( Dipl.-Ing. Tilo Könnecke )
ELV Fuzzy-Controller
Universeller Fuzzy-Controller zur Einbindung in
eigene Anwendungen
Die Fuzzy-Logik hat sich in den letzten Jahren aufgrund der
großen Zahl von erfolgreichen Anwendungen in Deutschland als
eine zusätzliche zukunftsweisende Technik der
Industrieautomation und Regelungstechnik etabliert. Mit dem hier
vorgestellten Fuzzy-Controller ist es möglich, diese Technologie
auf einfache Weise in eigenen Hardware-Anwendungen zu nutzen.
Eingenschaften
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Konzept
Durch die Verwendung spezieller Bauteile konnte die Hardware sehr klein gehalten werden (nur fünf ICs). Sie verfügt über zwei Fuzzy-Regler mit je acht Eingängen und je einem Ausgang, über A/D- und D/A-Wandler, sowie über eine Mikrocontroller-Schnittstelle. Zur Eingabe der Regeln, der Zugehörigkeitsfunktionen und weiterer Parameter dient eine Windows-Software. Mit ihr können auch Fuzzy-Regelungen getestet und Online optimiert werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit den Verlauf der Ein- und Ausgangswerte auf dem PC darzustellen. Die Kommunikation zwischen der Software und dem Fuzzy-Controller erfolgt mittels der seriellen Schnittstelle des PCs. Ist die Entwicklung einer Regelung abgeschlossen, kann die Hardware als eigenständiger Fuzzy-Controller in der Anwendung verbleiben, da alle Regelungsdaten in einem EEPROM abgelegt sind und nach dem Abschalten der Versorgungsspannung erhalten bleiben.
Kommunikationsfreudigkeit
Die Kommunikationsfähigkeit spielt bei dem Fuzzy-Controller eine wichtige Rolle, da er für den Einsatz in unterschiedlichen Hardwaresystemen gedacht ist. Generell kann zwischen zwei Kommunikationsarten gewählt werden:
1. Analog/PWM-Interface:
Das Analog/PWM-Interface stellt acht analoge Eingänge mit einem Spannungsbereich von null bis fünf Volt bereit. Per Software können diese Eingänge den zwei Fuzzy-Reglern in beliebiger Weise zugeordnet werden. Für die Ausgabe der berechneten Daten verfügt jeder Regler über ein Analog- und ein PWM-Ausgang, der ebenfalls einen Spannungsbereich von null bis fünf Volt besitzt. Die Ausgabe der PWM-Signale kann auf zwei Arten erfolgen. Bei der ersten wird analog zur Größe des Regler-Ausgangswertes die Pulsweite von 0 bis 100% erhöht. Die zweite Methode gibt zusätzlich mittels einer Steuerleitung ein Vorzeichen aus, mit dem sich beispielsweise eine drehrichtungsabhängige Motorsteuerung realisieren läßt.
2. Mikrocontroller-Interface:
Mit dem Mikroprozessor-Interface ist es möglich, den Fuzzy-Controller direkt mit anderen Mikroprozessoren zu verbinden. Die 8-Bit breite Schnittstelle ist dabei so ausgelegt, daß die gesamte Kommunikation wie z.B. das Setzten der Eingangsdaten oder die Übermittlung des Fuzzy-Ausgabewertes über sie abgewickelt werden kann. Zudem entsteht durch das Entfallen der Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandlung ein Geschwindigkeitsvorteil.
Schaltung
Zentraler Bestandteil der Schaltung ist ein Mikroprozessor (PIC 16C74A), der bereits intern über acht analoge Eingänge, zwei PWM-Ausgänge und ein Mikroprocessor-Interface verfügt. Zur Kommunikation mit dem Datenspeicher (EEPROM) und dem D/A-Wandler wird ein serieller Bus, der mit 1,25 MHz getaktet ist, verwendet. Dieser ermöglicht zusammen mit dem hohen Systemtakt von 20 MHz eine schnelle Abarbeitung des rechenintensiven Fuzzy-Algoritmus, so daß der Controller auch in zeitkritischen Systemen eingesetzt werden kann.
Leistungsmerkmale des Fuzzy-Controllers in
Überblick
| Zahl der Fuzzy-Regler | 2 |
| Zahl der Eingänge | 8 je Regler |
| Maximale Anzahl der Zugehörigkeitsfunktionen | 86 |
| Maximale Anzahl der Zugehörigkeitsfunktionen pro linguistischer Variable | 11 |
| Maximale Anzahl der Regeln | 60 |
| Inferenz-Methode | MAX/MIN |
| Defuzzyfizierung | Schwerpunktsmethode und Singletons |
| Zahl der Ausgänge | je Regler einen analogen, einen PWM und einen digitalen Ausgang |
| Externe Kommunikation über | Analog/PWM- und Mikrocontroller-Inertface |
| Auflösung der Ein- und Ausgänge | 8 Bit |
| Taktfrequenz des Controllers | 20 MHz |
| Abtastzeit | 4 ms bis 160 ms je nach Konfiguration des Reglers |
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