NLX230型模糊控制器及其嵌入式应用研究

NLX230 型模糊控制器及其嵌入式应用研究
1 引言
在自动控制领域，模糊控制理论及其应用的研究取得了很大的进展，美国 NeuraLogix 公
司推出的 NLX230 型单片模糊控制器是一种可编程的超大规模集成模糊逻辑微处理器
FMC（Fuzzy Micro Controller），根据模糊逻辑原理对输入条件进行模糊逻辑运算，得
到最优的动作，通过执行并行操作控制输出，其处理速度高达 30M 规则/秒，具有与计算
机的接口电路、与外接 EEPROM 的接口电路和晶体振荡器接口电路，可广泛应用于过
程嵌入式控制、模式匹配，人工智能，机器人及专家系统。
2 NLX230 的设计特点与工作原理
模糊逻辑在控制领域的应用原理是利用模糊逻辑器件通过"项"和"规则"去构造任意复杂的
线性和非线性函数，再根据输入状态经过模糊推理，找到最佳的输出动作值并应用于控
制过程，从而使模糊逻辑获得类似于人类专家似然推理的能力。
NLX230 基于条件用模糊逻辑规则计算出优化的输出操作。输入值在用户定义的隶属函
数中按适合的程度排序。为了实施有效的数字化，采用 1 个线性对称隶属函数或最简单
的最大/最小模糊参考方法，规则决定了在输入时所需的状态集，每一规则至多包含 16
个项，每 1 个项与 1 个"清晰"输入/模糊隶属函数配对。1 个当前值是对用户在某一规则
下的输出值合计的修改。对于所有的输入和输出，输入排序与规则处理是并行的。单片
式 24 位宽的规则存储器最多可存 64 个规则，所有输入都可共享这些规则。根据需要每
个输出可以被编程为最多用 64 个规则，任一个输出所用的规则个数是其他规则所用的规
则的剩余数。模糊逻辑原理的高效数字化实现使 NLX230 在低价格下获得高处理速度
（30M 规则/秒）。
2.1 距离测量的相似判决原理
NLX230 型单片模糊集成控制器利用模糊逻辑元件将输入与隶属度函数结合起来，确定
输入对于被选定的隶属函数中心值的距离，通过距离测量进行相似决策。由于最佳隶属
函数的形状与系统中传感器特性、控制响应及其他动态特性有关，因而确定最佳隶属函
数形状往往是很困难的（当然，在某些情况下可以根据经验确定）。NLX230 型单片模
糊控制器在设计上采取了一种新的方法，不依赖隶属函数的形状和确值输入与隶属函数
的交点，而且测算出输入与选定的隶属函数的中心点的距离，其原理如图 1 所示。不考
虑隶属函数的区间和输入的单调，而测量输出与中间位置的距离，距离用中心位置减去
输入，忽略符号。确值输入 Xa 离中心点越远，其隶属值越低，反之，其隶属值越高。当
确值输入 Xa 正好位于中心点位置时，则隶属值最大。
有二种不同类型的隶属函数，对于第一种隶属函数，确值输入离中心点愈近，隶属值愈大，
如果确值输入落入隶属函数的宽度范围之外，那么隶属值最小。对于第二隶属函数，当
确值输入落入隶属函数的宽度范围之内时隶属值最小。距离测量的优点有二：其一是使
设计者在保留重要信息的同时不必决定复杂隶属函数的形状；其二是这种方法提供了相
似判决的简单途径。
2.2 确值输入向模糊逻辑量的转换
确值输入向模糊逻辑量的转换是通过测量距离的相似判决模糊逻辑单元实现的，在相似
判决模糊逻辑单元内求取隶属值的电路结构如图 2 所示。模糊逻辑单元内被选定的隶属
函数中心点值和确值输入送进减法器计算出差值 ac，该差值与隶属函数宽度值相比较，
只有当差值在宽度范围内时，隶属值计算器才输出结果（该结果等于从允许的最大隶属
值中减去差值 ac，如图 1 所示），否则，隶属值计算器输出将被置零或置最小值。隶属
值实际上是 1 个模糊逻辑量，用 μ（或 d）表示。
3 NLX230 的内部结构和引脚功能
NLX230 型模糊控制器的内部结构如图 3 所示，它由模糊输入选择器，16 个模糊单元、