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1、模糊逻辑控制及其应用（选 修）上海交通大学 谢康林2005-2006学年 第1学期12/4/20221第七章模糊逻辑控制软件开发工具第七章第七章模糊逻辑控制软件开发工具模糊逻辑控制软件开发工具2第七章模糊逻辑控制软件开发工具第七章第七章模糊逻辑控制软件开发工具模糊逻辑控制软件开发工具7-1概述概述7-2模糊逻辑控制技术软件的开发工具模糊逻辑控制技术软件的开发工具（PopFuzzy2.0）3设计方法的不同7-1概述概述一模糊逻辑控制系统开发与传统控制一模糊逻辑控制系统开发与传统控制系统开发的不同系统开发的不同1.设计方法设计方法：对于既可用传统线性控制方法对于既可用传统线性控制方法,又可用模糊逻
2、辑控制方法来实现的控又可用模糊逻辑控制方法来实现的控制系统，用模糊逻辑控制方法相对比制系统，用模糊逻辑控制方法相对比较容易。较容易。4内存开销和系统设计2.内存开销内存开销：用系统控制用模糊逻辑控制实现的，用系统控制用模糊逻辑控制实现的，相应软件所需的存储容量，大约是传统相应软件所需的存储容量，大约是传统线性控制方法的一半。线性控制方法的一半。3.系统设计过程系统设计过程：模糊逻辑控制方法用语言变量直观模糊逻辑控制方法用语言变量直观地进行设计。依靠经验，容易学习。地进行设计。依靠经验，容易学习。传统线性控制方法求助于建立系统传统线性控制方法求助于建立系统的数学模型。的数学模型。5可能遇到的问题
3、二模糊逻辑控制系统开发时可能遇到的二模糊逻辑控制系统开发时可能遇到的问题问题1硬件方面硬件方面用硬件实现的嵌入式模糊逻辑控制系用硬件实现的嵌入式模糊逻辑控制系统：统：需需重新设计印刷电路板重新设计印刷电路板。6可能遇到的问题2调试方面调试方面由于模糊逻辑控制系统的多参数由于模糊逻辑控制系统的多参数和非线性的特点，对系统进行调试和和非线性的特点，对系统进行调试和优化较为困难。优化较为困难。通常用试探法。通常用试探法。3规则和隶属函数规则和隶属函数在实际应用中最大的难题是如何在实际应用中最大的难题是如何正确地确定控制规则和隶属函数。正确地确定控制规则和隶属函数。7软件开发工具介绍三软件开发工具介绍
4、三软件开发工具介绍例：例：1.“Freeware”Motorola68HC系列系列2.“FIDE”Motorola与与Aptronix公司公司3.“TILShell”美国美国TogaiInfraLogic(TIL)公司公司4.“IFCS”东芝东芝5.“PopFuzzy”Renesas(Hitachi)8PopFuzzy概述7-2模糊逻辑控制技术软件的开发工具模糊逻辑控制技术软件的开发工具PopFuzzy2.0一一概述概述功能功能：为用户提供一个全图形界面、高集为用户提供一个全图形界面、高集成的开发环境，集编辑、调试、仿真、成的开发环境，集编辑、调试、仿真、生成生成C和汇编源程序的功能于一体。和
5、汇编源程序的功能于一体。软硬件环境软硬件环境：CPU为为Intel的的Pentium芯片及其芯片及其兼容机。兼容机。Windows95中文版及以上版本。中文版及以上版本。H8/300C编译器。编译器。H8/300交叉汇编器。交叉汇编器。9建立模糊控制系统一二二在在PopFuzzy2.0中建立模糊控制系统中建立模糊控制系统PopFuzzy2.0提供多种编译器用来創建提供多种编译器用来創建或编辑模糊控制系统的各部分：或编辑模糊控制系统的各部分：变量、隶属函数、规则以及用于模拟仿变量、隶属函数、规则以及用于模拟仿真对象的数学模型真对象的数学模型。其中包括：其中包括：项目编辑器中变量和规则库的添加或连
6、项目编辑器中变量和规则库的添加或连接，变量或成员（接，变量或成员（Member）的隶属函数的编的隶属函数的编辑；规则库编辑器中规则的定义等。辑；规则库编辑器中规则的定义等。10建立模糊控制系统二设计模糊逻辑控制系统的基本步骤：设计模糊逻辑控制系统的基本步骤：1定义系统的输入变量和输出变量；定义系统的输入变量和输出变量；2定义一组规定，给出输入量和输出量之间定义一组规定，给出输入量和输出量之间的关系；的关系；3在项目编辑器里定义系统结构后，使用变在项目编辑器里定义系统结构后，使用变量量/成员编辑器定义隶属函数；成员编辑器定义隶属函数；4使用规则库矩阵编辑器或规则库表格编辑使用规则库矩阵编辑器或规
7、则库表格编辑器，在规则库中定义规则；器，在规则库中定义规则；5在有需要时：在有需要时：可在可在FCL文本编辑器文本编辑器(FCLTextEditor)中中定义其它处理单元和受控对象（定义其它处理单元和受控对象（model）。）。然后，可使用然后，可使用C编译器生成编译器生成HitachiC程序，程序，并可调试观察运行结果并可调试观察运行结果。11建立模糊控制系统三进行静态调试：进行静态调试：静态调试静态调试：可以在给系统的输入变量赋以可以在给系统的输入变量赋以特定值后，观测输出的值。特定值后，观测输出的值。也可以用三维立体图形来显示也可以用三维立体图形来显示两输入、一输出变量间的关系。两输入、
8、一输出变量间的关系。12建立模糊控制系统四进行动态调试：进行动态调试：动态调试动态调试：系统在最终应用程序形式系统在最终应用程序形式进行的仿真运行时，可以观察进行的仿真运行时，可以观察到每一规则、变量、隶属函数到每一规则、变量、隶属函数的性能，以及它们之间的相互的性能，以及它们之间的相互作用。作用。13窗口要素三三PopFuzzy2.0窗口窗口1.窗口要素窗口要素：（1）标题栏：）标题栏：应用程序名应用程序名FCIPopFuzzy2.0（2）菜单栏：菜单栏：（共有（共有8个）个）File（文件）文件）Edit（编辑）编辑）Debug（调试）调试）Simulate（模拟）模拟）Debug-C（C
9、调试）调试）Generate（产生）产生）Window（窗口）窗口）Help（帮助）帮助）（3）工具条）工具条14控制菜单及其命令2.控制菜单及其命令控制菜单及其命令（1）控制菜单命令控制菜单命令（2）选取命令方式选取命令方式（3）关闭控制菜单的方法关闭控制菜单的方法15Debug和Simulate窗口3.Pop Fuzzy 2.0Pop Fuzzy 2.0中的各种窗口中的各种窗口（1）在在Debug（调试）中的窗口调试）中的窗口（2）在在Simulate（模拟）中的窗口模拟）中的窗口16编辑与编译四四PopFuzzy2.0中的编辑与编译中的编辑与编译1.编辑编辑（1）图形项目编辑器）图形项目
10、编辑器（2）变量成员编辑器）变量成员编辑器（3）规则库编辑器）规则库编辑器（4）FCL文本编辑器文本编辑器2.编译编译(1)词法和语法检查词法和语法检查(2)将文本翻译成将文本翻译成C语言（包括语言（包括*.C和和*.H两个文件）和汇编语言。两个文件）和汇编语言。17静态调试五静态调试五静态调试静态调试工具可以迅速地实现相对于静态调试工具可以迅速地实现相对于各种输入条件时，模糊逻辑系统的输出反各种输入条件时，模糊逻辑系统的输出反应。应。对系统的输入变量赋值后，观测输出对系统的输入变量赋值后，观测输出变量的值。也可以用三维立体图形来显示变量的值。也可以用三维立体图形来显示两输入、一输出变量间的关
11、系。两输入、一输出变量间的关系。静态调试手段不能提供控制系统与外静态调试手段不能提供控制系统与外部系统相互影响的信息。部系统相互影响的信息。静态调试工具包括：静态调试工具包括：快速测试窗口快速测试窗口（Debug/Quicktest）控制面图窗口控制面图窗口(Debug/ControlSurface)算子可视化窗口算子可视化窗口(Debug/OperatorVisualization)。18快速测试窗口1.快速测试窗口快速测试窗口主体是两个列表框：主体是两个列表框：一个显示输入变量，一个显示输入变量，一个显示中间变量和输出变量。一个显示中间变量和输出变量。用户可以改变输入变量的值，观察用户可以
12、改变输入变量的值，观察中间变量和输出变量的值的变化。中间变量和输出变量的值的变化。19控制面图窗口2.控制面图窗口控制面图窗口控制面图又称控制面图又称3D图形观察窗：图形观察窗：两个输入和一个输出的三维立体图。两个输入和一个输出的三维立体图。20算子可视化窗口3.算子可视化窗口算子可视化窗口算子为算子为“OR”或或“AND”时的时的3D图形。图形。21动态调试六模拟仿真和系统运行六模拟仿真和系统运行动态调试动态调试（Simulate）能测试与能测试与仿真模型相互作用的关系。仿真模型相互作用的关系。系统在最终应用程序形式下进行系统在最终应用程序形式下进行仿真运行时，可以观察到每一规则、仿真运行时
13、，可以观察到每一规则、变量、隶属函数的性能，以及它们之变量、隶属函数的性能，以及它们之间的相互作用。间的相互作用。22建立仿真模型动态调试工具动态调试工具有：有：规则库调整窗口、规则窗口、变规则库调整窗口、规则窗口、变量量/成员编辑器、曲线图窗口、监视窗成员编辑器、曲线图窗口、监视窗口、文件记录、仿真控制窗口、规则口、文件记录、仿真控制窗口、规则库矩阵编辑器等库矩阵编辑器等。动态调试界面及相关菜单动态调试界面及相关菜单 进行动态调试进行动态调试 建立仿真模型建立仿真模型23C调试目的及特点七七.C调试调试1目的及特点目的及特点（1）目的：）目的：为用户构造一个为用户构造一个C语言执行调语言执行
14、调试的集成环境，并解释执行试的集成环境，并解释执行C语语言源程序。言源程序。（2）特点：）特点：基本上采用标准基本上采用标准C调试方法，调试方法，调试调试瑞萨瑞萨（日立日立）C的子集。的子集。24有关界面2有关界面有关界面（1）C文本调试窗：文本调试窗：用于用户观察程序运行情况。用于用户观察程序运行情况。（2）变量及错误信息观察窗：）变量及错误信息观察窗：用于用户观察变量变化情况及用于用户观察变量变化情况及出错信息。出错信息。（3）申请观察变量的对话窗：）申请观察变量的对话窗：用户申请观察变量的申请对话窗。用户申请观察变量的申请对话窗。（4）工程函数参数传递窗。）工程函数参数传递窗。（5）支持
15、图表。）支持图表。25主要功能3主要功能主要功能有单步运行、有单步运行、连续单步运行、连续单步运行、断点、断点、暂停、暂停、连续运行、连续运行、增删变量等。增删变量等。26C语言子程序接口4.支持的标识符、关键字和数据类型支持的标识符、关键字和数据类型（略）（略）5.模糊控制模糊控制C语言子程序接口语言子程序接口由由PopFuzzy自动生成的模糊控制自动生成的模糊控制C语言子程序可以被用户的语言子程序可以被用户的C语言语言主程序调用。主程序调用。6.特殊规定（略）特殊规定（略）27汇编程序自动生成八八.汇编部分汇编部分1.汇编程序自动生成汇编程序自动生成（1）在）在PopFuzzy主界面中选择
16、主界面中选择Generate菜单中的菜单中的CompiletoSRC。（2）无语法错误时，可将已编辑无语法错误时，可将已编辑好的模糊逻辑应用系统生成相对应好的模糊逻辑应用系统生成相对应的的HITACHI/H8300L汇编程序汇编程序*.SRC。并以并以*.SRC文件名保存。文件名保存。28数据存储格式2数据存储格式数据存储格式（1）输入变量隶属函数参数存储）输入变量隶属函数参数存储隶属函数：常取梯形和三角形。隶属函数：常取梯形和三角形。存储格式：存储格式：梯形隶属函数存储为四个字节；梯形隶属函数存储为四个字节；三角形隶属函数存储为三个字节。三角形隶属函数存储为三个字节。（2）输出变量隶属函数参
17、数存储）输出变量隶属函数参数存储（3）规则库存储）规则库存储用四个二进制位来代表相应的模糊用四个二进制位来代表相应的模糊语言项（如负大、负小、零、正小、正语言项（如负大、负小、零、正小、正大等）。大等）。29用户调用接口3汇编模糊子程序用户调用接口汇编模糊子程序用户调用接口30模糊控制语言FCL九九.模糊控制语言（模糊控制语言（FCL）FCL是是PopFuzzy用来描述模用来描述模糊控制系统的一种语言。（略）糊控制系统的一种语言。（略）31隶属函数的存放方式十十.隶属函数的存放方式隶属函数的存放方式1梯形隶属函数梯形隶属函数(1)四点法四点法(2)点斜率法点斜率法2三角形隶属函数三角形隶属函数
18、(1)三点法三点法(2)点斜率法点斜率法32第八章模糊逻辑控制集成电路和模糊计算机第八章第八章模糊逻辑控制模糊逻辑控制集成电路和模糊计算机集成电路和模糊计算机33第八章模糊逻辑控制集成电路和模糊计算机第八章第八章8-1模糊逻辑硬件电路模糊逻辑硬件电路8-2模糊计算机模糊计算机34模糊逻辑硬件电路8-1模糊逻辑硬件电路模糊逻辑硬件电路一概述一概述实现模糊逻辑控制有两种方案：实现模糊逻辑控制有两种方案：专用模糊芯片；专用模糊芯片；模糊逻辑专用软件模糊逻辑专用软件+通用计算机。通用计算机。考虑选择专用模糊芯片的情况：考虑选择专用模糊芯片的情况：速度需要；速度需要；提高系统效率提高系统效率（不占用（不
19、占用CPU的时间）等。的时间）等。35基基本本模模糊糊逻逻辑辑原原理理电电路路二模糊逻辑电路原理二模糊逻辑电路原理基本模糊逻辑原理电路基本模糊逻辑原理电路(利用二极管和三极管器件利用二极管和三极管器件)“模糊逻辑补模糊逻辑补”电路；电路；“模糊逻辑取小模糊逻辑取小”电路；电路；“模糊逻辑取大模糊逻辑取大”电路电路。36模模糊糊逻逻辑辑补补电电路路UiUi（输入）（输入）R1R1R2R2RLRLUccUccUbbUbbUoUo（输出）（输出）T T37模模糊糊逻逻辑辑取取小小电电路路UiUi1 1UiUi2 2E EUoUo=min(Ui=min(Ui1 1,Ui,Ui2 2)R RL L（输入
20、）（输入）（输出）（输出）38模模糊糊逻逻辑辑取取大大电电路路E ER RL LUiUi1 1UiUi2 2UoUo=max(Ui=max(Ui1 1,Ui,Ui2 2)（输入）（输入）（输出）（输出）39有有源源器器件件模模糊糊逻逻辑辑电电路路有源器件实现的模糊逻辑电路有源器件实现的模糊逻辑电路(采用集成运放器件采用集成运放器件)“模糊逻辑补模糊逻辑补”电路；电路；“模糊逻辑取小模糊逻辑取小”电路；电路；“模糊逻辑取大模糊逻辑取大”电路。电路。40集成模糊逻辑电路三集成模糊逻辑电路及新发展三集成模糊逻辑电路及新发展1.最早商品化的模糊处理器：最早商品化的模糊处理器：Omron公司：公司：FP
21、-1000（以模拟电路实现，不能编程，以模拟电路实现，不能编程，无应用价值。）无应用价值。）FP-3000（时钟为时钟为24MHZ，输入模糊化，输入模糊化，模糊推理模糊推理min-max法，法，解模糊算法：解模糊算法：重心法或最大隶属度法重心法或最大隶属度法,隶属函数形状：隶属函数形状：主要是三角形和梯形。）主要是三角形和梯形。）41模糊计算加速器2模糊计算加速器模糊计算加速器TogaiInfraLogic公司：公司：FC-110。其开发环境包括：其开发环境包括：模糊编程语言模糊编程语言FPL（FuzzyProgrammingLanguage）编译器、汇编器、连接器编译器、汇编器、连接器图形模
22、糊模拟工具图形模糊模拟工具TILShell。42模糊单片机3模糊单片机模糊单片机AmericanNeuraLogix公司：公司：NLX-230NLX-230模糊单片机模糊单片机主要用于补充或补偿常规微处理机主要用于补充或补偿常规微处理机在实现模糊逻辑控制性能方面的不足，在实现模糊逻辑控制性能方面的不足，以取代常规通用微处理机用纯软件实现以取代常规通用微处理机用纯软件实现模糊逻辑控制的方法。模糊逻辑控制的方法。1.25mCOS技术，时钟为技术，时钟为14MHZ，40个引脚，个引脚，DIP封装封装8位输入、位输入、8位输出位输出16个模糊化器、最多允许有个模糊化器、最多允许有64条条16位规则。位
23、规则。43模糊协处理器4模糊协处理器模糊协处理器美国加州西门子公司：美国加州西门子公司：SAE81C99SAE81C99模糊协处理器模糊协处理器主频主频20MHZ，每秒最高可处理每秒最高可处理790万条规则。万条规则。在在12个输入时，个输入时，计算计算3000条规则的条规则的8位输出仅需位输出仅需1Ms。推理采用推理采用MIN-MAX法，法，解模糊判决有重心法和最大隶属度法。解模糊判决有重心法和最大隶属度法。最多可处理最多可处理256个输入，个输入，64个输出和个输出和16384条条规则。规则。可用于自动化和工业控制。可用于自动化和工业控制。44DSP上实现的模糊控制器5.在在DSP芯片上实
24、现的模糊控制器芯片上实现的模糊控制器美国德克萨斯仪器（美国德克萨斯仪器（TI）公司提公司提供软件开发工具，以数字信号处理器供软件开发工具，以数字信号处理器（DSP-DigitalSignalProcessor）TMS320系列芯片，加上系列芯片，加上开发软件工具支持来实现。开发软件工具支持来实现。45模糊计算机的特点一8-2模糊计算机模糊计算机一模糊计算机的特点一模糊计算机的特点1.并行工作方式并行工作方式（1）狭义模糊计算机）狭义模糊计算机接受模糊语言信息、高效地处接受模糊语言信息、高效地处理模糊信息。理模糊信息。对于非模糊的数据还要用传统对于非模糊的数据还要用传统的计算机进行处理。的计算机
25、进行处理。（2）广义模糊计算机）广义模糊计算机能把上述两项有机地结合在一起。能把上述两项有机地结合在一起。46模糊计算机的特点二2.具有知识性具有知识性3.具有个性具有个性对同一语句的含义会有不同对同一语句的含义会有不同的理解。的理解。47模糊硬件器件的特点二模糊硬件器件的特点二模糊硬件器件的特点1.无积累误差；无积累误差；2.动态范围要求不高；动态范围要求不高；3.精度要求相对较低；精度要求相对较低；4.温度漂移、偏置调整、电源温度漂移、偏置调整、电源电压变化的要求较低；电压变化的要求较低；5.响应速度很快。响应速度很快。48模拟处理方式三模糊逻辑计算机的结构三模糊逻辑计算机的结构有不同的结
26、构方案：有不同的结构方案：模拟处理方式和数字处理方式模拟处理方式和数字处理方式1.模拟处理方式模拟处理方式用模拟电路用模拟电路Min-Max逻辑和逻逻辑和逻辑积的运算，并以模拟电路实现高辑积的运算，并以模拟电路实现高速模糊推理。速模糊推理。49数字处理方式2.数字处理方式数字处理方式具有更大的灵活性。具有更大的灵活性。例：在传统计算机的基础上，加上例：在传统计算机的基础上，加上模糊逻辑运算器、模糊数据存储器、模模糊逻辑运算器、模糊数据存储器、模糊数据处理器、模糊数据库、模糊数据糊数据处理器、模糊数据库、模糊数据输入输入/输出设备，和模糊数据总线构成。输出设备，和模糊数据总线构成。整体结构整体结
27、构模糊逻辑运算器模糊逻辑运算器模糊数据处理器模糊数据处理器模糊数据存储器模糊数据存储器模糊数据库模糊数据库50模糊逻辑数据处理软件四模糊逻辑数据处理软件四模糊逻辑数据处理软件一般说来，模糊语言可以分成三一般说来，模糊语言可以分成三个层次：个层次：1.基本模糊逻辑语言层基本模糊逻辑语言层2.模糊知识表示语言层模糊知识表示语言层3.描述性程序语言的自然语言层描述性程序语言的自然语言层51基本模糊逻辑语言层1.基本模糊逻辑语言层基本模糊逻辑语言层该层次中常用的语言有：该层次中常用的语言有：汇编语言、汇编语言、C语言、语言、LISP语言和语言和PROLOG语言；语言；Fuzzy-C语言、语言、Fuzz
28、y-LISP(FLISP)语言、语言、Fuzzy-PROLOG(FPROLOG)语言、以及语言、以及FRIL语言等。语言等。引入面向对象程序设计技术引入面向对象程序设计技术（OOP-ObjectOrientedProgramming）52模糊知识表示语言层2.模糊知识表示语言层模糊知识表示语言层该层次中包括：该层次中包括：模糊程序系统、模糊组织系统和模糊程序系统、模糊组织系统和模糊推理集成系统。模糊推理集成系统。用来对模糊集合和控制结构，以用来对模糊集合和控制结构，以及组织形式进行有效描述，用及组织形式进行有效描述，用“IFTHEN”形式来描述知识。形式来描述知识。53描述性程序语言自然语言层3描述性程序语言的自然语言层描述性程序语言的自然语言层该层次中可以直接用接近人的自该层次中可以直接用接近人的自然语言程序来描述。然语言程序来描述。54展望五展望五展望对模糊信息进行处理的速度，对模糊信息进行处理的速度，目前研制的模糊计算机与传统计算目前研制的模糊计算机与传统计算机相比，大约快机相比，大约快20-50倍。倍。可以期望在不久的将来，模糊可以期望在不久的将来，模糊计算机愈来愈接近人的思维方式。计算机愈来愈接近人的思维方式。55