模糊控制算法单片机实现
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与此相反，对这类常规办法难以控制的对象，有经验的操作人员手动控制， 却往往可以收到较为满意的控制效果。模糊控制的基本思想［２２－２５］就是利用计算 机来实现人的控制经验。而人的控制经验～般由语言来表达的，这些语言表达的 控制规则又带有相当的模糊性。我们可以用模糊数学的方法来描述过程变量以及 它们之间的关系，又可以根据这种模糊关系及某时刻过程变量的检测值（需化成 模糊量）用模糊推理的办法得出此时刻的控制量。这即是模糊控制的基本思路。
去设计一‘个自动控制系统，都需要事先建立被控对象的数学模型，要知道模型的 结｛＿ｉＪ、层次、参数等等ｍ４”。在此基础｝二合理选择控制策略，进行控制器的设 汁。然而，大量事实告诉我们，在ｒｌ：多情况下，被控对象由于其过程复杂，机理 有不Ｉ¨ｊ之处，缺乏必要的检测手段或者测试装－置不能进入被测区域等等各种原 因．致使无法建立被控过程的数学模型。这类过程的变量多，过程往往具有非线 性，强耦合等特点，各种参数也往往存在时变性。因此要建立这类过程的数学模 型非常蚓难，甚至是不可能。虽然我们已经有了对付非线性、时变参数系统的方 法，但是有些场合因为许多因素结合在一起，使问题解法复杂化以至缺乏使用价 值。因此，用经典控制理论和现代控制理论解决这类对象的控制往往难以奏效， 得不到满意的控制效果。
１．２本文的研究目的及意义
押出机是电线电缆工业中为电线电缆制作绝缘外皮的生产设备。制作电线电 缆绝缘外皮是整个电线电缆生产工艺流程中要求最高、难度最大的核心技术。我 国现行的众多电线电缆成套设备生产厂家，广泛采用基于ＰＬＣ的自动控制系统 １２¨”。这种系统虽然有设计方便快捷、开发周期短等独特优点，但却存在着自 动化程度低、生产精度不高和可靠性差的突出缺陷。一方面，系统在开机和运行 期阳ｊ都必须配备专门的操作人员不问断地监视系统的运行状况，并且做频繁地操 作：系统无法脱离操作人员而实现程度更高的自动控制，它在本质上是一个缺陷 很多的开环控制系统。自动化程度低的主要原因是：系统本身是一个建模十分困 难、迟滞严重的多输入多输出，并且输出之间关联复杂的系统，很难实现比较理 想的ＰＩＤ闭环控制。另一方面，系统大多运用模拟量控制，模拟量参数易受生产 现场的恶劣环境的干扰，致使系统的生产精度低，可靠性差。
而采用基于单片机的模糊控制系统能够回避对复杂的被控对象——押出机 的建模问题，将熟练操作人员的操作经验转换化成全面而精炼的模糊控制规则，
形成模糊语言‘控制器，对被控对象进行自动化程度较高的自动控制。另外，在该 系统中采用基于数字通信的ＳＣｌ串行总线控制代替基于ＰＬＣ押出机控制系统中的 模拟量控制，能够提高系统生产的精度和可靠性，而且系统布线简洁，生产、安 装和维修方便。
ｈａｎｄ，ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｂｊｅｃｔ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｑｕｉｔｅ ａ ｆｅｗ
ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｖａｒｉａｂｌｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｕｔｐｕｔ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｉｓ ｃｌｏｓｅ， ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｎｏｔ ｈｉｇｈ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ．Ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ａｄｏｐｔｓ ａｎａｌｏｇ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｌｏｗ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｂａｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．
关键词：模糊控制；单片机；押出机；串行通信
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｄｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｃａｂｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｎｏｗａｄａｙｓ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｃａｂｌｅ ｆａｃｔｏｒｉｅｓ ｍｏｓｔｌｙ ａｄｏｐｔ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ．Ｏｎ ｏｎｅ
我国在模糊控制理论方面的研究处于世界先进水平【ｌ卜№】，先后出版了几十 本有关模糊理论方面的书籍，每年发表的研究论文也非常之多，相比之下工程技 术应用则相对较弱。近年来，计算机技术的发展给模糊技术的推广应用带来了美 好前景，模糊技术在我国逐步从理论殿堂走入工程应用，不断深入发展。
自动控制理论从诞生发展到现今，其理论丰富而成熟，在各行各业的控制应 用中起到了不可或缺的作用。但无论是采用经典控制理论还是采用现代控制理论
本文的研究工作主要包括以下几个方面： １）分析、比较了模糊控制器的设计方法和模糊控制系统的单片机实现方法， 并运用模糊数学的推理方法从理论上证明了其正确性和可行性。 ２）指出了现行的基于ＰＬＣ的押出机自动控制系统存在的不足，并分析了其 根本原因，在此基础上提出了基ｊ二单片机的模糊控制系统，从理论上给出了其可 行性和有效性。 ３）对押出机模糊控制系统控制器进行了全面、系统地设计。在总结熟练操 作人员的经验的攮础上，得出完整而简洁的模糊控制规则，运用模糊推理的方法 并结合大量的数学运算离线计算出了比较可行的模糊控制查询表：给出了基于单 片机的押山机模糊控制系统核心控制部分的硬件电路、软件实现方法和程序流程 图。
１．３本文的内容安排及主要研究工作
本文的第一章为绪论；第二章介绍模糊控制的基础理论知识，包括模糊数学 基础和模糊控制系统理论基础；第三章讲述模糊控制器的设计及算法的实现途 径：第四章论述模糊控制的单片机实现方法，并简要介绍了ＭＯＴＯＲＯＬＡ ＭＣ６８ＨＣ０５８６单片机的重要特性：第五章给出了基于单片机的押出机模糊控制 系统的控制器设计和模糊控制核心部分的软硬件实现方法。
湖南大学 硕士学位论文 模糊控制的单片机实现研究 姓名：鲁远耀 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：陈宗穆
20020101
摘要
押出机是电线电缆工业中的核心设备，现行的电线电缆成套设备生产厂家广 泛采用基于ＰＬＣ的自动控制系统。一方面，由于被控对象建模复杂，输入输出变 量多，并且输出变量之间关联性强等原因，基于ＰＬＣ的控制系统普遍存在着自动 化程度低的突出问题。另一方面，这种系统采用传统的模拟量和开关量控制，致‘ 使系统的生产精度低，可靠性差。本文从模糊控制的基础理论出发，对模糊控制 器的设计方法、模糊控制的单片机实现方法进行了分析和对比研究，在此基础上 提出了基于ＭＯＴＯＲＯＬＡ ＭＣ６８ＨＣ０５８６单片机的押出机模糊控制系统。文章首先设 计出了４输入２输出的模糊控制器，其模糊控制规则能够比较有效地模仿熟练操 作人员的经验，合理解决输出的强关联性问题。然后利用模糊逻辑推理的方法， 结合大量的数学运算，离线计算出了简洁方便的模糊控制查询表。最后给出了模 糊控制查询的单片机实现方法及押出机模糊控制系统的核心控制部分的硬件电 路和软件流程。采用模糊控制的押出机自动控制系统，能够大大提高生产的自动 化程度，可实现～个操作工人轻松控制多条生产流水线，较大地提高劳动生产率。 另外，系统采用基于ＳＣＩ串行通信总线的数字控制，代替原系统中的模拟量和丌 关量控制，能够有效提高系统的生产精度，改善系统的可靠性。本文的研究对我 国电线电缆工业成套设备的设计和生产具有一定的指导意义，如做进一步的研究 和调试，将具有较大的经济价值。
Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ａｎｄ
ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｙ ＳＣＭ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｗｈｉｃｈ，ａ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｅｘｔｒｕｄｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＯＴＯＲＯＬＡ ＭＣ６８ＨＣ０５８６ ＳＣＭ ｉｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ａ ４ ｉｎｐｕｔ－２ ｏｕｔｐｕｔ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｈｏｓｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｕｌｅｓ ｃａｎ ｉｍｉｔａｔｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｈｃｅ ｏｆ ａ ｓｋｉｌｌｅｄ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｎ ａ ｃｏｎｃｉｓｅ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｏｆｆ－ｌｉｎｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ
Ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｅｘｔｒｕｄｅｒ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃａｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｅ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｗｈｉｃｈ ｏｎｅ ｗｏｒｋｅｒ Ｃａｌｌ ｏｐｅｒａｔｅ ｓｅｖｅｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｌｉｎｅｓ ｅａｓｉｌｙ，ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｃａｎ ｂｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｆａｉｒｌｙ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｎａｌｏｇ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｐｌａｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ Ｃａｎ ｂｅｎｅｆｉｔ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｅｔ’Ｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｅ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｃａｂｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａｎｄ ｉｔ ｗｉｌｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｑｕｉｔｅ ｇｒｅａｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｖａｌｕｅ ｗｉｔｈ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｂｕｇ ｗｏｒｋ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｘｔｒｕｄｅｒ；ＳＣＭ；ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
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第一章绪论
１．１引言
１９６５年美国伯克利加州大学教授扎德发表了著名的论文｛Ｆｕｚｚｙ Ｓｅｔｓ》提 出了模糊性问题，给出了其定量的描述方法，从而模糊数学诞生了。模糊数学不 是使数学变得模模糊糊，而是让数学进入模糊现象这个客观存在的世界，用数学 的方法去描述模糊现象，揭示模糊现象的本质和规律Ｉｌｑ】。模糊数学在经典数学 和充满模糊性的现实世界之间架起了一‘座桥梁【４０】。
ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｋｕｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒｔ ｏｆｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｅｘｔｒｕｄｅｒ．
模糊数学在短短３０年的时间里得到了长足的发展，在理论和应用中取得了 令人刮目的成果１２ｊｌ”。模糊数学的应用领域涉及自动控制、图像和文字识别、人。 工智能、地质地震、医疗诊断、气象分析、航空航天、火车汽车驾驶、交通管理、 决策评价、企业管理和社会经济等等很多方面。
在自动化技术中的应用是模糊数学非常活跃而又硕果累累的一个领域【６“。 著名的自动控制权威Ａｕｓｔｒｏｍ曾经指出：模糊逻辑控制、神经网络控制与专家控 制是三种典型的智能控制方法【ｌ ｏＪ。１９７４年英国学者Ｅ．Ｈ．Ｍａｍｄａｎｉ开模糊控制 之先河，将模糊控制理论应用于热电厂的蒸汽机控制。１９８７年日本仙台市模糊 控制的地铁电力机车自动运输系统投入运行，是模糊控制成功地应用于自动控制 领域的一个光彩夺目的范例。９０年代初，模糊家电风靡日本，给日本企业带来 了巨大的商业效益。日本的成功带动了欧美和其它国家，促进了模糊技术的发展。 １９８５年世界第一块模糊逻辑芯片在美国贝尔实验室问世，这是模糊技术的又一 里程碑。日本、美国、德国等许多著名的公司都积极从事这方面的研究…““，推 出了许多商品化的模糊逻辑芯片。这给模糊技术的应用特别是在控制领域中的应 用注入了新的活力，开辟了诱人的前景。
去设计一‘个自动控制系统，都需要事先建立被控对象的数学模型，要知道模型的 结｛＿ｉＪ、层次、参数等等ｍ４”。在此基础｝二合理选择控制策略，进行控制器的设 汁。然而，大量事实告诉我们，在ｒｌ：多情况下，被控对象由于其过程复杂，机理 有不Ｉ¨ｊ之处，缺乏必要的检测手段或者测试装－置不能进入被测区域等等各种原 因．致使无法建立被控过程的数学模型。这类过程的变量多，过程往往具有非线 性，强耦合等特点，各种参数也往往存在时变性。因此要建立这类过程的数学模 型非常蚓难，甚至是不可能。虽然我们已经有了对付非线性、时变参数系统的方 法，但是有些场合因为许多因素结合在一起，使问题解法复杂化以至缺乏使用价 值。因此，用经典控制理论和现代控制理论解决这类对象的控制往往难以奏效， 得不到满意的控制效果。
１．２本文的研究目的及意义
押出机是电线电缆工业中为电线电缆制作绝缘外皮的生产设备。制作电线电 缆绝缘外皮是整个电线电缆生产工艺流程中要求最高、难度最大的核心技术。我 国现行的众多电线电缆成套设备生产厂家，广泛采用基于ＰＬＣ的自动控制系统 １２¨”。这种系统虽然有设计方便快捷、开发周期短等独特优点，但却存在着自 动化程度低、生产精度不高和可靠性差的突出缺陷。一方面，系统在开机和运行 期阳ｊ都必须配备专门的操作人员不问断地监视系统的运行状况，并且做频繁地操 作：系统无法脱离操作人员而实现程度更高的自动控制，它在本质上是一个缺陷 很多的开环控制系统。自动化程度低的主要原因是：系统本身是一个建模十分困 难、迟滞严重的多输入多输出，并且输出之间关联复杂的系统，很难实现比较理 想的ＰＩＤ闭环控制。另一方面，系统大多运用模拟量控制，模拟量参数易受生产 现场的恶劣环境的干扰，致使系统的生产精度低，可靠性差。
而采用基于单片机的模糊控制系统能够回避对复杂的被控对象——押出机 的建模问题，将熟练操作人员的操作经验转换化成全面而精炼的模糊控制规则，
形成模糊语言‘控制器，对被控对象进行自动化程度较高的自动控制。另外，在该 系统中采用基于数字通信的ＳＣｌ串行总线控制代替基于ＰＬＣ押出机控制系统中的 模拟量控制，能够提高系统生产的精度和可靠性，而且系统布线简洁，生产、安 装和维修方便。
ｈａｎｄ，ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｂｊｅｃｔ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｑｕｉｔｅ ａ ｆｅｗ
ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｖａｒｉａｂｌｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｕｔｐｕｔ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｉｓ ｃｌｏｓｅ， ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｎｏｔ ｈｉｇｈ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ．Ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ａｄｏｐｔｓ ａｎａｌｏｇ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｌｏｗ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｂａｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．
关键词：模糊控制；单片机；押出机；串行通信
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｄｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｃａｂｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｎｏｗａｄａｙｓ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｃａｂｌｅ ｆａｃｔｏｒｉｅｓ ｍｏｓｔｌｙ ａｄｏｐｔ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ．Ｏｎ ｏｎｅ
我国在模糊控制理论方面的研究处于世界先进水平【ｌ卜№】，先后出版了几十 本有关模糊理论方面的书籍，每年发表的研究论文也非常之多，相比之下工程技 术应用则相对较弱。近年来，计算机技术的发展给模糊技术的推广应用带来了美 好前景，模糊技术在我国逐步从理论殿堂走入工程应用，不断深入发展。
自动控制理论从诞生发展到现今，其理论丰富而成熟，在各行各业的控制应 用中起到了不可或缺的作用。但无论是采用经典控制理论还是采用现代控制理论
本文的研究工作主要包括以下几个方面： １）分析、比较了模糊控制器的设计方法和模糊控制系统的单片机实现方法， 并运用模糊数学的推理方法从理论上证明了其正确性和可行性。 ２）指出了现行的基于ＰＬＣ的押出机自动控制系统存在的不足，并分析了其 根本原因，在此基础上提出了基ｊ二单片机的模糊控制系统，从理论上给出了其可 行性和有效性。 ３）对押出机模糊控制系统控制器进行了全面、系统地设计。在总结熟练操 作人员的经验的攮础上，得出完整而简洁的模糊控制规则，运用模糊推理的方法 并结合大量的数学运算离线计算出了比较可行的模糊控制查询表：给出了基于单 片机的押山机模糊控制系统核心控制部分的硬件电路、软件实现方法和程序流程 图。
１．３本文的内容安排及主要研究工作
本文的第一章为绪论；第二章介绍模糊控制的基础理论知识，包括模糊数学 基础和模糊控制系统理论基础；第三章讲述模糊控制器的设计及算法的实现途 径：第四章论述模糊控制的单片机实现方法，并简要介绍了ＭＯＴＯＲＯＬＡ ＭＣ６８ＨＣ０５８６单片机的重要特性：第五章给出了基于单片机的押出机模糊控制 系统的控制器设计和模糊控制核心部分的软硬件实现方法。
湖南大学 硕士学位论文 模糊控制的单片机实现研究 姓名：鲁远耀 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：陈宗穆
20020101
摘要
押出机是电线电缆工业中的核心设备，现行的电线电缆成套设备生产厂家广 泛采用基于ＰＬＣ的自动控制系统。一方面，由于被控对象建模复杂，输入输出变 量多，并且输出变量之间关联性强等原因，基于ＰＬＣ的控制系统普遍存在着自动 化程度低的突出问题。另一方面，这种系统采用传统的模拟量和开关量控制，致‘ 使系统的生产精度低，可靠性差。本文从模糊控制的基础理论出发，对模糊控制 器的设计方法、模糊控制的单片机实现方法进行了分析和对比研究，在此基础上 提出了基于ＭＯＴＯＲＯＬＡ ＭＣ６８ＨＣ０５８６单片机的押出机模糊控制系统。文章首先设 计出了４输入２输出的模糊控制器，其模糊控制规则能够比较有效地模仿熟练操 作人员的经验，合理解决输出的强关联性问题。然后利用模糊逻辑推理的方法， 结合大量的数学运算，离线计算出了简洁方便的模糊控制查询表。最后给出了模 糊控制查询的单片机实现方法及押出机模糊控制系统的核心控制部分的硬件电 路和软件流程。采用模糊控制的押出机自动控制系统，能够大大提高生产的自动 化程度，可实现～个操作工人轻松控制多条生产流水线，较大地提高劳动生产率。 另外，系统采用基于ＳＣＩ串行通信总线的数字控制，代替原系统中的模拟量和丌 关量控制，能够有效提高系统的生产精度，改善系统的可靠性。本文的研究对我 国电线电缆工业成套设备的设计和生产具有一定的指导意义，如做进一步的研究 和调试，将具有较大的经济价值。
Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ａｎｄ
ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｙ ＳＣＭ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｗｈｉｃｈ，ａ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｅｘｔｒｕｄｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＯＴＯＲＯＬＡ ＭＣ６８ＨＣ０５８６ ＳＣＭ ｉｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ａ ４ ｉｎｐｕｔ－２ ｏｕｔｐｕｔ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｈｏｓｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｕｌｅｓ ｃａｎ ｉｍｉｔａｔｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｈｃｅ ｏｆ ａ ｓｋｉｌｌｅｄ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｎ ａ ｃｏｎｃｉｓｅ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｏｆｆ－ｌｉｎｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ
Ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｅｘｔｒｕｄｅｒ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃａｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｅ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｗｈｉｃｈ ｏｎｅ ｗｏｒｋｅｒ Ｃａｌｌ ｏｐｅｒａｔｅ ｓｅｖｅｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｌｉｎｅｓ ｅａｓｉｌｙ，ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｃａｎ ｂｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｆａｉｒｌｙ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｎａｌｏｇ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｐｌａｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ Ｃａｎ ｂｅｎｅｆｉｔ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｅｔ’Ｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｅ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｃａｂｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａｎｄ ｉｔ ｗｉｌｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｑｕｉｔｅ ｇｒｅａｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｖａｌｕｅ ｗｉｔｈ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｂｕｇ ｗｏｒｋ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｘｔｒｕｄｅｒ；ＳＣＭ；ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
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第一章绪论
１．１引言
１９６５年美国伯克利加州大学教授扎德发表了著名的论文｛Ｆｕｚｚｙ Ｓｅｔｓ》提 出了模糊性问题，给出了其定量的描述方法，从而模糊数学诞生了。模糊数学不 是使数学变得模模糊糊，而是让数学进入模糊现象这个客观存在的世界，用数学 的方法去描述模糊现象，揭示模糊现象的本质和规律Ｉｌｑ】。模糊数学在经典数学 和充满模糊性的现实世界之间架起了一‘座桥梁【４０】。
ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｋｕｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒｔ ｏｆｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｅｘｔｒｕｄｅｒ．
模糊数学在短短３０年的时间里得到了长足的发展，在理论和应用中取得了 令人刮目的成果１２ｊｌ”。模糊数学的应用领域涉及自动控制、图像和文字识别、人。 工智能、地质地震、医疗诊断、气象分析、航空航天、火车汽车驾驶、交通管理、 决策评价、企业管理和社会经济等等很多方面。
在自动化技术中的应用是模糊数学非常活跃而又硕果累累的一个领域【６“。 著名的自动控制权威Ａｕｓｔｒｏｍ曾经指出：模糊逻辑控制、神经网络控制与专家控 制是三种典型的智能控制方法【ｌ ｏＪ。１９７４年英国学者Ｅ．Ｈ．Ｍａｍｄａｎｉ开模糊控制 之先河，将模糊控制理论应用于热电厂的蒸汽机控制。１９８７年日本仙台市模糊 控制的地铁电力机车自动运输系统投入运行，是模糊控制成功地应用于自动控制 领域的一个光彩夺目的范例。９０年代初，模糊家电风靡日本，给日本企业带来 了巨大的商业效益。日本的成功带动了欧美和其它国家，促进了模糊技术的发展。 １９８５年世界第一块模糊逻辑芯片在美国贝尔实验室问世，这是模糊技术的又一 里程碑。日本、美国、德国等许多著名的公司都积极从事这方面的研究…““，推 出了许多商品化的模糊逻辑芯片。这给模糊技术的应用特别是在控制领域中的应 用注入了新的活力，开辟了诱人的前景。