GB/T 15969.7-2008 可编程序控制器 第7部分：模糊控制编程

ICS25．040．40

N18

酉雪

中华人民共和国国家标准

6113卜7：2000

GB／T15969．7--2008／IEC

2001

17165．3

代替GB／T

可编程序控制器

第7部分：模糊控制编程

controllers--Partcontrol

Programmable7：Fuzzyprogramming

61131

(IEC7：2000，IDT)

2008—06-30发布

宰瞀髅鬻瓣警辫瞥星发布中国国家标准化管理委员会仅19

15969．7--2008／1EC6113卜7：2000

GB／T

目次

前言…………··………

1范围………………

2规范性引用文件…………………

3术语和定义…·…·-………………

4模糊控制在可编程序控制器中的集成…………Ⅲ●，●0

5模糊控制语言(FCL)……………0

5，l模糊控制程序的交换…………0

5．2模糊控制语言元素………·…·0

5．3模糊控制语言(FCL)示例……-·

5．4模糊控制语言(FCL)的产生式规则和关键字一

6相符性…………·…·

6．1模糊控制语言(FCI。)的相符性等级…………··

6．2数据检查清单…·………………

附录A(资料性附录)理论………··

附录B(资料性附录)示例………-·

附录c(资料性附录)工业实例：集装箱吊车…·-

附录D(资料性附录)在规则块中使用变量的例子

附录E(资料性附录)符号、缩写、同义词………··n屹坫¨"M四n曲匏

图l用功能块图FBD表示的模糊控制功能块示例…………

-………

图2模糊控制语言(FCL)程序的数据交换………

图3使用ST语言和FBD语言的功能块接口说明示例………

图4上(下)界型示例……………

图5隶属函数的变量用法示例………………··

图6单点集语言项的示例………

图7模糊功能块示例……………-……………

图8相符性等级………………‘

图A．1语言项“法定年龄”和“成年人”的隶属函数…………·

图A．2用语言形描述语言变量“年纪”和其在时间尺度(年龄)上的对应关系

图A．3常用的隶属函数的形状……·····……--

图A．4两个隶属函数之间运算的算法………-

图A．5模糊控制的结构和功能元素…·…·……………··……

图A．6模糊化原理(示例)………………·……

图A．7用控制规则形式表示的知识库……··

图A．8两个变量的矩阵表示…………………·

图A．9推理元素…………·…………………··

图A．10a)聚集原理(举例说明)………………·

图A．10b)激活原理(举例说明)……………·

图A．10c)综合原理(举例说明)………………-

图A．11a)清晰化方法……-…-·

n¨培¨珀孔毖毖毖船船驰孔坫弘●

6113I-7：2000

GB／T15969．7--2008／IEC

图A．iib)

左取大和右取大的区别

图A．11c)面积中心线和重心的区别

图A．11d)清晰化方法……………

图A．12a)

模糊控制器：基本结构…

图A．12b)模糊控制器示例………

图B．1预先控制示例…………

图B．2参数自适应调整举例…-

图B．3直接模糊控制示例……-

图c．1工业实例：集装箱吊车…·

图C．2吊车头与目的地之间的“距离”语言变量

图C．3集装箱和吊车头形成的“角度”语言变量

图c．4“功率”语言变量…··

图C．5规则库………………·

图C．6“距离”语言变量的模糊化……………·

图C．7“角度”语言变量的模糊化…………·

图C．8三个规则的子集……·

图C．9聚集的元素…·……-……………·……

图c．10聚集原理………·

图c．¨激活的元素……………-

图C．12激活原理………………

图C．13综合的元素……………·

图C．14综合原理……………

图C．15清晰化…………………-

图c．16FCL应用实例………·

图D．1受控系统原理………··

图D．2烤炉的模糊控制原理…-……………·

图D．3规则块…………………·

图D．4FCL示例…………·拍孙卯即船船舶∞驵孔跎弛弛鹳弘¨“弘跖弘弘拍耵玎∞∞∞如

表1清晰化方法………………一

表2清晰化方法的公式………·

表3OR和AND对偶算法·…·一，，8

表4激活方法……o

表5综合方法……

表6运算符优先级……………-

表7保留关键字………………·

表8FCL基本级语言元素(必备)

表9FCL扩展级语言元素(可选)

表10开放级语言元素清单示例·

表11数据检查清单……………·

表A．1推理步骤和常用算法…·

表c．1推理步骤和指定的运算符

表E．1符号、缩写………………-

表E．2同义词…·o加H¨¨""孔弛铊蛇

Ⅱ

61191-7：2000

GB／T15969．7--2008／1EC

刖置

GB／T15969《可编程序控制器》分为以下几部分：

——第1部分：通用信息；

——第2部分：设备特性；

——第3部分：编程语言；

——第4部分：用户导则；

——第5部分：通信；

——第6部分：基于现场总线的可编程控制器通信；

——第7部分：模糊控制编程。

本部分为GB／T15969的第7部分。

本部分等同采用IEC61131—7：2000《可编程序控制器第7部分：模糊控制编程》(英文版)。

61131—7

根据GB／T1．1—2000《标准化工作导则第1部分标准的结构和编写规则》，对IEC

2000进行了下列编辑性修改：

a)“本标准”改为了“本部分”；

61131

b)删除了IEC7：2000的前言；

c)凡有“IEC61131”的地方改为“GB／T15969”；

d)用小数点“．”代替作小数点的逗号“，”；

本部分代替GB／T17165．3—2001《模糊控制装置和系统第3部分：可编程控制器模糊控制编程》。

本部分与GB／T17165．3-2001相比，主要变化如下：

……将“模糊控制装置和系统第3部分：可编程控制器模糊控制编程”改为了“可编程序控制器

第7部分：模糊控制编程”；

17165．3

——将标准号由“GB／T2001”改为“GB／T15969．7—2008”；

——“定义”改为“术语和定义”(GB／T17165．3—2001的第3章；本部分的第3章)；

61131

——将第3章中术语的排列顺序，按照IEC7：2000中术语的排列顺序进行了调整

(GB／T17165．3200l的第3章；本部分的第3章)；

——根据GB／T1．1—2000，进行了重新排版。

本部分的附录A、附录B、附录C、附录D、附录E都是资料性附录。

本部分由中国机械工业联合会提出。

本部分由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会第五分技术委员会归口。

本部分负责起草单位：西南大学、中国四联仪器仪表集团。

本部分参加起草单位：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京机械工业自动化研究所。

本部分主要起草人：唐雁、陈映萍、黄巧莉、刘进。

本部分参加起草人：冯晓升、谢兵兵。

本部分所代替标准的历次发布情况为：

——GB／T17165．32001。

m

61131-7：2000

GB／T15969．7--2008／IEC

可编程序控制器

第7部分：模糊控制编程

1范围

GB／T15969的本部分定义了在可编程控制器中应用模糊控制的编程语言。

本部分规定了制造商和用户将模糊控制应用集成于GB／T

语言中的基本方法，以及在不同编程系统之间交换可移植模糊控制程序的可能性。

为了帮助读者理解本部分内容，附录A简单介绍了模糊控制和模糊逻辑的最基本内容。

2规范性引用文件

15969的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，

下列文件中的条款通过GB／T

其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的

各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。

2900．56200260050—351：1998，IDT)

GB／T电工术语自动控制(IEC

61131—3：2002，IDT)

15969．32005可编程序控制器第3部分：编程语言(IEC

GB／T

3术语和定义

下列术语和定义适用于本部分。

15969．3—2005确定。

其他有关编程语言的定义由GB／T

注：本章定义的术语在定义主体中以黑体字出现。

3．1

综合accumulation

把各条控制规则推理的结果汇总成一个总的推理结果。

注：即推理结果的聚集。

3．2

聚集aggregation

由一条规则的多个子条件的隶属度计算该条规则条件(前件部分)的满足程度。

注：即确定一条规则的激活程度。

3．3

激活activation

规则条件的满足程度作用于一个输出模糊集的过程。

3．4

结论conclasion

简单或多维模糊条件语句“若……，则……”中的“则……”部分。

注：控制规则的输出，也称后件(consequent)。

3．5

条件condition

简单或多维模糊条件语句“若……，则……”中的“若……”部分。

注：也称前件(antecedent)，由模糊算子AND，OR，NOT结合各子条件组成的一个表达式

15969．7--2008／IEC61131_7：2000

GB／T

3．6

set

清晰集crisp

模糊集的一种特例，其隶属函数仅取两个值，通常规定为0和1。

3．7

清晰化defuzzification

将模糊(逻辑)推理后得到的模糊集转变成为用作控制的清晰值的过程。

3．8

of

membership

隶属度degree

隶属函数的函数值。表示指定元素隶属于一个模糊集合的程度，其取值范围为[o，1]区间。

3．9

模糊化fuzzification

将输入量的清晰值转变为可用于模糊(逻辑)推理的模糊集合的过程。

注：在本部分中具体指求出清晰的输入值对于相应的输入语言变量的每一个语言项的隶属度。

3．10

control

模糊控制fuzzy

用模糊(逻辑)推理方法，模拟人的操作技能、控制经验和知识的一种控制方法。

3．11

模糊逻辑fuzzylogic

应用模糊集合理论对模糊的概念、判断和推理进行量化处理和分析的一种非经典逻辑。

注：模糊逻辑的狭义理解是指真值在[o，1]区间上取值的无限多值逻辑。

3．12

模糊算子fuzzyoperator

在模糊逻辑中所采用的算子。

注：例如AND，OR，NOT等。

3．13

set

模糊集fuzzy

带有隶属程度(以[o，1]区间上的数表示)的事物(物体、对象或概念)的整体。

推理inference

以已知的模糊命题为前提(包括大前提和小前提)，提出新的模糊命题作为结论的过程。

3．14

rule

语言规则linguistic

“IF-THEN”规则“if—then”rule，表征模糊控制策略的模糊条件语句。

注：规则是一个形如“若<条件部分>'贝0<结论部分>”的语句，其中条件部分和结论部分二者之一或全部是语言项

3．15

term

语言项linguistic

语言变量的取值。语言项是以模糊集来定义的。

value)，

注：即语言值(1inguistic

3．16

variable

语言变量linguistic

以人工或自然语言的词、词组或句子(语言项)作为值的变量。

3．17

function

隶属函数membership

表征论域中每一元素隶属于一个模糊集合的程度的函数。

2

6113I-712000

GB／T15969．7--2008／IEC

了．18

单点集singleton

隶属函数仅在一点为l而在其余点为0的模糊集。

3．19

子条件sobeondition

形式为一个变量或“语言变量Is语言项”的基本表达式。

3．20

base

规则库rule

为实现某些目标而建立的控制规则的总和。

3．21

factor

加权因子weighting

描述控制规则的重要程度、可信程度和置信程度的、其值介于0--1之间的一个数。

4模糊控制在可编程序控制器中的集成

15969．3～

模糊控制应用参照本部分第5章规定的模糊控制语言(FCL)进行编程时，应封装于GB／T

2005所定义的功能块(或程序)内。GB／T

部分，

以模糊控制语言<FcL)定义的功能块类型将对输入输出参数、模糊控制具体规则和说明给出规定。

相应的功能块实例应包含该模糊控制应用的具体数据。

以模糊控制语言(FCL)定义的功能块可以用于按GB／T15969．3给出的任一种语言(如梯形图、指

令表等)所编写的程序或功能块。用FCL编写的功能块或程序的输入输出参数的数据类型应与相应的

“调用环境”的参数的数据类型相匹配，如图l所示。

图1用功能块圈FBD表示的模糊控制功能块示例

GB／T

15969．3—2005的图形语言FBD(功能块圈)表示的程序或功能块中。

5模糊控制语言(FCL)

5．1模糊控制程序的交换

15969．3

模糊控制语言(FCL)以GB／T2005规定的编程语言的定义为基础。模糊控制算法与程

序环境的交互使它在程序中“隐藏”起来。所以，模糊控制算法外部表示成GB／T15969．3—2005规定

6113卜7：2000

GB／T15969．7--2008／1EC

的模块形式。描述模糊控制功能块内部的语言部分所必需的元素，如隶属函数、规则、算子和推理方法

均必须按照本章来定义。

FCL的语言元素把不同厂家的模糊控制组态工具之间的数据交换标准化成通用形式，如图2所

示。用这种通用形式，每个生产可编程序控制器的厂家均可保持自己的硬件、软件编辑器和编译器不

变。厂家只需在其编辑器中支持数据接口，用户的模糊控制项目就可以在不同厂家的产品之间交换。

图2模糊控制语言(FCL)程序的数据交换

5．2模糊控制语言元素

本条通过示例给出模糊控制语言元素，详细的产生式规则将在5．4中给出。

5．2．1功能块接口

15969．3—2005给出的下列标准语言元素。

按照第4章，模糊功能块的格式要求使用GB／T

15969．3—2005来定义。

些参数的数据类型应按GB／T

图3是用结构化文本(sT)语言和功能块图(FBD)语言来描述功能块说明的示例。

61131-7：2000

GB／T15969．7--2008／IEC

图3使用ST语言和FBD语言的功能块接口说明示例

5．2．2模糊化

输入变量的清晰值必须变换成定义于该变量论域上的隶属函数的隶属度，这一变换在关键字

FUZZIFY和END—FUZZIFY之间说明。

已定义过的变量名。对该语言变量应赋予一个或多个语言项。由关键字TERM引导的语言项由隶属

函数来描述，以用于计算输入变量的清晰量的隶属度。隶属函数一般是分段线形函数，由含有多个点的

一张表来定义。

每个点由一个数对，即该变量的值及相应的隶属度的值来表示，其间用逗号分开。每个数对均用括

号括起来，其间也用逗号隔开。

通过这一定义，所有简单形式的隶属函数如上(下)界型(如图4所示)、三角型等都易于定义。这些

点应按输入变量值递升的顺序给出，隶属函数在相邻点之间约定为直线。相对每一语言项的隶属度都

可以通过相邻隶属函数点之间的线性插值计算出来。

点的数目最小为2，其最大值应受第6章规定的相符性等级所限制。

用三个点表示的语言项“warm”的隶属函数示例如下：

小于第一个点的全部输入变量值的隶属度均取与第一个点同样的隶属度值。

大于最后一个点的全部输入变量的隶属度均取与最后一个点同样的隶属度值。

GB／T61131-7：2000

15969．7--2008／IEC

注：隶属函数的点的数据类型未加定义，厂商必须提供适应任何变换需要的编译器。

图4上(下)界型示例

为使模糊控制能实现在线自适应调整，隶属函数的基点应可以调整。这种调整可以通过输入到功

能块的变量来实现。这些变量必须在功能块的VAR—INPUT部分中加以说明。用变量来定义隶属函

数某些点的示例见图5。

注：隶属函数的点的值在运行时，次序可能变化。

5．2．3清晰化

和ENDLDEFUZZIFY之间描述。

中已定义过的变量名。

语言项的定义见5．2．2，

为了简化清晰化的过程，输出隶属函数常用单点集，它的每一个语言项仅用一个单值来描述。图6

给出了示例。

GB／T15969．7--2008／IEC

清晰化方法用语言元素METHOD来定义。

允许使用下列清晰化方法(见表1和表2)。

表1清晰化方法

关键字解释

CoG

重心(注1)法

CoGS

CoA面积中心(注2和注3)

I。M左取大(注4)

RM右取大(注4)

注1：重心法等同于求面积重心。

注2：面积中心法等同与求面积平分线的坐标值

注3：单点集不能使用CoA。

注4：LM和RM清晰化方法对0点是非对称的。

表2清晰化方法的公式

61131-7：2000

GB／T15969．7--2008／IEC

表2(续)

式中：

u——清晰化结果

”——输入变量

p——单点集的个数

p——模糊集综合后的隶属函数

i——下标

Min——在RANGE中给定清晰化时用到的变量最小值，在单点集的情况下Min=

Mnz——在RANGE中给定清晰化时用到的变量最大值，在单点集的情况下Min=+

s“p——最大值

tn，——最小值

如果对一个输出变量所有语言项的隶属度都为0，则表示对该变量无规则被激发。在这种情况下，

清晰化不能生成一个有效的输出。此时，可以为输出指定一个缺省值。只有在无任何规则激发时，输出

值才取缺省值。

DEFAULT：一valueNC

保持上一步推理结果不变。

范围是指定的一个最小值和一个最大值，其闯用两点分开。

叵至三三三互三三三互二二二二二二二二二二二]

RANGE是用来限定输出变量的每一个隶属函数均在输出的范围之内。如果输出隶属函数采用单

点集，则RANGE不起作用。

15969．3

如果未定义其范围．则缺省范围为GB／T2005中所规定的该变量数据类型的范围。

5．2．4规则块

模糊推理算法应在一个或多个规则块中加以定义。为适应将规则库分成几个不同模块的可能情

况，可以使用若干个规则块。每个规则块有一个唯一的名称。

规则应定义在关键字RULEBLOCK和END二RULEBLOCK之间。

模糊算子用于规则块中。

表3OR和AND对偶算法

OR算子AND算子

算法关键字算法算法关键字算法

MAXMax(12l(z)，122(z))MINMin(121(z)，12z(z))

PROD

ASUM121(z)+122(z)一Fl(z)’F2(z)121(z)。12z(z)

BSUMMin(1，Fl(z)+F2(z))BDIF

8

6113卜7：2000

GB／T15969．7--2008／1EC

规则块示例

下面的语言元素定义了激活方法：

表4列出了可选用的激活方法。

表4激活方法

名称关键字算法

乘积PRoDF1(z)+p2(z)

取小运算M