基于模糊推理的远程电子控制系统设计

张亚婉

(广东工业大学华立学院 机电与信息工程学部，广东 增城　511325)



基于模糊推理的远程电子控制系统设计

张亚婉

(广东工业大学华立学院 机电与信息工程学部，广东 增城511325)

构建远程电子控制系统，实现远程多模块化多功能智能控制，将在智能家居控制和自动化工业控制等领域具有较好的应用价值。传统的远程电子控制系统的主控模块采用专家系统控制方法，当专家系统缺乏先验知识时控制效能不好。提出一种基于模糊推理神经网络控制的远程电子控制系统设计方法。构建远程电子控制系统的总体结构模型，设计模糊推理算法进行控制算法改进，最后进行远程电子控制系统的模块化电路设计，采用ADUM1201和PCA82C250作为处理芯片，选择了ADI公司的高速A/D芯片AD9225进行主控电路设计，系统设计主要包括主控模块单元、RFID识别单元、微机控制处理器单元、人机通信模块、数据采集模块和电源模块。通过系统设计和仿真实验，得出采用该远程电子控制系统进行智能控制的信号调理性能较好，控制品质较高。

模糊推理；远程电子控制；系统设计

随着自动控制系统的快速发展，采用远程自动控制方法实现智能作业和人工智能成为未来电子工业发展的一个主要趋势，远程电子控制系统是建立在智能控制技术和计算机网络通信技术基础上的自动化控制系统，远程电子控制系统可以实现远程家居智能控制、机器人自动控制和工业自动控制以及电力控制等，研究远程电子控制系统设计方法，对改善工业控制中的智能化水平具有重要意义，随着无线传感网络和物联网技术的兴起，采用传感器网络进行数据信息采集，然后采用智能控制算法实现远程控制将在未来的人工智能设计等领域具有较好的应用前景，因此，研究远程电子控制系统具有重要意义，相关的系统设计方法受到人们的关注[1]。

传统方法中，远程电子控制系统的主控模块采用专家系统控制方法，当专家系统缺乏先验知识时控制效能不好[2-6]。对此，本文采用一种模糊推理方法进行远程电子系统的智能控制，在现代控制技术日益完善的前提下，采用模糊推理控制设计专家数据库，进行远程电子控制，模糊推理控制是通过建立模糊化接口采用模糊控制算法，实现远程电子控制和系统控制，模糊推理算法在远程电子控制系统设计中具有重要的应用价值[7-8]。本文首先构建远程电子控制系统的总体结构模型，设计模糊推理算法进行控制算法改进，最后进行远程电子控制系统的模块化电路设计，仿真实验进行了性能验证，展示了本文设计的远程电子控制系统在提高远程控制性能，改善远程控制精度方面的优越性，得出有效性结论。

1　问题描述和远程电子控制系统总体设计

远程电子控制系统是采用ZigBee技术对模型化平台进行远程控制，结合ZigBee和GPRS通信技术对远程控制对象的智能控制和控制指令传递，远程电子控制系统在智能家居控制等领域具有较好的应用价值。本文采用模糊推理技术进行远程电子控制，模糊接口的作用是通过远程电子控制将推理机输出的机器语言转换成实际控制系统可以执行的控制指令。本文设计的远程电子控制系统具有高性能、高可靠性，选择了ADI公司的ADSP-BF537作为远程电子控制系统的主控核心，将一个32位RISC型指令作为系统的通信串口，系统设计主要包括主控模块单元、RFID识别单元、微机控制处理器单元、人机通信模块、数据采集模块和电源模块以及人机交互模块组成，本文设计的远程电子控制系统的总体结构设计框图如图1所示。

图1　远程电子控制系统的总体结构设计框图

图1中，远程电子控制系统的控制核心模块采用的是可编程DSP芯片进行控制算法读写，远程电子控制采用人工神经网络系统以三层前馈神经网络为主要形式，对自适应前馈神经网络系统的研究主要集中在控制精度和预测控制器的设计上。本文设计的远程电子控制系统直接方法的非线性系统预见控制器，成了一套独有的指令集体系，通过线性反馈部分作为形式输入，使得神经网络控制系统满足一定的可镇定和可检测条件。系统的传感器数据采集模块实现对远程控制对象的数据采集，电源模块实现对电子控制系统的供电，提供40位移位器和8位视频ALU电源，控制系统的指令存储器存储包括64SRAM缓存数据，本文设计的远程电子控制系统的峰值运算能力1 200MACs。根据是上述分析，得到本文设计的远程电子控制系统的设计指标性能为：

(1)16位定点DSP内核，40位移位器，采样频率不低于25MHz；

(2)16kBSRAM组成4路组联合Cache，输入范围为4Vpp；

(3)4kBL1暂存数据SRAM，8个32位定时器/计数器，支持全双工多通道数据读写和智能控制；

(4)具有SPI兼容端口，和8个立体声I2S通道。

基于上述总体结构设计描述，得到本文设计的远程电子控制系统的ADSP-BF537控制信息处理流程如图2所示。

图2　远程电子控制系统ADSP-BF537控制信息处理流程

2　模糊推理控制算法描述

在上述系统总体结构设计的基础上，进行控制算设计，传统方法采用PID神经网络控制方法案进行远程电子控制系统的控制设计，随着双路16位电流的干扰的增强，出现温度偏移和失真，本文采用模糊推理控制算法，构建模糊推理机，如图3所示。采用模糊推理控制设计专家数据库，进行远程电子控制。

图3　模糊推理机远程电子控制

结合图3进行远程电子控制系统的控制算法描述，电子控制系统相当于一个模糊推理的多输出状态矢量，输入状态为：

(1)

式中u(t)——一个输入n输出的多变量被控对象；Kp——模糊推理机的比例增益；e(t)——模糊推理机控制误差；TI——比例积分；TD——积分元。

采用模糊推理学习方法进行远程电子控制，模糊推理机控制系统的雅可比矩阵定义为：

(2)

根据上述状态分析，得到模糊推理进行远程电子控制算法过程可归结为：

(1)首先设置初始控制时间t=0；

(2)在数据库中存放推理规则，输模糊控制向量：

x(t)=(x0(t)，x1(t)，…，xk-1(t))T

(3)

(3) 对于x(t)，根据搜索策略计算远程电子控制系统的加权向量ωj的欧式距离，表示为：

(4)

其中，ωj=(ω0j，ω1j，…，ωk-1，j)T，根据模糊推理规则判断的逻辑规则与自动获取规则

(5) 系统自动将领域专家输入控制信息到推理机的比例神经元节点Nj*进行自适应加权控制，得到Nj*的几何邻域NEj*(t)的训练样本输出为：

ωij(t+1)=ωij(t)+α(t)(xi(t)-ωij(t))

(5)

其中，Nj∈Ej*(t)，0≤i≤k-1，0≤α(t)≤1为远程电子控制系统对控制对象的采集样本训练速度，为一个可变量；

(6) 继续输入样本，进入步骤(2)中。

(6)

其中j=0，1，…，N-1，ωj=(ω0j，ω1j，…，ωk-1，j)T，r表示为一个常数，大于0，通过上述算法改进设计，实现了远程电子控制。

3　远程电子控制系统硬件设计与实现

在上述进行了模糊推理控制算法设计的基础上，进行控制模块的硬件电路设计，采用ADUM1201和PCA82C250作为处理芯片，采用RFID射频识别技术进行控制指令阅读，用了ADI公司的AD7656-1 AD转换芯片控制系统的AD采样，在程序加载电路中，每一个处理器的VDD_DRAM 电源，程序加载电路采用AT25HP512作为从机。控制系统的电路设计主要包括了主控电路设计、复位电路设计、控制中断电路设计。分别描述如下：选择了ADI公司的高速A/D芯片AD9225进行主控电路设计，主控电路采用单5 V的16位电流输出供电，输入范围为4 Vpp，当供电电压超过3.135 V，电源VCC上电，采用分立元件构成控制电路系统的主控模块单元，当VCC不足3.3 V时，主控电路的供电模块为一个微分电路，结合ADM706的3.3 V的微处理器，在1.6 s内看门狗输入端进行信息采样，接收远程电子控制系统的控制指令，在DIP-8和SO-8端口进行串行通信，结合手动复位输入，实现脉冲频率的特征采样，得到远程电子控制系统的主控电路如图4所示。

图4　远程电子控制系统的主控电路

上电复位电路采用手动复位和自动复位两种方式，确保复位电平能实现控制指令的自适应传递和通信，选用MAX706触发主复位，产生复位输出，看门狗输出引脚WDO，实现远程电子控制系统的TMS320VC5509A外部存储空间分配，C55x的外部存储器接口采用只读存储器(ROM)和闪存两种方法实现片选信号中断和AD数据采样，通过同步动态存储器使得远程电子控制系统的内部存储器达到32位宽﹑16位宽和8位带宽，实现了双工通信，本文设计的远程电子控制系统的复位电路如图5所示。

图5　复位电路设计

为了实现控制信号的有效传输，需要进行上电加载程序设计，引导装载(Bootloader)在控制系统中实现IO中断操作，程序和数据段的地址范围为FF0000h-FFFFFFh，使用HEX55工具转换成数字信号，实现远程控制指令的引导加载。综上分析，得到本文设计的远程电子控制系统的硬件核心电路如图6所示。

图6　电路集成设计

4　控制性能测试仿真

为了测试本文设计的远程电子控制系统在实现远程电子控制中的性能，进行仿真实验，实验中，采用AD7655高速、低功耗4通道的信号处理器进行程序加载，采用Matlab仿真软件进行控制算法设计，确定算法的可行性和可靠性。硬件调试中，通过AD转换完成进行数据采样，通过控制CPLD上的IO引脚实现远程控制，得到本文设计的远程电子控制系统的输出控制结果如图7所示。

图7　远程电子控制信号调理输出结果

从图7可见，采用本文控制系统进行远程电子控制，具有较好的信号调理性能，控制输出的稳定性较好，为了对比本文设计的模糊推理控制算法性能，以控制收敛效率为测试指标，采用本文算法和传统算法进行远程电子控制，得到仿真结果如图8所示。从图8可见，采用本文控制系统的控制效率较高，精度较好，提高了控制性能。

图9　性能对比

5　结语

通过构建远程电子控制系统，实现远程多模块化多功能智能控制，将在智能家居控制和自动化工业控制等领域具有较好的应用价值。传统的远程电子控制系统的主控模块采用专家系统控制方法，当专家系统缺乏先验知识时控制效能不好。提出一种基于模糊推理神经网络控制的远程电子控制系统设计方法。本文首先构建远程电子控制系统的总体结构模型，设计模糊推理算法进行控制算法改进，最后进行远程电子控制系统的模块化电路设计，仿真实验进行了性能验证，展示了本文设计的远程电子控制系统在提高远程控制性能，改善远程控制精度方面的优越性，实验结果表明，采用本文控制方法的效能较好，精度较高。

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(本文编辑：严加)

Design of Remote Electronic Control System Based on Fuzzy Reasoning

ZHANG Ya-wan

(DepartmentofMechanicalandElectricalandInformationEngineering,HualiCollegeofGuangdongUniversityofTechnology,Zengcheng511325,China)

Theconstructionofremoteelectroniccontrolsystem,therealizationoftheremotemulti-functionalintelligentcontrol,willbehasgoodapplicationvalueinthefieldofintelligenthomecontrolandautomationindustrialcontrol.Themaincontrolmoduleofthetraditionalremoteelectroniccontrolsystemadoptsexpertsystemcontrolmethod,andthecontrolperformanceisnotgoodwhentheexpertsystemlackspriorknowledge.Adesignmethodofremoteelectroniccontrolsystembasedonfuzzyinferenceneuralnetworkcontrolisproposed.Theoverallstructuremodeloftheremoteelectroniccontrolsystemisconstructed,andthefuzzyinferencealgorithmisdesigned.Finally,themodularcircuitdesignoftheremoteelectroniccontrolsystemisdesigned.A/DandAD9225areusedastheprocessingchip.Themaincontrolcircuitisdesigned.Thesystemdesignincludesthemaincontrolmodule,RFIDrecognitionunit,PCA82C250controlunit,man-machinecommunicationmodule,dataacquisitionmoduleandpowersupplymodule.Throughthesystemdesignandsimulationexperiment,itisconcludedthattheintelligentcontrolsystemoftheremoteelectroniccontrolsystemisbetter,andthecontrolqualityishigher.

fuzzyinference;remoteelectroniccontrol;systemdesign

10.11973/dlyny201604004

张亚婉(1980)，女，工程硕士，讲师，高级技师，主要研究领域为电子电路和电气控制。

TP182

A

2095-1256(2016)04-0427-05

2016-05-23