新結(jié)構(gòu)重心法去模糊單元電路設(shè)計(jì)

摘  要：為解決模糊控制器電路設(shè)計(jì)中的去模糊運(yùn)算問(wèn)題，提出了一種數(shù)�；旌想娐穼�(shí)現(xiàn)的模糊控制器去模糊運(yùn)算單元電路設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)折疊型Gilbert乘法器電路作適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，提出了多路乘法器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)輸入電壓與一個(gè)共同的乘數(shù)電壓的乘法運(yùn)算，并應(yīng)用該多路乘法器和運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了歸一化激活度計(jì)算電路。應(yīng)用歸一化激活度計(jì)算電路和加權(quán)求和電路組成了該新結(jié)構(gòu)的去模糊單元電路。采用無(wú)錫上華0．6μm混合信號(hào)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)完成。Hspice模擬結(jié)果表明該單元電路可以完成去模糊運(yùn)算工作，并作為子單元電路應(yīng)用于模糊控制器的VLSI實(shí)現(xiàn)。
關(guān)健詞：模糊控制器；Gilbert乘法器；重心法去模糊

    由于模糊邏輯系統(tǒng)具有處理不確定信息的能力，已在許多應(yīng)用領(lǐng)域中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。為了在復(fù)雜控制問(wèn)題中滿足高速度，和系統(tǒng)小型化的需求，采用專用集成電路芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制器已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)�，F(xiàn)代VLSl技術(shù)的高速發(fā)展又為模糊控制器芯片的研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
    模糊控制器的VLSI實(shí)現(xiàn)大體上可以分為數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)和數(shù)�；旌想娐穼�(shí)現(xiàn)兩大類。由于模擬電路比較數(shù)字電路具有更小的芯片面積和制造成本，所以模擬電路在模糊控制器芯片研究領(lǐng)域占有重要的地位。模糊控制器電路主要由模糊化單元、模糊推理單元、去模糊運(yùn)算單元和模糊邏輯規(guī)則庫(kù)等4部分組成。在模糊控制器中，去模糊電路一般采用重心法結(jié)構(gòu)，因而除法運(yùn)算是必須的。常規(guī)的數(shù)字電路所實(shí)現(xiàn)的除法器規(guī)模很大，而模擬電路實(shí)現(xiàn)高精度的除法器設(shè)計(jì)難度很大，因此采用先進(jìn)行模糊控制規(guī)則激活度的歸一化運(yùn)算，再通過(guò)加權(quán)求和的辦法完成去模糊成為了很好的解決方案，負(fù)反饋思想在電路設(shè)計(jì)中有重要應(yīng)用，文就提出了一種基于負(fù)反饋的非重心法設(shè)汁。本文提出了一種采用負(fù)反饋思想的，基于多路乘法器和運(yùn)算放大器組成的新結(jié)構(gòu)的重心法去模糊單元電路設(shè)計(jì)。

1 去模糊運(yùn)算的電路結(jié)構(gòu)
    模糊邏輯控制器在推理過(guò)程中先要計(jì)算出輸入變量對(duì)不同的模糊控制規(guī)則的激活度，然后由一個(gè)專門的去模糊電路單元來(lái)把依據(jù)許精確值以供系統(tǒng)輸出。
    模糊控制器有很多種去模糊的數(shù)學(xué)推理方法，其中重心法去模糊被認(rèn)為是在數(shù)學(xué)上具有最好的邏輯性和嚴(yán)謹(jǐn)性的，被廣泛應(yīng)用在模糊控制器芯片的設(shè)計(jì)中，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

    其中ωi為經(jīng)過(guò)前級(jí)隸屬度函數(shù)電路的推理計(jì)算得到的輸入變量對(duì)第i條規(guī)則的激活度。di為第i條規(guī)則的后件參數(shù)值。
    對(duì)式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)變換，則可以得到等價(jià)的表達(dá)式

    只要由各條模糊控制規(guī)則的激活度ωi，計(jì)算出與之對(duì)應(yīng)的歸一化激活度的值，就可以再通過(guò)簡(jiǎn)單的加權(quán)求和的辦法計(jì)算出模糊控制器的輸出值，相應(yīng)的去模糊運(yùn)算單元的電路框圖如圖1所示。這種去模糊結(jié)構(gòu)中加權(quán)求和運(yùn)算電路可以通過(guò)數(shù)字量控制的比例電流鏡實(shí)現(xiàn)，主要的問(wèn)題是歸一化激活度的計(jì)算電路的設(shè)計(jì)。

2 歸一化激活度計(jì)算電路設(shè)計(jì)
    采用如圖2所示的由多路乘法器和運(yùn)算放大器組成的負(fù)反饋環(huán)路即可以實(shí)現(xiàn)歸一化激活度的計(jì)算。該歸一化激活度計(jì)算電路的輸入信號(hào)為前級(jí)電路經(jīng)過(guò)模糊推理后計(jì)算出的表征被激活的模糊控制規(guī)則激活度的電壓信號(hào)Vω1、Vω2、Vω3、Vω4；該單元的輸出信號(hào)為多路乘法器的輸出電流。

    輸入電壓Vω1、Vω2、Vω3、Vω4代表同時(shí)被激活的4條模糊控制規(guī)則的激活度ω1、ω2、ω3、ω4。電流為多路乘法器的輸出電流，它們經(jīng)過(guò)1：1的電流鏡電路復(fù)制為兩路，一路是將4個(gè)電流求和，然后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫考虞d在運(yùn)算放大器(OPA)的負(fù)相輸入端構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路。另一路則將作為這個(gè)子單元電路的輸出信號(hào)供后級(jí)運(yùn)算使用。Iref=40μA是參考電流源電流。
    圖2所示電路中所用的多路乘法器是由Gilbert乘法器經(jīng)過(guò)擴(kuò)展得到的。圖3為一個(gè)折疊型Gilbert乘法器，它的傳輸函數(shù)為

其中k為電路結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)

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