专利名称：条件反射式仿人智能权函数模糊控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及模糊控制器，具体涉及条件反射式仿人智能权函数模糊控制器。
背景技术：
对于许多难以建立精确数学模型的不确定复杂的被控对象或过程，采用模糊控制策略是一种较好的选择。但就从模糊控制的实现方法来说，不论是用工控机、单片机和模糊控制芯片实现的模糊控制器都存在着一些缺点。
基于工控机的模糊控制具有体积庞大、成本高、配套设备多等缺点，特别是在组态软件上开发的模糊控制程序，扫描周期较长，通常达到0.2-3秒，不适合快连续量的控制。
然而，象冰箱、空调、微波炉、洗衣机、电饭宝等家用电器及其它机器装备由于体积、成本等因素的限制，常采用单片机等微型控制装置来开发所需要的模糊控制器。在模糊控制响应表、模糊控制查询表和解析模糊控制等理论基础上，应用单片机开发模糊控制器的难度已大大降低，但其外围设备的接口与驱动装置的设计等工作仍然非常烦琐。对中小规模企业来说，能熟练应用单片机等微型控制装置来实施模糊控制仍然具有一定难度，因而阻碍了模糊控制等智能控制的自动化技术在家用电器等行业微型设备上的推广应用。单片机虽能满足各种个性化的设计需要，但缺乏相应的工程标准，开发的模糊控制系统存在鲁棒性低、可靠性差和开发周期长等缺点。
目前，全世界有许多公司提供模糊控制芯片，具体应用时，要辅以相应外围设备，并进行二次开发；不同公司的产品，开发语言有较大差异，作为大规模的批量生产，成本都比较高。模糊控制芯片直接通过硬件实现模糊逻辑运算及推理，极大地提高了推理速度和控制精度，为模糊控制系统的硬件实现提供了强有力的工具。但模糊芯片的输入、输出以及模糊规则数目有限，与软件实现相比不够灵活，而且性能价格比也还不够理想。
总结以上模糊控制的硬件实现环节发现，基于工控机开发的模糊控制系统，具有成本高、体积庞大、响应速度低等缺点，难以进入家用电器领域和机器人等领域；应用单片机开发模糊控制系统，对开发者有较高的要求，并要求开发输入输出等接口电路，具有可靠性低、开发周期长等缺点；模糊控制芯片提供了一套相对简单的软件开发系统，但仍然存在接口电路开发等问题，应用于家用电器其成本也值得考虑。
在模糊控制响应表或模糊控制查询表基础上可以设计出结构简单、控制性能较好的模糊控制器。但从控制理论的角度理解，模糊控制响应表类似一种P控制，模糊控制查询表和模糊控制解析表达式都类似于PD控制，缺乏积分环节。因此，通常的模糊控制相对于其他控制策略，存在的缺点之一就是稳态精度较差。另一方面，仿人智能控制策略在对人的控制结构宏观模拟的基础上，研究人的控制行为功能并加以模拟实现，是当前研究智能控制的重要方向。同时，仿人智能控制的广大工程实践的成功应用也表明其有效性。如果以存储器的地址(如00H-FFH)作为自变量论域，对应存储单元存储的数字值作为函数值论域(00H-FFH)。存储器地址和对应存储单元数字之间就可以建立一种映射，这种映射可以实现散乱数据插值的函数逼近功能，逼近任何指定的非线性函数。如果地址的变化范围是00H-FFH，存储内容的数值范围也是00H-FFH，那么这种存储器地址映射就可以逼近一元函数。一般来说，存储器的地址位数较多，可以人为的分为高位地址和低位地址，如果以高位地址和低位地址共同寻址，通过存储器地址映射，还可以实现二元函数逼近器。对于三个自变量以上的函数，可以应用复合函数方法，分层次地址映射来实现多元函数逼近器的功能。所有信号的转换、传输都是在时序脉冲的控制作用下完成的，反应速度极快，其控制原理，类似于生理上的条件反射，不通过人脑等中枢神经系统。
仿人智能权函数模糊控制实际上是一种模糊控制算法，其公式为U＝U0+ΔU，其中ΔU=|E||E|+|CE|E|CE||E|+|CE|CE]]>式中，误差E与误差变化率CE的加权得到当前工作周期(一个工作周期为两个A/D转换时钟周期)的输出控制量的增量ΔU，ΔU再与前一个工作周期的输出保持量U0累加就得到当前工作周期实时输出控制量U。为了便于理解，可将智能权函数算法与传统PID算法对应起来。增量ΔU的计算涉及到误差E及误差变化率CE，这对应传统PID算法中的PD运算，即比例微分运算；当前工作周期的输出控制量U总是等于前一个工作周期的输出控制量U0与当前工作周期的输出控制量的增量ΔU的累加，这可对应传统PID算法中的I运算，即积分运算。
发明内容
针对现有的模糊控制硬件实现烦琐及模糊控制查询表算法稳态精度差的问题，本发明的目的是提供一种条件反射式仿人智能权函数模糊控制器，它通过分层次存储器地址映射实现仿人智能权函数模糊控制算法，能显著提高控制系统的稳态精度；电路简单、体积小；响应速度快，类似于生理上的条件反射；应用简单，直接连接驱动执行单元和传感/变送装置即可。适用于快连续量的运动控制，特别适用于体积较小的电器设备的模糊控制。
本发明所述的条件反射式仿人智能权函数模糊控制器，包括设在线路板上的模糊电路，其特征是模糊控制电路由第一A/D转换器IC1、第二A/D转换器IC2、与第一A/D转换器和第二A/D转换器连接的第一存储器IC3、与第一存储器连接的第一锁存器IC4和第二锁存器IC5、与第一锁存器和第二锁存器连接的第二存储器IC6、与第二存储器连接的第三锁存器IC7、与第三锁存器连接的第三存储器IC8、与第三存储器连接的第四存储器IC9和第四锁存器IC10、与第四锁存器和第三存储器连接的第五锁存器IC11、与第四存储器连接的第六锁存器IC12、与第六锁存器连接的D/A转换器IC13和时序控制电路IC14组成；时序控制电路IC14的输出端1与第一A/D转换器IC1和第二A/D转换器IC2连接，时序控制电路IC14的输出端2与第二锁存器IC5和第六锁存器IC12连接，时序控制电路IC14的输出端3与第一锁存器IC4、第三锁存器IC7、第四锁存器IC10及第五锁存器IC11连接；模糊控制电路的1脚和2脚与电源连接，3脚、4脚、5脚与被控对象中的电位器连接，6脚和7脚与传感器/变送器连接，8脚和9脚与驱动执行单元连接，驱动执行单元与被控对象连接。本发明的模糊控制电路可以集成在一块芯片上，其体积更小，可靠性更高。
本发明克服了传统计算机原理的存储器存储内容与地址无关的缺点。整个控制器没有用任何复杂的电路或芯片，更没有使用CPU，具有造价低、体积小、应用简单等优点。执行一次完整响应所花费的时间等于A/D转换器的2个转换周期，响应速度比基于工业控制组态软件的控制系统快，完全可以迅速的纠正误差，特别适宜一些快连续量的运动控制。同时由于采用了智能权函数模糊控制算法，从而进一步克服了通常的模糊控制查询表算法在稳态精度方面的不足。也因为体积小，成本低，也非常适宜广大家用电器实现模糊控制。
图1是仿人智能权函数模糊控制器电路框图。
图2是控制逻辑时序图。
图3是本发明的电路图。
具体实施例方式
参见图1，本发明的工作过程是第一A/D转换器IC1接收被控对象中电位器的给定模拟信号，第二A/D转换器IC2接收传感/变送器的反馈模拟信号，分别将它们转变成为数字信号，由第一A/D转换器IC1转换得到的8位数字信号(其范围是00H-FFH)作为第一存储器IC3的高8位地址，由第二A/D转换器IC2转换得到的8位数字信号(其范围是00H-FFH)作为第一存储器IC3的低8位地址，共同寻址，形成16位地址A。第一存储器IC3的地址映射实现被控对象电位器给定信号减去反馈信号的函数，减法运算的函数值预先存储在第一存储器IC3的指定位置，存储器各单元地址的数据写入方法如下第一步，任意给定16位存储器地址，分解成高8位地址和低8位地址；第二步，分别计算出这两个8位地址的十进制值，其范围是{0-+255}；第三步，把高8位地址对应的十进制值减去低8位地址对应的十进制值，即得到给定信号与反馈信号比较得到的误差，其范围是{-255-+255}，但存储器中存储的是8位二进制值，其范围是{-127-+127}，因此，应该作一个限幅处理，当误差小于-127时，取为-127，当误差大于+127时，取为+127；第四步，把第三步得到的误差数值转变为十六进制或二进制，写入该存储器地址对应的存储单元中。
用第一锁存器IC4和第二锁存器IC5从第一存储器IC3取每连续两次的数字化误差E(2N)和E(2N+1)分别作为第二存储器IC6的高位地址和低位地址，通过第二存储器IC6的地址映射，实现比例微分运算，获得当前工作周期的输出控制量增量ΔU，比例微分运算的函数值预先存储在第二存储器IC6的指定位置，存储器各单元地址的数据写入方法如下
第一步，任意给定存储器地址；第二步，分别计算出该地址高8位和低8位十进制值，即E(2N)和E(2N+1)，其范围是{-127-+127}；第三步，E＝E(2N+1)，CE＝E(2N+1)-E(2N)；第四步，根据比例微分运算函数ΔU=|E||E|+|CE|E+|CE||E|+|CE|CE,]]>得到输出控制量增量ΔU的十进制值，其范围限制在{-127-+127}，如果小于-127，则取-127，如果大于+127，则取+127；第五步，把该数值转变为十六进制或二进制，写入给定存储器地址对应的存储单元中。
然后，将第二存储器IC6的输出数据ΔU，通过第三锁存器IC7输入第三存储器IC8作为低8位地址，第三存储器IC8的前一次输出值U0一方面作为输出控制量，并作为第四存储器IC9的地址，另一方面在第四锁存器IC10和第五锁存器IC11的联合控制作用下，返回作为第三存储器IC8的高位地址，高8位地址和低8位地址共同寻址，从而实现U＝U0+ΔU的积分保持运算。第三存储器IC8中各单元地址的数据写入方法如下第一步，任意给定16位存储器地址，分解成高8位地址和低8位地址；第二步，分别计算出这两个8位地址的十进制值，其范围是{-127-+127}；第三步，把高8位地址对应的十进制值加上低8位地址对应的十进制值，即得到输出控制量U的数值，其范围是{-127-+127}。当U的数值超出-127时，均作为-127处理；当U的数值超出+127时，均作为+127处理。
第四步，把该数值转变为十六进制或二进制，写入该存储器地址对应的存储单元中。
将第二存储器IC6第K次地址映射送来的数据ΔU作为第三存储器里IC8的低8位地址(00H-FFH)，定义U0为第三存储器IC8第K-1次地址映射输出的数据，并再次作为第三存储器IC8第K次地址映射高8位地址(00H-FFH)，共同寻址形成的16位地址去查询该地址(0000H-FFFFH)所对应的数据，实现积分运算U＝U0+ΔU，然后输出控制量U，其范围是{-127-+127}。这种输出控制量的正负性，是设计者人为定义的，设计者定义8位二进制数的最高位为1时，认为它是负，8位二进制数的最高位为0时，认为它是正。如果把该控制量的数字信号直接输出，并通过D/A转换，则会把11111111B转换成最大的模拟信号(如5V)，把00000000B转换成最小的模拟信号(如0V或-5V)。因此，把第三存储器IC8的输出控制量U的数字信号，其范围是{-127-+127}，作为第四存储器IC9的输入地址，通过第四存储器IC9的地址映射把范围是{-127-+127}的输出控制量线性映射到范围是{0-+255}的输出控制量。第四存储器IC9中各单元地址的数据写入方法如下第一步，任意给定8位存储器地址，其范围是{-127-+127}；第二步，把高8位地址对应的十进制值，其范围是{-127-+127}，线性映射到{0-+255}范围，如-127映射为0，+127映射为255；第三步，把该数值转变为十六进制或二进制，写入该存储器地址对应的存储单元中。
把第三存储器IC9的输出值锁存在第六锁存器IC12中，在时序脉冲控制下输入到D/A转换器IC13中，最终转换成0-5V的模拟控制信号(也可以是-5V-+5V)，输入到驱动执行装置，直接控制被控对象。
以上所述的第一A/D转换器IC1、第二A/D转换器IC2、第一存储器IC3、第一锁存器IC4、第二锁存器IC5、第三锁存器IC7、第四锁存器IC10、第五锁存器IC11、第六锁存器IC12都是在时序控制电路IC14的控制作用下工作的，它们的时序脉冲参见图2。
参见图3，以本发明应用在直流不可逆电机调速上为例，模糊控制器的1脚和2脚与电源连接，3脚、4脚和5脚与调速电位器连接，6脚和7脚与转速/电压传感器连接，8脚和9脚与晶闸管触发装置GT的控制电压输入端连接。当用户通过调速电位器设定一个转速后，模糊控制器即得到一个相应的电压给定，该给定与测量变送装置送入反馈输入端的反馈值相比较，得到误差，经模糊控制器处理就可得到相应的输出控制量，该控制量作为晶闸管触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位从而改变整流输出电压实现电机调速，以使直流电机达到用户所需的转速。
权利要求
1.条件反射式仿人智能权函数模糊控制器，包括设在线路板上的模糊电路，其特征是模糊控制电路由第一A/D转换器(IC1)、第二A/D转换器(IC2)、与第一A/D转换器和第二A/D转换器连接的第一存储器(IC3)、与第一存储器连接的第一锁存器(IC4)和第二锁存器(IC5)、与第一锁存器和第二锁存器连接的第二存储器(IC6)、与第二存储器连接的第三锁存器(IC7)、与第三锁存器连接的第三存储器(IC8)、与第三存储器连接的第四存储器(IC9)和第四锁存器(IC10)、与第四锁存器和第三存储器连接的第五锁存器(IC11)、与第四存储器连接的第六锁存器(IC12)、与第六锁存器连接的D/A转换器(IC13)和时序控制电路(IC14)组成；时序控制电路(IC14)的输出端1与第一A/D转换器(IC1)和第二A/D转换器(IC2)连接，时序控制电路(IC14)的输出端2与第二锁存器(IC5)和第六锁存器(IC12)连接，时序控制电路(IC14)的输出端3与第一锁存器(IC4)、第三锁存器(IC7)、第四锁存器(IC10)及第五锁存器(IC11)连接；模糊控制电路的1脚和2脚与电源连接，3脚、4脚、5脚与被控对象中的电位器连接，6脚和7脚与传感器/变送器连接，8脚和9脚与驱动执行单元连接，驱动执行单元与被控对象连接。
2.根据权利要求1所述的条件反射式仿人智能权函数模糊控制器，其特征在于模糊控制电路可以集成在一块芯片上。
全文摘要
本发明涉及条件反射式仿人智能权函数模糊控制器，其特征是模糊控制电路由第一A/D转换器IC
文档编号G05B13/02GK1912780SQ20051005722
公开日2007年2月14日 申请日期2005年8月11日 优先权日2005年8月11日
发明者李太福, 张睿, 张 林 申请人:重庆工学院