驶速度84km/s，那么这辆汽车的速度属于“很快”还是属于“稍快”呢？显然，两个模糊集“很快”与“稍快”存在部分重叠。正因为人类语言是允许这种重叠的存在的，所以不同人有不同的答案，既可说成“很快”，也可说成“稍快”。一种有效处理工具就是隶属度函数。例如，通过事先定义隶属度函数，我们可取此汽车的速度属于“很快”的隶属值为0.4，属于“稍快”的隶属值为0.6。这就是说，一个具体的数值可以同时藕合2个(或以上)模糊集，由此能同时激活多条语言规则。这就要求我们在设计糊控制器时必须考虑规则的“合成”(综合)推理问题。目前，模糊控制器产品都是基于“合成”推理的。但是，许多一线工程师因对模糊集的“合成”推理难以理解，应用与维护较难而弃用。因此，在一些场合，人们需要的是一种易学易用且效果可靠的模糊控制器。

经分析，我们发现，上述“合成”推理与现场操作者的实际控制方法是不一致的。例如某型号锅炉的操作者经长期的工作，总结了如下两条控制规则：规则1：温度稍低，则增加燃料供给10％；规则2：温度合适，则保持燃料供给不变。对于该型号锅炉，操作者普遍认为，“温度稍低”的大致范围为80～95℃，“温度合适”的大致范围为90～100℃。若温度检测仪表显示当前温度为92℃，此时的操作者必须凭直觉迅速做出判断，要么使用第1条规则，要么使用第2条规则，而不必考虑抽象复杂的模糊推理方法。假设他的判断标准为：“温度稍低”的范围为80～92.5℃，“温度合适”的范围为92.6～100℃。此时，操作者自然会使用第1条规则。这个判断是在操作者凭直觉完成的，我们把这种凭直觉判断而选用模糊规则的方法称之为直觉推理法。显然，这种直觉推理法实质上是利用有经验的操作者的直觉判断除去模糊集之间的藕合关系，使之仅使用一条模糊规则进行输出的新方法。它与传统的Mamdani法和T-S法不同，它是一种完全仿人的推理过程。若把这种直觉推理法应用于模糊控制器装置中，则称之为仿人直觉推理式模糊控制器。这种仿人直觉推理式模糊控制器具有简单直接，易学易用，特别适合没有学过模糊数学的一线工程师使用。同时，它又是操作者的成功经验的直接应用，实际上是利用模糊控制装置复制操作者的控制行为，无疑是有效可靠的。

目前，模糊控制器的硬件实现形式有两种：

①基于CPU与存储器的控制电路，把推理方法写成程序指令烧入存储芯片，这种形式的优点是软件编程灵活，缺点是处理速度较慢，稳定性差。

②基于存储器的控制电路，事先把所有的输入输出数据的映射关系直接存入存储芯片，这种形式的优点是处理速度相对较快，缺点是灵活性较差。

两者的共同缺点是，均需使用抽象难懂的模糊推理方法，难于学习使用，这对许多一线工程师构成了挑战，制约了模糊控制器的推广与应用。

发明内容

本发明基于上述现有技术的缺点，提供一种结构简单、成本低廉、低开销、传输延时小、处理速度快、易学易用、稳定可靠的仿人直觉推理式模糊控制器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种仿人直觉推理式模糊控制器，它由数据输入单元、预设存储单元、偏差数据通道、偏差变化率数据通道、数据选择单元和数据输出单元组成，所述数据输入单元接收外部信号并输出偏差信号和偏差变化率信号，所述数据输入单元的偏差信号输出端与预设存储单元的输出端一起连接到偏差数据通道的输入端，所述数据输入单元的偏差变化率信号输出端与预设存储单元的输出端一起连接到偏差变化率数据通道的输入端，所述预设存储单元存储有一组属于模糊论域的预设数值，所述预设存储单元、偏差数据通道和偏差变化率数据通道的输出端分别与数据选择单元相连，数据选择单元根据偏差数据通道和偏差变化率数据通道分别输出的选通信号选择预设存储单元中存储的一个预设数值，并通过所述数据输出单元将该预设数值输出。

作为本发明的进一步改进：

所述预设存储单元由一组数值存储器组成，所述每个数值存储器用于存储一个预设数值；

所述偏差数据通道由一组分别与预设存储单元中每个数值存储器对应的第一比较器构成，所述第一比较器的输入端分别与所述数值存储器的输出端口以及所述数据输入单元的偏差信号输出端口相连，所述第一比较器的输出端分别与所述数据选择单元的控制端相连；所述偏差变化率数据通道由一组分别与预设存储单元中每个数值存储器对应的第二比较器构成，所述第二比较器的输入端分别与所述数值存储器的输出端口以及所述数据输入单元的偏差变化率信号输出端口相连，所述第二比较器的输出端分别与所述数据选择单元的控制端相连；

所述数据选择单元由并联的多个三态缓冲器单元构成，每个三态缓冲器单元包括依次串联的前三态缓冲器和后三态缓冲器，所述前三态缓冲器的输入端分别与所述预设存储单元的输出端相连，前三态缓冲器的控制端与所述第一比较器的输出端相连，所述后三态缓冲器的控制端与所述第二比较器的输出端相连，输出端与所述数据输出单元相连，所述三态缓冲器单元在所述第一比较器和第二比较器分别输出选通信号时将所述预设存储单元中的一个预设数值输出至所述数据输出单元；

所述数值存储器与一组二进制开关相连，所述二进制开关用于预设数值存储器内的数值；

所述数据输入单元由第一模数转换器、第一锁存器、微分器、第二模数转换器和第二锁存器组成，所述外部信号分别输入至第一模数转换器的输入端，所述外部信号通过微分器输入至第二模数转换器的输入端，所述微分器将输入的偏差信号转换成偏差变化率信号后输出至第二模数转换器，所述第一模数转换器通过第一锁存器输出偏差信号，所述第二模数转换器通过第二锁存器输出偏差变化率信号；

所述数据输出单元由第三锁存器和数模转换器组成，所述第三锁存器的输入端与所述数据选择单元的输出端口相连，所述数模转换器的输入端口与第三锁存器的输出端口相连，所述数模转换器的输出端口输出所述数据选择单元选择的预设数值；

所述预设存储单元、偏差数据通道、偏差变化率数据通道和数据选择单元为可编程逻辑器件。

本发明具有下述优点：本发明通过偏差数据通道、偏差变化率数据通道和数据选择单元的组合，实现了基于常规逻辑器件的仿人直觉推理的模糊控制器，具有易学易用、使用方便、易于推广，结构简单、成本低廉、低开销、延时小、处理速度快、稳定性更好的优点。三态缓冲器阵列实现查表操作，提高了处理速度、抗干扰性，控制可靠性；偏差数据通道、偏差变化率数据通道均采用比较器实现，结构简单、性能可靠；数值预设器的输入端设有一组二进制开关，因此现场预设数值方便，适合现场操作，应用范围广泛，预设存储单元、偏差数据通道、偏差变化率数据通道和数据选择单元采用可编程逻辑器件实现，因此体积小、便于携带，数据输入单元和数据输出单元采用锁存器和模数、数模转换器，成本低，速度快。

附图说明

图1为本发明实施例的框架原理示意图；

图2为本发明实施例的框架结构示意图；

图3为本发明实施例的电路结构示意图；

图4为本发明实施例的偏差数据通道选通信号分布示意图；

图5为本发明实施例的偏差变化率数据通道选通信号分布示意图；

图6为本发明实施例的模糊控制规则表的示意图；

图7为本发明实施例的预设存储单元与数据选择单元的连接关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中的仿人直觉推理式模糊控制器由数据输入单元1、预设存储单元2、偏差数据通道3、偏差变化率数据通道4、数据选择单元5和数据输出单元6组成，数据输入单元1接收外部信号并输出偏差信号和偏差变化率信号，数据输入单元1的偏差信号输出端与预设存储单元2的输出端一起连接到偏差数据通道3的输入端、偏差变化率信号输出端与预设存储单元2的输出端一起连接到偏差变化率数据通道4的输入端，预设存储单元2存储有一组属于模糊论域的预设数值，预设存储单元2、偏差数据通道3和偏差变化率数据通道4的输出端分别与数据选择单元5相连，数据选择单元5根据偏差数据通道3和偏差变化率数据通道4分别输出的选通信号选择预设存储单元2中存储的一个预设数值，并通过所述数据输出单元6将该预设数值输出。

如图2所示，数据输入单元1由第一模数转换器11、第一锁存器12、微分器13、第二模数转换器14和第二锁存器15组成，外部信号分别输入至第一模数转换器11的输入端、通过微分器13输入至第二模数转换器14的输入端，微分器13将输入的偏差信号转换成偏差变化率信号后输出至第二模数转换器14，第一模数转换器11通过第一锁存器12输出偏差信号，第二模数转换器14通过第二锁存器15输出偏差变化率信号。预设存储单元2由一组数值存储器组成，预设存储单元2通过一组数值存储器存储有一组属于模糊论域的预设数值，数值存储器用于存储一个预设数值。数值存储器与一组二进制开关相连，二进制开关用于在现场预设数值。偏差数据通道3由一组分别与预设存储单元2中每个数值存储器对应的第一比较器构成，第一比较器的输入端分别与数值存储器的输出端口以及数据输入单元1的偏差信号输出端口相连，第一比较器的输出端分别与数据选择单元5的控制端相连；偏差变化率数据通道4由一组分别与预设存储单元2中每个数值存储器对应的第二比较器构成，第二比较器的输入端分别与数值存储器的输出端口以及数据输入单元1的偏差变化率信号输出端口相连，第二比较器的输出端分别与数据选择单元5的控制端相连。数据选择单元5由并联的多个三态缓冲器单元构成，每个三态缓冲器单元包括依次串联的前三态缓冲器和后三态缓冲器，前三态缓冲器的输入端分别与预设存储单元2的输出端相连、控制端与第一比较器控制的输出端相连，后三态缓冲器的控制端与第二比较器控制的输出端相连、输出端与数据输出单元6相连，三态缓冲器单元在第一比较器和第二比较器分别输出选通信号时将预设存储单元2的一个预设数值输出至数据输出单元6。数据输出单元6由第三锁存器61和数模转换器62组成，第三锁存器61的输入端与数据选择单元5的输出端口相连，数模转换器62的输入端口与第三锁存器61的输出端口相连，数模转换器62的输出端口用于输出数据选择单元5选择的预设数值。

如图3所示，本实施例中以温度控制领域的应用为例，对本发明的仿人直觉推理式模糊控制器的应用进行说明。本实施例中，温度偏差E的论域划分为5个模糊集(NB、NS、ZE、PS、PB)，这种模糊集的划分是仿照人的直觉判断而设计的，NB、NS、ZE、PS、PB分别表“负大”、“负小”、“零”、“正小”、“正大”之含义。通过8位二进制开关，预设存储单元2的NB、NS、ZE、PS、PB分别设为33H、66H、99H、CCH、FFH。第一模数转换器11和第二模数转换器14的输入端量程均设定为0～5V，数模转换器62输出量程为亦设定为0～5V。另外，第一锁存器12、第二锁存器15和第三锁存器61均外接相同时钟信号CLK。与模糊集的数量相对应：预设存储单元2由数值存储器M1～数值存储器M5这5个数值存储器组成；偏差数据通道3由COMP1～COMP5五个第一比较器组成，第一比较器一个输入端与数据输入单元1的偏差信号输出端口相连，另一个输入端分别与5个数值存储器的输出端相连。例如，COMP1的该输入端与数值存储器M1相连，COMP2的该输入端与数值存储器M2相连，依此类推。当输入偏差信号E时，偏差数据通道3的5个第一比较器分别将输入的偏差信号与5个数值存储器存储的预设数值进行比较，偏差信号必然落入5个数值存储器存储的预设数值构成的5个模糊集中的一个，从而使一个第一比较器输出有效的选通信号。如图4所示，偏差信号E的5个模糊集与5个数值比较器之间的具体对应关系为：

当00H≤E≤33H时，认为E属于NB，仅COMP1的输出端E1为高电平“1”；

当33H＜E≤66H时，认为E属于NS，仅COMP2的输出端E2为高电平“1”；

当66H＜E≤99H时，认为E属于ZE，仅COMP3的输出端E3为高电平“1”；

当99H＜E≤CCH时，认为E属于PS，仅COMP4的输出端E4为高电平“1”；

当CCH＜E≤FFH时，认为E属于PB，仅COMP5的输出端E5为高电平“1”；

偏差变化率数据通道4由COMP6～COMP10五个第二比较器组成，第二比较器一个输入端与数据输入单元1的偏差变化率信号输出端口相连，另一个输入端分别与5个数值存储器的输出端相连。例如，COMP6的该输入端与数值存储器M1相连，COMP7的该输入端与数值存储器M2相连，依此类推。当输入偏差变化率信号EC时，偏差变化率数据通道4的五个第二比较器分别将输入的偏差变化率信号与5个数值存储器存储的数值进行比较，偏差变化率信号必然落入5个数值存储器存储的预设数值构成的5个模糊集中的一个，从而使一个第二比较器输出有效的选通信号。如图5所示，偏差变化率信号EC的5个模糊集与5个数值比较器之间的具体对应关系为：

当00H≤EC≤33H时，认为EC属于NB，仅COMP6的输出端EC1为高电平“1”；

当33H＜EC≤66H时，认为EC属于NS，仅COMP7的输出端EC2为高电平“1”；

当66H＜EC≤99H时，认为EC属于ZE，仅COMP8的输出端EC3为高电平“1”；

当99H＜EC≤CCH时，认为EC属于PS，仅COMP9的输出端EC4为高电平“1”；

当CCH＜EC≤FFH时，认为EC属于PB，仅COMP10的输出端EC5为高电平“1”；

为了基于两路选通信号实现三态缓冲器的二维查表操作，一共需要25个三态缓冲器单元，每个三态缓冲器单元包括依次串联的前三态缓冲器和后三态缓冲器，第一个三态缓冲器单元由前三态缓冲器S1和后三态缓冲器S26组成，第二个三态缓冲器单元由前三态缓冲器S2和后三态缓冲器S27组成，以此类推，因此共需要50个三态缓冲器。三态缓冲器阵列的控制端子与偏差数据通道3、偏差变化率数据通道4的比较器的输出端子之间的具体连接如下：

对于偏差数据通道3的COMP1～COMP5的输出端子E1～E5：

E1与前三态缓冲器S1、S2、S3、S4、S5的控制端子G₁和G₂相连；

E2与前三态缓冲器S6、S7、S8、S9、S10的控制端子G₁和G₂相连；

E3与前三态缓冲器S11、S12、S13、S14、S15的控制端子G₁和G₂相连；

E4与前三态缓冲器S16、S17、S18、S19、S20的控制端子G₁和G₂相连；

E5与前三态缓冲器S21、S22、S23、S24、S25的控制端子G₁和G₂相连；

对于偏差变化率数据通道4的COMP6～COMP10的输出端子EC1～EC5：

EC1与后三态缓冲器S26、S31、S36、S41、S46的控制端子G₁和G₂相连；

EC2与后三态缓冲器S27、S32、S37、S42、S47的控制端子G₁和G₂相连；

EC3与后三态缓冲器S28、S33、S38、S43、S48的控制端子G₁和G₂相连；

EC4与后三态缓冲器S29、S34、S39、S44、S49的控制端子G₁和G₂相连；

EC5与后三态缓冲器S30、S35、S40、S45、S50的控制端子G₁和G₂相连。

预设存储单元2的输出端子(Z_NB，Z_NS，Z_ZE，Z_PS，Z_PB)分别与数据选择单元5中三态缓冲器单元的数据输入端子(Z1～Z25)相连，具体的连接关系则取决于模糊控制规则表。在本实施例中，选用如图6所示的模糊控制规则表，表中括号内的记号与图3中的端子名称一致。根据图6，就可以得到如图7所示的预设存储单元2的输出端子(Z_NB，Z_NS，Z_ZE，Z_PS，Z_PB)与数据选择单元5中三态缓冲器单元的数据输入端子(Z1～Z25)的连接关系。

如图3所示，本实施例中为了减少电路尺寸，将预设存储单元2、偏差数据通道3、偏差变化率数据通道4和数据选择单元5采用可编程逻辑器件CPLD实现，此外在该CPLD上还集成了第一锁存器11、第二锁存器14和第三锁存器61。

现举具体数值(温度偏差e＝0.5V，温度偏差变化率ec＝2.8V)说明本发明的工作过程。根据仿人直觉推理方法，首先应将温度偏差e＝0.5V归属于一个模糊集，将温度偏差变化率ec＝2.8V亦归属于一个模糊集，然后根据比较器的输出结果选择预设数值并输出。针对此数据，本发明的具体工作过程如下：

第1步：当外部输入e＝0.5V的模拟温度偏差信号后，经过第一模数转换器11转换后得到数字偏差数据19H，在时钟CLK的配合下锁入第一锁存器12中。当外部输入e＝0.5V的温度偏差信号经过微分器13得到ec＝2.8V的模拟偏差变化率信号，经过第二模数转换器14转换后得到的数字偏差变化率数据8EH，同样地，在时钟CLK的配合下锁入第二锁存器15中。

第2步：偏差信号的数据19H与偏差数据通道3的5个第一比较器(COMP1、COMP2、COMP3、COMP4、COMP5)比较后，根据图4可知19H落在第一比较器COMP1相对应的模糊集内，因此唯有第一比较器COMP1的输出端子E1为高电平“1”，其余4个比较器的输出均为“0”。偏差变化率信号的数据A3H与偏差变化率数据通道4的5个第二比较器(COMP6、COMP7、COMP8、COMP9、COMP10)比较后，根据图5可知A3H落在第二比较器COMP9相对应的模糊集内，唯有第二比较器COMP9的输出端子EC4为高电平“1”，其余4个比较器的输出均为“0”。

第3步：在第一比较器COMP1的输出端子E1和第二比较器COMP9的输出端子EC4两个选通信号的作用下，由前三态缓冲器S4与后三态缓冲器S29所组成的三态缓冲器单元接通，即端子Z4与第三锁存器61接通，其余的三态缓冲器单元均呈高阻状态。

第4步：根据图7的连接关系，预设存储单元2中预设数据PS(CCH)的数值存储器的输出端Z_PS与Z4相连。因此由前三态缓冲器S4与后三态缓冲器S29所组成的三态缓冲器单元接通预设数据PS(CCH)的数值存储器的输出端Z_PS，从而预设数据CCH经过该三态缓冲器单元后，在时钟CLK的配合下锁入第三锁存器61中。

第5步：第三锁存器61输出的数据CCH经数模转换器62转换后输出模拟电压4.0V，此电压即为本实施例中的仿人直觉推理式模糊控制器的最终输出量。