ie工業(yè)工程_labview的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)模糊控制器，將設(shè)計(jì)出的模糊控制器應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了在有干擾作用的情況下對(duì)烤箱溫度的控制，取得較好的控制效果。關(guān)鍵詞：虛擬儀器 模糊控制 熱電偶AbstractThis paper is design issue is the use of LabVIEW fuzzy control, through the design of fuzzy control procedures to control the plant (oven) temperature. Finally, it comes ture control the temperature of oven even if there has disturb.Keywords: 1引言虛擬儀器（LabVIEW），就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義虛擬面板，測(cè)控功能由軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理和保存，利用IO接口設(shè)備完成信號(hào)采集、測(cè)量與控制。模糊控制的基本思想是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)多是用語言表達(dá)的具有相當(dāng)模糊性的控制規(guī)則。因?yàn)橐肓巳祟惖倪壿嬎季S方式，使得模糊控制器具有一定的自適應(yīng)控制能力，有很強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，因而特別適用于沒有精確數(shù)學(xué)模型的實(shí)際系統(tǒng)。本文將模糊控制的基本思想應(yīng)用到基于虛擬儀器的溫度控制系統(tǒng)中。通過熱電偶測(cè)量烤箱實(shí)際溫度，與給定值比較。當(dāng)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度之間存在較大的偏差(e6)時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生占空比較大的脈沖序列，全力加熱。當(dāng)系統(tǒng)溫度與設(shè)定溫度之間偏差小于6攝氏度，采用模糊控制算法。模糊控制器根據(jù)誤差和誤差變化率，經(jīng)過模糊推理輸出脈沖序列的占空比的大小,經(jīng)過固態(tài)繼電器控制烤箱電源得通斷, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)烤箱溫度的控制。2系統(tǒng)組成模糊控制器執(zhí)行器AAAAAAAA電烤箱向熱電偶給定值輸出量圖1 溫度控制系統(tǒng)框圖2.1 硬件組成傳感器：熱電偶；信號(hào)調(diào)理電路： SC-2345信號(hào)調(diào)理箱，SCC-TC02熱電偶調(diào)理模塊；溫度信號(hào)采集：DAQ多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI6014；執(zhí)行器：DAQ多功能數(shù)據(jù)采集卡上的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，固態(tài)繼電器；對(duì)象：電烤箱。2.2溫度測(cè)量1數(shù)據(jù)采集熱電偶有三個(gè)較為突出的優(yōu)點(diǎn)：其一，測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響；其二，測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）；其三， 構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。根據(jù)正、負(fù)極用材料的不同，熱電偶分為B、E、J、K、R、S、T、Y型。采用的是K型熱電偶，其正極為鎳鉻合金，負(fù)極為鎳硅合金。與其它類型的熱電偶相比，K型熱電偶的線性較好，使用方便，因而在工業(yè)測(cè)量中被廣泛使用。而實(shí)際工作中，熱電偶的自由端（冷端）是在室溫下，為了得到正確烤箱溫度，在查分度表時(shí)，要將室溫對(duì)應(yīng)的熱電偶的熱電勢(shì)考慮進(jìn)去，這就是冷端補(bǔ)償。2信號(hào)調(diào)理測(cè)溫元件熱電偶產(chǎn)生的是低電壓信號(hào)，它需要進(jìn)一步的放大、過濾以及線性化等處理 本文采用SCC-TC02熱電偶調(diào)理模塊，通過SC-2345屏蔽盒與數(shù)據(jù)采集卡相連。SCC-TC02熱電偶調(diào)理模塊工作原理圖如圖2所示。圖2SCC-TC02熱電偶調(diào)理模塊工作原理圖SCC-TC02接受三個(gè)信號(hào)：TC+ ，TC- ，和GND 。TC+是熱電偶的正極和TC-是熱電偶負(fù)極 。接地端子連接到AIGND的E系列DAQ裝置。熱電偶冷端信號(hào)和傳感器信號(hào)測(cè)量的分別由E系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備從X和X+8通道獲得，其中X為0到7取決于操作者插TC02在SCC-2345的哪個(gè)插槽。SCC-TC02熱電偶調(diào)理模塊的工作電路由兩部分組成，一部分與熱電偶連接，內(nèi)部具有100倍的放大器和濾波器，將熱電勢(shì)放大，濾波；另一部分是用熱敏電組測(cè)量室溫的電路，用公式算出室溫，對(duì)熱電偶冷端補(bǔ)償。3數(shù)據(jù)處理利用Labview程序中多通道數(shù)據(jù)采集子VI將檢測(cè)端數(shù)據(jù)和冷端數(shù)據(jù)兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)（第X通道和X+8通道）采集到數(shù)組中，再經(jīng)過Index Array把數(shù)組分離開，然后分別處理。3.1 熱電偶檢測(cè)到的數(shù)據(jù)處理第X通道采集上來的數(shù)據(jù)從數(shù)組輸出并且取平均值（取平均值是為了消除隨機(jī)誤差），這個(gè)數(shù)值就是熱電偶此時(shí)的電壓值，把這個(gè)數(shù)乘1000（因?yàn)椴杉蟻淼碾妷盒盘?hào)的單位是伏特，而K型熱電偶的分度表中的電壓是毫伏），然后再除100，(因?yàn)闊犭娕颊{(diào)理模塊里有一個(gè)100倍的放大電路)把結(jié)果輸入到分段子程序中，進(jìn)行分段子程序處理。由于熱電偶的溫度與電壓的關(guān)系是非線性的，為了把它分段線性化，所以就把溫度分成若干段，認(rèn)為在每段里，溫度和電壓的關(guān)系是線性的，可以用公式算出當(dāng)時(shí)電壓所對(duì)應(yīng)的溫度值。分段的依據(jù)就是K型熱電偶的分度表，見表2.1表1：K型熱電偶分度表T（）0102030405060708090E（mV）0.0000.3970.7981.2031.6122.0232.4372.8523.2673.682T（）100110120130140150160170180190E（mV）4.0974.5094.9205.3285.7356.1396.5406.9417.3407.739T（）200210220230240250E（mV）8.1388.5398.9409.3439.74710.153熱電偶測(cè)溫的部分，將檢測(cè)到的溫度以電壓值的方式傳到計(jì)算機(jī)，這就需要把電壓值轉(zhuǎn)換成溫度，轉(zhuǎn)換成溫度才便于觀測(cè)和顯示。以10為單位，根據(jù)分度表（參見下表1），分出12個(gè)等分的溫度段，然后進(jìn)行分段線性化，把采集到的電壓分段，在每一段內(nèi)，采用線性插值的方法計(jì)算，利用以下公式：經(jīng)過分段子程序進(jìn)行處理后，輸出的數(shù)值是烤箱溫度相對(duì)室溫的差值。熱電偶信號(hào)處理子程序使用了一個(gè)case結(jié)構(gòu)，見圖3：圖3 熱電偶信號(hào)處理子程序3.2 利用熱敏電阻測(cè)量室溫進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)赬+8通道采集上來的數(shù)據(jù)從數(shù)組輸出并且取平均值，把這個(gè)數(shù)值輸入到公式子程序中，經(jīng)過公式子程序進(jìn)行處理后，輸出的數(shù)值就是室溫。熱敏電阻的部分，利用冷端轉(zhuǎn)換模塊是根據(jù)SCC-TC02說明中所給出的公式：T（）=TK-273.15RT是熱敏電阻的歐姆值通過公式編輯器，直接輸入公式轉(zhuǎn)換得出溫度值。由于采用的K型熱電偶的線性度較好，為了程序的簡化，把熱電偶的溫度和室溫的差值和室溫直接相加，結(jié)果就是烤箱的溫度。4 模糊控制器設(shè)計(jì)模糊控制的實(shí)現(xiàn)要經(jīng)過5個(gè)步驟：4.1確定模糊控制器的輸入、輸出語言變量系統(tǒng)誤差及其變化率作為模糊控制器的輸入變量，以u(píng)作為輸出變量作為模糊控制器輸出，模糊控制器是雙輸入單輸出型。4.2模糊化。用模糊語言變量E、EC、U來描述偏差、偏差變化率及輸出。因?yàn)榭鞠洳荒苓M(jìn)行降溫的操作，烤箱溫度如果大于給定值，只能不加熱自然降溫，所以只考慮誤差為正情況。把6攝氏度分為7個(gè)檔，即：正很小，正小，正中小，正中，正中大，正大，正很大，記為E=PVS,PS，PMS, PM，PMB，PB，PVB7檔，E的論域?yàn)?, +1, +2, +3,+4,+5,+6。同理：誤差變化率分成7檔，即：負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大的模糊子集為：EC=NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB，量化EC的論域?yàn)?3, -2, -1, 0, +1, +2, +3,輸出變量U也分為7個(gè)檔，即：正很小，正小，正中小，正中，正中大，正大，正很大，記為U=PVS,PS，PMS, PM，PMB，PB，PVB7檔，U的論域?yàn)?, +1, +2, +3,+4,+5,+6。量化因子分別為，則Ke=1，Kec=1，Ku =0.1。誤差隸屬度、誤差的變化率隸屬度和控制量隸屬度分別如表2、表3和表4所示表2 誤差隸屬度 E變量0123456PVB0.40.71PB0.40.710.7PMB0.40.710.7PM0.40.710.7PMS 0.40.710.7PS0.710.7PVS10.7表3 誤差的變化率隸屬度 E變量-3-2-10123PB0.10.40.81.0PM0.20.71.00.2PS0.51.00.5ZR0.51.00.5NS0.70.81.00.5NM0.81.00.70.5NB1.00.80.40.1表4 控制變量隸屬度 U變量0123456PVB0.40.71PB0.40.710.7PMB0.40.710.7PM0.40.710.7PMS 0.40.710.7PS0.710.7PVS10.74.3 形成模糊規(guī)則表系統(tǒng)的溫度達(dá)到穩(wěn)定，要經(jīng)過振蕩，超調(diào)，回調(diào)，反復(fù)調(diào)試，才能做到。溫度達(dá)到穩(wěn)定的過度過程，可以分為四個(gè)階段，如圖4：圖4 系統(tǒng)溫度響應(yīng)曲線0- 階段：0 0 表示的物理意義是：系統(tǒng)溫度未達(dá)到給定溫度，系統(tǒng)正在升溫，相差大時(shí)，占空比應(yīng)較大，相差小時(shí)，占空比減小甚至為0，考慮系統(tǒng)的滯后，應(yīng)提前停止加熱。-階段： 0 0 表示的物理意義是：系統(tǒng)溫度超過到給定溫度，系統(tǒng)正在升溫，超調(diào)，停止加熱，占空比為0。-階段： 0 表示的物理意義是：系統(tǒng)溫度超過到給定溫度，系統(tǒng)正在降溫，超調(diào)，停止加熱。-階段： 0 0 表示的物理意義是：系統(tǒng)溫度未達(dá)到給定溫度，系統(tǒng)正在降溫，應(yīng)該加熱，相差大時(shí)占空比大。根據(jù)模糊變量的賦值表、模糊變量的賦值表、輸出變量u的賦值表和對(duì)系統(tǒng)物理意義的分析，為負(fù)值的時(shí)候，表示的物理意義是正處于升溫的過程中；為正值的時(shí)候，表示的物理意義是正處于降溫的過程中；為零的時(shí)候，表示的物理意義是的溫度沒有變化。這樣可以根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的溫度與給定溫度的差值（）和系統(tǒng)正處于升、降溫狀態(tài)（）來確定此時(shí)此刻輸出多大的占空比?？刂茮Q策表的規(guī)律不難得出.如表5所示表5 模糊控制規(guī)則表 EEPVSPSPMSPMPMBPBPVBPBPVSPVSPVSPSPMSPMPMBPMPVSPVSPSPMSPMPMBPBPSPVSPSPMSPMPMBPBPVBZRPVSPSPMSPMPMBPBPVBNSPVSPMSPMPMPMBPBPVBNMPVSPMPMPMBPBPVBPVBNBPVSPMBPBPBPVBPVBPVB4.4 確定模糊決策表模糊控制器采用Mamdani 推理算法, 最大隸屬度法為解模糊策略得模糊控制量查詢表，如表6所示。表6 模糊控制量查詢表 E UE0123456-30122344-20122344-10234455002345561034555620455566304556665 溫度控制通過模糊控制輸出占空比，控制定時(shí)器產(chǎn)生占空比可調(diào)脈沖序列，經(jīng)過固態(tài)