液体点滴速度监控系统的设计

毕业设计（论文）液体点滴速度监控系统的设计

系别自动化工程系

专业自动化

班级50603

学号5060331

姓名刘营营

指导教师顾德英教授

2010 年 6 月17 日

液体点滴速度监控系统的设计

摘要

随着现代科技的发展，自动化设备已经应用到我们生活中的各个领域，然而传统的医疗输液设备效率较低，因此我们有必要提高医疗设备的自动化水平，给护士输液工作提供方便，给输液病人提供可靠的安全保证。因此本文本着适用、可靠、操作方便、节省劳力、降低劳动强度、提高操作准确性的原则，利用SPCE061A凌阳单片机组成了一个主从局域网络，实现了对液体点滴速度的自动监测与调节，并能实时监测剩余药液。该控制系统由水滴速度检测环节、水滴速度控制环节、显示装置、单片机系统、键盘和报警等系统组成。本文硬件部分用SPCE061A单片机，传感器，直流伺服电动机，键盘，数码管等实现。软件程序使用C语言与汇编语言共同编写。通过软硬件的结合，较好的实现了控制系统的控制要求。此单片机控制系统具有自动化程度高、成本低、体积小、控制精确等优点，有很好的经济效益和广阔的发展前景。

关键词：液体点滴速度，模糊控制，直流伺服电动机，SPCE061A单片机

The design for the liquid drop speed monitoring system

Author：liuyingying

Tutor：gudeying

Abstract

With the development of modern science and technology,automation equipment has bee- n applied in all areas of our lives,however,the devices of traditional medical transfusion are more efficient.Therefore, we need to improve the automation level of medical equipment, to facilitate the work of nurses and provide guarantees that are reliable and security for partients. This article depends on the principle tihat is reliable,easy to operate, saving labor,reducing la- bor intensity and improving the accuracy of operation, formming a master-local area network used by single chip of Sunplus of SPCE061A , which achieve automatic monitoring and regu- lation to the liquid dropping speed and monitoring the remaining liquid constantly.The control system consists of liquid dropping speed detection tache, water dropping speed control tache, display devices, microcontroller systems, keyboard and alarm system. This hardware implem- entation include SPCE061A MCU , sensors, DC servo motors,keyboards, digital tubes and so on. Software program use C language and assembly language co-written.Through a combinat- ion of hardware and software,to achieve a better control of the control system requirements.T- his single chip control system has the merit of high degree of automation, low cost, small size, precise control and so on.The system has good economic and broad prospects for developme- nt.

Keywords:liquid dropping speed, sensor,DC servo motor, SPCE061A single chip

目录

1 绪论 (1)

1.1 课题研究背景及意义 (1)

1.1.1 课题研究背景 (1)

1.1.2 课题研究意义 (2)

1.2 凌阳十六位单片机的应用及特点 (2)

1.2.1 凌阳单片机总述 (2)

1.2.2 凌阳单片机的性能 (3)

1.2.3 SPCE061A开发方法 (4)

1.2.4 凌阳单片机应用领域 (4)

1.3 本文主要讨论的内容及总体安排 (4)

2 方案对比与论证 (6)

2.1 液体点滴控制系统的总体方案 (6)

2.2 方案的对比与确定 (7)

2.2.1 从站控制模块 (7)

2.2.2 点滴速度检测模块 (8)

2.2.3 液位检测模块 (9)

2.2.4 电机模块 (9)

2.2.5 电机驱动模块 (10)

2.2.6 键盘和显示模块 (10)

2.2.7 通讯模块 (10)

2.2.8 声光报警 (10)

2.3 方案算法 (10)

2.3.1 闭环系统 (11)

2.3.2 算法的选择 (11)

2.3.3 模糊控制 (11)

3系统硬件设计 (16)

3.1 点滴速度检测模块 (16)

3.2 储液瓶液位高度检测模块 (16)

3.3 电机控制模块 (16)

3.4 键盘设置模块 (17)

3.5 数码管显示模块 (18)

3.6 通讯模块 (19)

3.7 声光报警 (19)

4系统软件设计 (21)

4.1 凌阳单片机的编程环境 (21)

4.2 I/O分配 (21)

4.3 从站系统程序 (21)

4.3.1 从站程序流程图 (21)

4.3.2 从站各部分实现方法 (22)

4.4 主站系统程序 (28)

4.4.1 主站系统性能分析 (28)

4.4.2 主站程序流程图 (29)

4.4.3 主站各部分实现方法 (29)

4.5 软件算法的实现 (30)

5实验结果及分析 (33)

5.1 测试仪器及环境 (33)

5.2 测试方法 (33)

5.3 误差产生的原因分析 (34)

结论 (35)

致谢 (36)

参考文献 (37)

附录 (38)

附录A (38)

附录B (51)

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1.1.1 课题研究背景

输液又名打点滴或者挂水。是由静脉滴注输入体内的大剂量(一次给药在

100ml以上)注射液。通常包装在玻璃或塑料的输液瓶或袋中，不含防腐剂或抑菌剂。使用时通过输液器调整滴速，持续而稳定地进入静脉，以补充体液、电解质或提供营养物质。由于其用量大而且是直接进入血液的，故质量要求高，生产工艺等亦与小针注射剂有一定差异。

而在输液过程中，输液速度是一个非常重要的因素，不慎将导致病情恶化甚至死亡。决定输液速度的因素也很多，通常情况下有四种必须考虑的因素。

（1）患者年龄一般情况下，成年人输液速度常在40～60滴/分钟，小儿、老年人速度宜慢，小儿20～40滴/分，老年人不宜超过40滴/分。

（2）药物种类在临床上，有不少药物是需要严格控制输液速度的。如硝酸酯类，常用的有硝酸甘油、丹佐(单硝酸异山梨酯)，一般浓度下常以8滴/分、10滴/分、15滴/分等速度进行点滴注入。若速度过快，单位时间内进入体内的药物剂量过多、过大，则会引起很多副作用或不良反应，如波动性头痛、颜面潮红、血压下降、心率加快等。个别对此类药物敏感的人，即使在正常剂量下也会出现此种反应，更须警惕。再如硝普钠，也需严格控制滴速，根据患者血压情况调节，过快可使血压急剧下降。上述几种药物手工调节滴速不易准确，有条件者可以使用输液泵(电脑控制)来调节。再如降颅压药物甘露醇，则需快速静点效果较好。一般情况下，要求20%甘露醇250毫升静点时间不超过30分钟，若滴速过慢则起不到降低颅内压的效果或效果不佳。还有，如氧氟沙星、左氧氟沙星、门冬氨酸洛美沙星等喹诺酮类药物，一般情况下要求以每0.2克不少于1小时的速度静点，速度过快会引起局部反应，如血管炎性病变等。

（3）患者病情如果患者有心脏病或肺部疾患，输液速度宜慢，一般30～40滴/分，以免过快加重心脏负荷，而出现心力衰竭或肺水肿。若患者脱水严重或失血过多引起休克，则要快速补液补充血容量，可采取大号针头或加压输液，输液速度可以快到每小时补液达几千毫升。

（4）综合考虑就是根据药物性质，患者年龄及病情综合考虑输液的速度，例如，一位老年脑血管病患者，需要输甘露醇，而他的心脏功能亦不太好，则要权衡利弊，既要考虑让甘露醇最好地发挥疗效，又要考虑患者心脏的耐受程度而不至于出现心力衰竭等症状。

目前在我国大中小型医院及下属社区医院、诊所等医疗机构进行输液治疗时，输液速度都是一个不精确的值。输液速度是护士通过转动输液器上的手动滑轮来控制液体流速的，这样不仅影响预期治疗效果，而且在输液过程中患者或陪护人员必须要时时监视剩余的药液，当输液输完，要由护士及时更换储液瓶或者拔出针头，否则会造成静脉回血，这是很危险的，有些药物在给药时对给药速度和剂量有特别要求，并且还需不断调整，这些调整又需很仔细且很烦琐，输液异常、输液结束也不容易被及时发现，这些因素不仅是病人生命财产的隐患，也是造成工作人员工作量大、工作压力重的重要来源。

1.1.2 课题研究意义

人工调整液滴速度不够准确和方便，而且值班护士需不断巡视全病区的病人输液情况，工作量大。目前医院已经在使用的输液泵是解决输液速度的一种有效方法，但它机器成本和耗材成本太高，只适用于急救和重症情况。

为了提高医疗设备的自动化水平，给护士输液工作提供方便，给输液病人提供可靠的安全保证，因此本文本着适用、可靠、操作方便、节省劳力、降低劳动强度、提高操作准确性等原则，提出了一种结合红外检测技术、微机技术、计算机网络技术等，组成了一个分布式的主从局域测控网络，实现对点滴速度的自动检测和调节，并监视剩余药液的解决方案。

输液速度自动测控系统可以实时检测每个病床病人的输液情况，并对输液中的异常情况（如针头堵塞、药滴滴完等）发出警报，还可以根据护士设定的参数，自动精确调节和检测输液速度，输液速度可以通过通讯线路传输到护士站，医护人员的控制操作也可在护士站遥控进行，做到既安全又省心，把医护人员彻底从烦琐的劳动中解放出来。这种既具有自动控制又具有远程控制并且廉价的输液检测系统性能稳定，成本低廉，使用简捷易操作，适合于临床普及，具有较高的社会实用价值和较高的社会、经济效益。

1.2 凌阳十六位单片机的应用及特点

1.2.1 凌阳单片机总述

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU 内核采用凌阳最新推出的μ’nSP?（Microcontroller and Signal Processor ）16位微处理器芯片（以下简称μ’nSP?）。围绕μ’nSP?所形成的16位μ’nSP?系列单片机（以下简称μ’nSP?家族）采用的是模块式集成结构，它以μ’nSP?内核为中心集成不同规模的ROM 、RAM 和功能丰富的各种外设接口部件。

SPCE061A 是继μ’nSP?系列产品SPCE500A 等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。与SPCE500A 不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A 只内嵌32K 字的闪存（FLASH ）。较高的处理速度使μ’nSP?能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A 相比，以μ’nSP?为核心的SPCE061A 微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择。

1.2.2 凌阳单片机的性能

◆16位μ’nSP?微处理器；

◆工作电压：V DD 为2.6~3.6V(CPU), V DDH 为V DD ~5.5V(I/O)；

◆CPU 时钟：0.32MHz~49.152MHz ；

◆内置2K Words 的SRAM ；

◆内置32K Words 的FLASH ；

◆可编程音频处理；

◆2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；

◆2个10位DAC(数-模转换)输出通道；

◆32位通用可编程输入/输出端口；

◆14个中断源可来自定时器A / B ，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；

◆具备触键唤醒的功能；

◆使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K 位/秒)，能容纳210秒的语音数据；

◆锁相环PLL 振荡器提供系统时钟信号；

◆32768Hz 实时时钟；

◆7通道10位电压模-数转换器(ADC)和一个单通道的声音专用模-数转换器；

◆声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AG C)电路；

◆具备串行设备接口；

◆具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；

◆内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口；

◆具有保密能力；

◆具有WatchDog功能（由具体型号决定）。

1.2.3SPCE061A开发方法

SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具——硬件在线实时仿真器和程序烧写器。它利用了SPCE061A片内置的在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头直接连接到目标电路板上SPCE061A 相应管脚，直接在目标电路板上的CPU---SPCE061A调试、运行用户编制的程序。PROBE 的另一头是标准25针打印机接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机IDE 集成开发环境软件包下，完成在线调试功能。

1.2.4 凌阳单片机应用领域

◆语音识别类产品

◆仪器仪表

◆家电产品

◆自动售货机

◆智能语音交互式玩具

◆高级亦教亦乐类玩具

◆儿童电子故事书类产品

◆通用语音合成器类产品

◆需较长语音持续时间类产品

1.3 本文主要讨论的内容及总体安排

本文所要讨论的是医护病房里的医疗输液设备，通过本次设计，我们可以实现很多功能，如在病房里可知知道点滴的速度是多少，可以根据病人的身体状况设定所能接受

的速度值，当液位达到报警极限时能发出声光报警，在主站我们可以根据显示器的显示看到各个病房的输液状况，可以实现巡回检测及定点检测等功能，减轻了医护人员的负担，提高了工作效率。

本文先介绍课题研究的背景及意义，单片机的选择、应用及特点。根据课题要求进行理论分析，通过方案对比论证得到最优的方案。然后根据得到的方案分模块进行硬件设计，根据硬件连接电路和单片机的特点又分模块进行软件设计。对所设计的方案可能产生的误差进行理论性讨论和分析，最后总结所设计的内容。

2 方案对比与论证2.1 液体点滴控制系统的总体方案

系统的总体框图和从站框图如下：

图2.1 系统总体框图

图2.2 从站框图

在本系统中，采用了双CPU的方法，即在数据采集的从站采用单片机控制，而主站则可以采用计算机控制。数据采集器采用反射式光电开关对点滴速度进行测量，同时也能适时产生报警信号。利用直流伺服电动机的正反转来控制液滴的速度，从站CPU采用广泛应用的SPCE061A单片机，该芯片功能较强，价格较低。在主站与从站的通信中，采用国际标准的RS485标准接口方式，用线较少，在一定程度上降低了设备的复杂性和成本。

采用电机加直接反馈控制系统，本方案的执行部件还是电机，电机用来调节储液瓶的高度，同时改变滴斗的高度H2，从而达到改变液滴速度的目的，利用光电传感器测试水滴的速度，再将此反馈给控制器比较，以矫正偏差，然后通过调整高度再比较反馈量，直到调到所需要的液滴速度所允许的误差范围内为止。此系统为输出量直接反馈的闭环自动控制系统，在控制的稳定性上讲，可以较稳定的调节液滴速度，再则是由于输出量是直接的反馈量，有利于输出量的稳定。

2.2 方案的对比与确定

2.2.1 从站控制模块

方案一：AT89C51单片机，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS

8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用到各种控制领域。

方案二：SPCE061A凌阳单片机，SPCEO61A的CPU采用16位微机处理芯片，其处理芯片具有体积小，集成度高，可靠性好易于扩展的特点，该单片机采用的是模块式集成结构，内部采用总线结构，因为减少了各功能部件之间的连接，提高了其可靠性和抗干扰能力，另外，模块化的结构易于系列的扩展，以适应不同用户的需求。具有较强的中断处理能力。此单片机具有功能强、效率高的指令系统，低功耗、低电压等优点。

综合上述的两种单片机的比较，本文采用SPCE061A单片机控制。主要是程序的设计，实现它与从站间的通信，它是有线监控系统的核心部件。

2.2.2 点滴速度检测模块

方案一：采用压力传感器来实现。在输液瓶下加一个压力传感器，通过检测其压力大小来判断是否有液滴落下。

方案二：采用液位传感器来检测。将一液位传感器置于输液瓶中，根据液位传感器检测的液位起伏来检测是否有点滴落下。

方案三：可以选择红外发射检测的原理来实现，我们可以在滴斗壁的一端安装一个红外发射传感器，另一端来接收，当有水滴滴下时，传感器会产生一个跳变信号，通过该信号来计算点滴滴下的数目，以此计算出点滴的速度(滴／分)，这里用到的传感器是一种光电开关传感器俗名“15mm”，不需要外接任何电路，三根连线分别是：5V、GND 和OUT，使用非常方便。当电源和地连接好后，可以将输出直接接一个发光二极管，用手在发射和接收之间穿过，就可以看到二极管会亮灭一次。

方案四：采用光纤传感器。将光纤传感器固定于滴斗外侧。当有液滴滴下时，光纤传感器感知滴斗壁是否产生特定抖动，而判断有无液滴落下。

考查上述各种方案，液滴的质量约0.05g，目前精确度较高的压力传感器其灵敏度仅为0.1g，故此方案目前无法检测。方案二将传感器置于液体中，不可取，同时由于相邻两次液位差距很小，会引入较大的测量误差。方案四采用光纤传感器，测量精度较高，

但是光纤传感器的成本很高。方案三成本低，电路简单，且不受可见光的干扰，稳定性好，因此采用方案三作为点滴检测方案。测量相邻点滴落下的时间间隔即可确定点滴速度。

2.2.3 液位检测模块

方案一：同液滴速度测量部分，采用红外发射接收管。

方案二：用测定电容的方法来检测。在瓶壁上用两片薄金属箔包裹，构造出一个电容，内部是玻璃、空气和水构成的混合介质。利用万用表内部的测量电容的电路测出它的等效电容，得出水位在2-3cm处的值，当测试时，检测到水流出后，电容再达到这一值时，即可认为是液面到达警戒线，即可以由单片机发出报警信号。经验数据可知在整瓶加金属箔包裹后，水满时电容为0.3μF，到空瓶时电容为0.7μF，在警戒线的位置时电容在0.4μF左右。可见这样大小的电容测量可以实现。

方案三：利用超声回波检测技术，利用超声波在不同物质、不同密度内传播速度不同的原理，通过检测超声波发射后的回波时间来检测超声波穿过物质的结构，利用MCU 定时控制超声波的发射，利用中断回收检测到的回波，然后经MCU的数据处理获得需要的数据。此系统中，可预先测定液位达到警戒线时的回波时间然后再将每次测量结果与此进行比较，便可获知是否达到警戒液位。

经比较，方案一器件简单，软、硬件也都相对容易实现。方案二测电容的方法在实际中误差较大，金属箔也不易固定，考虑到这些因素放弃该方案。方案三理论成熟，但是由于超声波探测不可避免的存在一个盲区，盲区的大小与相应的MCU处理速度相关，在对精度要求较高的场合还需加入温度补偿模块及相应的软件算法以改善超声波探测

随环境温度的变化所产生的变化。考虑到软、硬件的复杂程度及要求的测量精度，我们采用方案一作为液位检测部分的检测方案。

2.2.4 电机模块

方案一：采用步进电机作为本设计的执行单元。步进电机在定位性能方面十分优越。

方案二：采用直流电动机，掉电后惯性大，转矩小，无暴死功能。

方案三：采用交流伺服电动机。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的应用。

方案四：采用直流伺服电动机。直流伺服电动机在高起动转矩、大转矩、低惯量的

系统中通常使用。

综上所述，步进电机和普通直流电机的主要区别在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度要求不高的情况下可以采用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点，交流伺服电动机运行平稳、噪声小，但控制特别是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量的直流伺服电动机相比，体积大，重量重，所以只适用于0.5-100W 的小功率控制系统。直流伺服电动机和交流伺服电动机相比，它具有机械特性较硬、输出功率较大、不自转、起动转矩大等优点。因此，基于以上多种因素决定采用方案四。

2.2.5 电机驱动模块

方案一:利用继电器的打开和闭合，控制电机的转速和方向，从而带动输液瓶的上升和下降。

方案二：采用VMOSFET管组成的H型电路来控制电机，此方法可以充分利用电源电压，有效地提高了输出功率，通过输入的脉冲信号控制电机的正反转，带动输液瓶的上升和下降。

以上两种方案中，方案一用继电器来控制直流电机是典型的弱电控制强电的方法。电路规模小，功耗小，但是本功能电路，所需外围元件较多，通用性较差且不便于系统的升级。而方案二只需外接一个扬声器即可实现凌阳特色的语音输出，无需设计硬件电路，其语音库的修改也较单独的语音芯片方便。故采用方案二作为系统的语音方案。2.2.6 键盘和显示模块

键盘采用4*4键盘方式，节省对单片机引脚的占用，节省内存。显示部分用数码管显示，用到的是共阴极的4位7段显示。

2.2.7 通讯模块

在这里主站和从站之间的通讯采用RS一485协议的通讯方式。

2.2.8 声光报警

当发生异常现象时，如：当储液瓶内液体降至警戒值2～3cm时，发光二极管会点亮，同时会有语音提示：“请注意点滴即将结束”，并发送报警信息给主机。

2.3 方案算法

2.3.1 闭环系统

在调节液滴速度时采用的系统为闭环控制系统。这种系统具有反馈环节，是把输出量直接（或间接）地反馈到输入端形成闭环，使得输出量参与系统的控制，他能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制系统极大地提高了系统的精度。

典型闭环系统结果框图如下：

图2.3 典型的闭环系统结构框图

2.3.2 算法的选择

本系统中电机控制算法可以用PID算法，也可用模糊控制算法。

（1）PID算法的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系，进行运算，将其运算结果用以输出控制。其控制精度较高但是相对响应时间较长。

（2）模糊控制算法通过计算机完成人们用自然语言所描述的控制活动，不需要事先通知对象的数学模型，具有系统响应快、超调小、过度过程时间短等优点。

对于本系统，用于驱动的直流伺服电机仅有正传、反转、停止三个状态，分别控制输液瓶的上升、下降及停止，在对点滴的速度进行测量时，为避免输液瓶加、减速所产生的加速度对点滴速度测量的影响，同时题目中给定的调整时间较长，因此在电机的控制过程中可以不加调速算法，直接让电机匀速上升或下降便可以达到所要求的精度。权衡利弊，采用基于有限状态机的参数自整定模糊控制算法。

2.3.3 模糊控制

所谓模糊控制，只是在控制方法上应用了模糊数学知识，其基本原理仍和经典控制理论、现代控制理论一样，没有改变，其核心是利用模糊集合论，把人类专家用自然语言描述的控制策略转化为计算机能够接受的算法语言，从而模拟人类的智能，达到对生

产过程进行控制的目的。模糊控制直接依据人类专业的控制经验进行设计，其设计不依赖于被控对象的模型，因此可以有效地实现对复杂、非线性、大滞后、不确定性严重的对象的控制。这也是它与经典控制理论和现代控制理论相比具有的最大优点。

模糊控制器控制规则的设计原则是：当误差较大时，控制量的变化应尽力使误差迅速减少；当误差较小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至振荡。

模糊控制器主要由四个基本部分组成，即模糊化、知识库、模糊推理、清晰化。

方框图如下：

图2.4 模糊控制结构框图

（1）模糊化

所谓模糊化，就是把输入偏差和偏差变化率根据输入变量模糊子集的隶属度函数找出所定义的各个语言值的隶属度的过程，从而把精确量输入“模糊化”成不同的语言值，实现模糊控制的第一步。此外，为了按照一定的语言规则进行模糊推理，还要事先确定输出量的隶属函数。

模糊化模块的作用是将一个精确的输入变量通过定义在其论域上的隶属度函数计

算出其属于各模糊集合的隶属度，从而将其转化成为一个模糊变量。

(2)知识库

知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标，它通常由数据库和控制规则库两部分组成。

①数据库中包含了与模糊控制规则及模糊数据处理有关的各种参数，其中包括尺度变换参数、模糊空间分割和隶属度函数的选择等。数据库提供所有必要的定义。所有输入、输出变量所对应的论域，以及这些论域上所定义的规则库中所使用的全部模糊子集的定义，都存放在数据库中。在模糊控制器推理过程中，数据库向推理机提供必要的数据。在模糊化接口和清晰化接口进行模糊化和清晰化时，数据库也向它们提供相应论域的必要数据。

②规则库存放模糊控制规则。模糊控制规则是基于手动操作人员长期积累的控制经验和领域专家的有关知识，它是对被控对象进行控制的一个知识模型。这个模型建立的是否准确，将决定模糊控制器性能的好坏。在模糊控制中，通过一组语言描述的规则来表示专家的知识，专家知识通常具有如下的形式:

IF(满足一组条件)THEN(可以推出一组结论)

在IF一THEN规则中的前提和结论均是模糊的概念，常常称这样的IF一THEN规则为模糊条件句。因此在模糊控制中，模糊控制规则也就是模糊条件句。模糊控制规则的一般形式通常如下:

RI:如果x是Al and y是Bl，则z是cl

R2:如果x是A2 and y是B2，则z是CZ

……………………………………………….

Rn:如果x是An and y是Bn，则z是Cn

模糊规则是设计模糊控制器的核心，建立模糊控制规则的常用方法是经验归纳法。所谓经验归纳法，就是根据人的控制经验和直觉推理，经整理、加工和提炼后构成模糊规则系统的方法。这些规则实质是人类控制行为的一种语言描述。模糊控制器最常用的结构为二维模糊控制器，它们的输入变量一般取误差和误差变化率，输出则为控制量的增量。

(3)模糊推理

模糊推理具有模拟人的运用模糊概念进行推理的能力。由于模糊控制规则实际上是一组多重条件语句，可以表示为从输入变量论域到被控制量论域的模糊关系矩阵，模糊推理的作用就是采用合适的推理方法，将输入变量的模糊向量与模糊关系进行合成，由此得到被控制量的模糊向量。模糊推理是模糊逻辑理论中最基本的问题。常用的模糊推

理方法是最大最小推理。

(4)清晰化

通过模糊推理得到的是模糊量，而对于实际的控制则必须为清晰量，因此需要将模糊量转换成清晰量，这就是清晰化计算所要完成的任务。它包括以下两部分的内容:

①将模糊的控制量经解模糊变成表示在论域范围的清晰量;

②将表示在论域内的清晰量经尺度变换变成实际控制量。

清晰化计算通常有以下几种方法。

①最大隶属度法

这种方法非常简单直接选择模糊子集中隶属度最大的元素作为控制量，即隶属度最大值。

②中位数法

中位数法就是把模糊集中位数作为系统控制量。与第一种方法相比，中位数法概括了更多的信息，但计算比较复杂，特别是在连续隶属函数，需求解积分方程，因此应用场合要比后面介绍的加权平均法少。

③加权平均法

加权平均法即所谓的重心法，是模糊控制系统中应用较为广泛的一种判决方法。对于论域为离散的情况，它针对论域中的每个元素Xi(i=1，2，…，n)，以它作为待判决输出模糊集合Ui 的隶属度与)(u Ui μ的加权系数，即

∑∑===n i U i n i U i i u u X x 110)

()

(μ

μ （2.1） 平均值X 。便是应用加权平均法为模糊集合U 求得的判决结果。该方法既突出了主要信息，又兼顾了其它的信息，所以显得较为贴近实际情况，因而应用较为广泛。

模糊控制的特点：

模糊控制是基于模糊逻辑描述过程的控制算法，主要依据操作人员的经验和专家知识，适用于控制较难取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。对被控对象参数的变化具有较强的鲁棒性，对于外界的干扰具有较强的抑制能力等特点。模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过学习、试验及长期

经验积累而逐渐形成的，存贮在操作者头脑的一种技术知识集合。模糊控制一般是根据测量值与设定值的偏差和偏差变化率进行离线制表、在线查表来取得控制输出量，从而达到控制对象的目的。模糊控制具有多值逻辑模型，其输入一输出特性具有多值继电器特性，显然同传统的PID控制相比，模糊控制响应快，超调量小，参数变化不敏感，可有效克服系统的大滞后。