单片机控制系统模糊控制揭秘：掌握核心技术，打造智能控制系统

# 1. 单片机控制系统概述**

单片机控制系统是一种基于单片机的嵌入式系统，它将微处理器、存储器、输入/输出接口和其它外围设备集成在一个芯片上。单片机控制系统具有体积小、成本低、功耗低、可靠性高等优点，广泛应用于工业控制、消费电子、医疗设备等领域。

单片机控制系统通常由传感器、执行器、单片机和软件组成。传感器负责采集系统外部环境信息，执行器负责执行控制命令，单片机负责处理信息并控制执行器。软件是单片机控制系统的核心，它定义了系统的控制逻辑和算法。

# 2. 模糊控制理论基础

### 2.1 模糊集合与模糊逻辑

**2.1.1 模糊集合的定义与性质**

模糊集合是一种将元素映射到[0, 1]区间上的集合，表示元素属于该集合的程度。它不同于经典集合，其中元素要么属于集合，要么不属于集合。

**定义：** 模糊集合A在域U上的定义为：

A: U -> [0, 1]

其中，U是元素的集合，A(x)表示元素x属于集合A的程度。

**性质：**

* **归一性：** 对于任何x∈U，有0 ≤ A(x) ≤ 1。
* **凸性：** 对于任何x, y∈U和λ∈[0, 1]，有λA(x) + (1-λ)A(y) ≤ A(λx + (1-λ)y)。
* **扩张性：** 对于任何x, y∈U，如果x ≤ y，则A(x) ≤ A(y)。

### 2.1.2 模糊逻辑推理规则

模糊逻辑推理规则是一种基于模糊集合的推理规则。它允许使用模糊变量和模糊值进行推理。

**规则格式：**

IF 前提 THEN 后果

其中，前提和后果都是模糊命题，例如：

IF 温度很低 THEN 加热器打开

**推理过程：**

1. **前提求值：** 计算前提中模糊变量的隶属度。
2. **模糊推理：** 根据模糊推理规则，计算后果模糊变量的隶属度。
3. **反模糊化：** 将后果模糊变量的隶属度转换为具体值。

### 2.2 模糊控制器设计

**2.2.1 模糊化和反模糊化**

**模糊化：** 将输入变量转换为模糊变量，表示其属于不同模糊集合的程度。

**反模糊化：** 将模糊变量转换为具体值，表示控制输出。

**2.2.2 模糊规则库的建立**

模糊规则库是一组模糊逻辑推理规则，用于描述控制系统的行为。规则库的建立需要专家知识和经验。

**流程：**

1. **定义模糊变量：** 确定控制系统中需要考虑的模糊变量。
2. **定义模糊集合：** 为每个模糊变量定义模糊集合，例如“低”、“中”、“高”。
3. **建立模糊规则：** 根据专家知识和经验，建立模糊逻辑推理规则。

# 3. 单片机模糊控制系统实现

### 3.1 模糊控制算法移植

#### 3.1.1 模糊化和反模糊化的实现

**模糊化**

模糊化是将输入变量转换为模糊变量的过程。在单片机系统中，模糊化通常使用查表法实现。查表法将输入变量的量化值映射到相应的模糊集合隶属度值。

**代码块：**

uint8_t fuzzify(float input) {
  // 查表映射输入值到模糊集合隶属度值
  if (input < 0) {
    return 0;  // 负小
  } else if (input < 50) {
    return 1;  // 小
  } else if (input < 100) {
    return 2;  // 中
  } else if (input < 150) {
    return 3;  // 大
  } else {
    return 4;  // 很大
  }
}

**逻辑分析：**

该代码块根据输入变量 `input` 的值，将其映射到五个模糊集合：负小、小、中、大、很大。映射规则基于查表法，输入值被量化为 0-150 之间的整数，并根据范围映射到相应的模糊集合。

**反模糊化**

反模糊化是将模糊输出变量转换为实际输出变量的过程。在单片机系统中，反模糊化通常使用重心法实现。重心法计算模糊输出集合的重心，并将其作为实际输出值。

**代码块：**

float defuzzify(uint8_t* output) {
  // 计算模糊输出集合的重心
  float sum = 0;
  float weight = 0;
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    sum += output[i] * (i * 50 + 25);
    weight += output[i];
  }
  return sum / weight;
}

**逻辑分析：**

该代码块根据模糊输出变量 `output` 的值，计算模糊输出集合的重心。模糊输出变量是一个长度为 5 的数组，表示五个模糊集合的隶属度值。重心计算通过遍历数组，将每个模糊集合的隶属度值乘以其对应的中心值，并求和。然后将和除以所有隶属度值的总和，得到实际输出值。

### 3.1.2 模糊规则库的存储

模糊规则库是模糊控制系统的重要组成部分，它包含了控制系统行为的规则。在单片机系统中，模糊规则库通常存储在 ROM 或 EEPROM 中。

**代码块：**

const uint8_t rule_table[25] = {
  // 规则表：输入1 x 输入2 -> 输出
  { 0, 0, 0 },  // 负小 x 负小 -> 负小
  { 0, 1, 1 },  // 负小 x 小 -> 小
  { 0, 2, 2 },  // 负小 x 中 -> 中
  // ... 省略其他规则
};

**逻辑分析：**

该代码块定义了一个常量数组 `rule_table`，它存储了模糊规则库。数组的每个元素是一个三元组，表示一条模糊规则。三元组的第一个元素是输入 1 的模糊集合编号，第二个元素是输入 2 的模糊集合编号，第三个元素是输出的模糊集合编号。

### 3.2 单片机系统硬件设计

#### 3.2.1 传感器和执行器的选择

传感器用于测量被控对象的输入变量，执行器用于控制被控对象的输出变量。在单片机模糊控制系统中，传感器和执行器的选择取决于具体应用。

**传感器：**

* **温度传感器：**用于测量温度。
* **光传感器：**用于测量光照强度。
* **位置传感器：**用于测量位置或距离。

**执行器：**

* **电机：**用于控制运动。
* **加热器：**用于控制温度。
* **继电器：**用于开关电路。

#### 3.2.2 模糊控制算法的硬件实现

模糊控制算法可以在单片机中通过软件实现，也可以通过专用硬件实现。

**软件实现：**

* 使用单片机的 CPU 执行模糊控制算法。
* 优点：灵活，易于修改。
* 缺点：计算速度慢，功耗高。

**硬件实现：**

* 使用专用硬件电路实现模糊控制算法。
* 优点：计算速度快，功耗低。
* 缺点：不灵活，修