人工智能实验报告
人工智能实验报告 实验名称模糊方法实现电热箱的闭环控制实验 模糊逻辑控制Fuzzy Logic Control简称模糊控制Fuzzy Control,是以模糊集合论、模 糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965 年,美国的 L.A.Zadeh 创立了模糊集合论;1973 年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974 年,英国的 E.H.Mamdani 首先用模糊控制语句组成模糊控制器,并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制,在 实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。 模糊控制实质上是一种非线性控制, 从属于智能控制的范畴。 模糊控制的一大特点是既 具有系统化的理论, 又有着大量实际应用背景。 模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻 力;然而在东方尤其是在日本,却得到了迅速而广泛的推广应用。近 20 多年来,模糊控制 不论从理论上还是技术上都有了长足的进步, 成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累 累的分支。 其典型应用的例子涉及生产和生活的许多方面, 例如在家用电器设备中有模糊洗 衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等;在工业控制领域中有水净化处理、发酵 过程、化学反应釜、水泥窑炉等的模糊控制;在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车 驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等。 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的微机数字控制。它 能模拟人的思维,构成一种非线性控制,以满足复杂的、不确定的过程控制的需要,是一种典型 的智能控制。 模糊控制系统类似于常规的微机控制系统,如下图所示 图 1 模糊控制系统的构成图 一、实验目的 1. 学习由已知对象建立一个双入单出模糊控制器; 2. 掌握利用模糊控制器实现温度控制的方法。 二、实验原理及内容 模糊控制器最常用的都是二维的,其输入变量有两个X1,X2,输出变量只有一个Y。在 实际控制系统中,X1一般取为误差信号,X2一般取误差的变化,由于同时考虑到误差和误差变 化的影响,所以才能保证系统稳定,不致于产生振荡。模糊控制系统的方框图如下图所示 图 2 模糊控制系统结构框图 图中,E 为实际误差,EC 为实际误差变化,U 为控制量。下面就以电热箱为控制对象,介绍 双入单出模糊控制器的设计。 1. 模糊控制器设计 1 模糊化 误差 E∈[-30℃,230℃],且 L=7,误差的比例因子 α7/230,这样就有 EαE 。采用就近取整 原则,得 E 的论域为X{-1,0,1,2,3,4,5}。 而误差的语言变量在论域 X 中有 7 个语言值,即 含义 正大大大 正大大 正大 正中 正小 零 负小 符号 PBBB PBB PB PM PS ZO NS 误差变化 EC∈[0℃,9℃],且 L=6,误差的比例因子 β6/9,这样就有 ECβEC 。同样得到 EC 的论域为EC{0,1,2,3,4,5}。 符号 ZO PS PM PB PB PBBB 输出量 U 的基本论域为U{7fH,66H,4dH,34H,19H,00H}。 符号 ZO PS PM PB PB PBBB 2 模糊控制表 表 1 模糊控制系统结构框图 为便于控制,使系统在微机实时控制中在线运行,可事先对各种误差和误差变化用微机离 线计算好一个控制表,如上表所示。按测量输入的误差E和误差变化EC,查模糊控制表就可 输出控制量U,完成控制温度的任务。模糊控制器里的模糊控制规则表是基于手动操作经验 来建立的,而另一个与模糊控制表有关的还有模糊化接口和清晰化接口,也即误差E、 误差变 化EC、控制量U三个变量的论域的设定。这些都需要通过不断的做实验,从实验中找到反 馈值和控制量之间的关系和规律,才能找到比较合适的论域。 2. 模糊控制器实验线路图设计 参照图 2 的模糊控制系统框图,设计如下图所示的实验线路图 图 3 模糊控制器实验线路图 以 8088 控制机中的 8255 PB0 口输出的 PWM 脉冲信号为控制量,经驱动电路驱动固态继 电器的吸合使电烤箱加热。 温度测量使用了 10K 热敏电阻,经 A/D 转换构成反馈量,在参数给 定的情况下,经双入单出模糊控制器,由误差E、误差变化EC查找模糊控制规则表得到相应 的控制量,使烤箱温度稳定在给定值。其中 OPKLK 为 1.1625MHz 时钟信号,经 8253 的 2 号 通道分频输出 10ms 的方波,一方面作为 A/D 的定时启动信号,一方面接入 8259 产生 IRQ6 中 断,作为系统采样时钟。 3. 模糊控制器的实现 下图是模糊控制器实现的参考程序流程图 图 4 参考程序流程图 主程序主要完成系统初始化、查表并输出控制量等功能;IRQ7 中断子程序是为了处理 A/D 转换完后产生的中断;IRQ6 中断子程序是为了给采样周期计时,并且每一次中断产生一 次 PWM 脉冲。 三、实验设备 1. 电热箱一台; 2. PC 机一台,TD-ACC 系列教学实验系统一套。 四、实验步骤 1. 参考流程图编写程序,汇编、链接、装载; 2. 按照图 3 接线,检查接线无误后,运行程序; 3. 用系统提供的专用图形显示窗口观察响应曲线,记录超调和过渡时间。 五.实验图表 六、实验分析 模糊控制器的设计内容 1.选择模糊控制器的设计内容与原则 一般选取误差信号 E(或 e)和误差变化信号 EC或 ec作为模糊控制器的输入变量,而把受 控变量的变化 y 作为输出变量。 2.选取模糊控制的规则 (1)选择描述控制器输入和输出变量的语义词汇。 (2)规定模糊集。 (3)确定模糊控制状态表。 3.确定模糊化的解模糊策略,制定控制表。 在求得误差和误差变化的模糊集 E 和 EC 之后,控制量的模糊集 U 可由模糊推理综合算法 获得 UEECR 式中R 为模糊关系矩阵。控制量的模糊集 U 可被变换为精确值。 4.确定模糊控制器的参数 模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验, 而这些经验多是用语言表达的 具有相当模糊性的控制规则。 模糊控制器Fuzzy Controller,即 FC获得巨大成功的主要原因 在于它具有如下一些突出特点 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。 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。 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;但一个系统的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。 模糊控制算法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。 模糊控制系统的鲁