[機械儀表]基于LabVIEW 的模糊控制系統(tǒng)仿真平臺開發(fā)

1、i基于基于 labviewlabview 的模糊控制系統(tǒng)仿真平臺開發(fā)的模糊控制系統(tǒng)仿真平臺開發(fā)冉冉 北京林業(yè)大學 自動化指導教師 林劍輝摘要摘要隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)場被控對象和控制條件變得復雜，考慮因素增多，而對于控制性能要求卻逐漸提高。通常復雜的系統(tǒng)很難對控制量設計精確的算法，想要絕對精確變得不可能，需要在精確和復雜間找到平衡。模糊控制就是一種平衡的控制手段，在非線性復雜系統(tǒng)中發(fā)展很快。本文紹了一種以美國 ni 公司推出的虛擬儀器開發(fā)軟件 labview 為平臺的過程控制系統(tǒng)的仿真方法。本設計就是以 labview 編程軟件為基礎 ,介紹了其中控制模塊中模糊邏輯工具包(fuzzy logic

2、toolkit)中的子程序(vi) , 并應用其中模糊邏輯控制器設計 vi 構(gòu)建模糊控制器的方法。設置隸屬度函數(shù) , 建立模糊控制規(guī)則 , 創(chuàng)建模糊推理關系, 實現(xiàn)對模糊控制器設計的具體步驟, 并結(jié)合電液伺服模糊控制系統(tǒng)實例 , 利用模糊邏輯(fuzzy logic)模塊及 labview 建立系統(tǒng)仿真框圖。通過仿真曲線, 分析模糊控制器控制效果及其影響因素 , 從而大大縮短模糊控制器的設計周期 , 具有較大的工程實用價值。本文主要介紹了 labview 模糊控制器的開發(fā)背景、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及本系統(tǒng)設計的內(nèi)容、方法、步驟等，對仿真結(jié)果進行了分析對比。 關鍵字：關鍵字：labview;labv

3、iew; 發(fā)展；發(fā)展； 模糊控制器模糊控制器; ; 伺服電機伺服電機; ; 設計；設計； 仿真仿真iisimulation platform development of fuzzy logic control system based on labviewautomation07-2 071044230 ran ransupervisor lin jian-huiabstract with the development of technology, on-site of the controlled object and control conditions became more com

4、plex, more consideration, and for control requirements are gradually increased. complex system is usually difficult to precisely control the amount of the design algorithm, want absolute precision impossible, you need to find a balance between precision and complexity. fuzzy control is a balanced me

5、ans of control, the rapid development of nonlinear complex systems. this easy introduced one kind of simulation method of process control system by the platform of labview which pro-motes by ni corporation of america.this design with subvis in the fuzzy logic toolkit of control module are introduced

6、 based on labview. based on fuzzy logic controller design vi , an effective method of design fuzzy logic controller is introduced. the steps of setting membership function , fuzzy rules and fuzzy inter reference are introduced in details of design fuzzy controller. an application example of electric

7、 -hydraulic servo fuzzy control system is presented , when the fuzzy logic module and simulation module to build the simulation block of the system is used. as the response curve shown, the control effects of the fuzzy controller are analyzed. from above analysis , the period of design the fuzzy con

8、troller is reduced. i t has practical value for engineering. this paper mainly introduces the development background of the labview fuzzy controller, the domestic and foreign development status and this system of content, method and procedure, etc. also analyzes and compares the simulation results.

9、key words : labview ; development ; fuzzy controller ; servo motor ; design ; simulationiii目錄目錄摘要摘要 iiiiabstractiiiiii1 1 緒論緒論.1 11.1 課題開發(fā)背景及意義 .11.1.1 背景介紹.11.1.2、labview 模糊控制課題開發(fā)意義 .11.2 labview 模糊控制國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .21.2.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況.21.2.2 labview 模糊控制技術發(fā)展趨勢.31.3 模糊控制技術的應用 .41.4 本課題主要研究工作 .42 2 電液位置伺服系

10、統(tǒng)電液位置伺服系統(tǒng).5 52.1 伺服系統(tǒng)介紹 .52.2 伺服系統(tǒng)工作原理 .53 3 labviewlabview 模糊控制模塊模糊控制模塊 .7 73.1 模糊邏輯控制器設計 vi（fuzzy logic controller design vi）.73.2 加載模糊控制器 vi（load fuzzy controller）.73.3 模糊控制器 vi（fuzzy controller） .83.4 測試模糊控制器 vi（test fuzzy control） .84 4 電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設計電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設計.9 94.1 模糊控制技術 .94.2 模糊控制的特點 .94

11、.3 模糊控制器的設計 .94.3.1 模糊集合.94.3.2 隸屬度函數(shù).104.3.3 ifthen 規(guī)則 .114.3.4 模糊控制器總體設計方案.114.4 電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設計 .12iv4.4.1 輸入、輸出變量的確定.134.4.2 隸屬度函數(shù)的確立.144.4.3 模糊規(guī)則的確立.175 5 電液伺服模糊控制系統(tǒng)設計與仿真電液伺服模糊控制系統(tǒng)設計與仿真.19195.1 labview 編程簡介.195.2 電液伺服模糊控制系統(tǒng)工作原理 .195.2.1 控制系統(tǒng)工作原理.195.2.2 伺服模糊控制系統(tǒng)工作流程圖.195.3 控制系統(tǒng)程序框圖設計 .205.3.1 lab

12、view 編程界面介紹 .205.3.2 基本硬件控件的功能選擇.235.3.3 前面板硬件設計.305.3.4 后面板程序編程.315.4 仿真分析 .325.4.1 仿真結(jié)果.325.4.2 仿真結(jié)果對比分析.356 6 結(jié)論與展望結(jié)論與展望.36366.1 結(jié)論 .366.2 展望 .36致謝致謝.3737參考文獻參考文獻.383811 1 緒論緒論1.11.1 課題開發(fā)背景及意義課題開發(fā)背景及意義1.1.11.1.1 背景介紹背景介紹 模糊理論是在美國加州大學伯克利分校電氣工程系的 l.a.zadeh 教授于 1965 年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學基礎上發(fā)展起來的,主要包括模糊集合理論、

13、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容。自創(chuàng)立模糊集合理論以來,模糊控制技術在復雜大滯后、難以建立精確數(shù)學模型的非線性控制過程中表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。近 10 年來 ,因其不依賴于控制對象的數(shù)學模型、魯棒性好、簡單實用等優(yōu)點 ,模糊控制器已在自動化領域內(nèi)被廣泛研究和應用1。模糊控制作為智能控制的一種 ,實質(zhì)是對人腦的一種模擬。因此 ,模糊控制器的設計在很大程度上依賴于設計者的實踐經(jīng)驗。基于這些經(jīng)驗編制大量的程序進行分析和調(diào)試費時又費力 ,而預先采用計算機仿真 ,可盡快了解模糊控制器的特性和參數(shù)設置 ,從而縮短設計周期3。 labview 是美國國家儀器有限公司（全名：national inst

14、ruments co.ld. 簡稱：ni）最核心的軟件產(chǎn)品。它是一種以數(shù)據(jù)流驅(qū)動的圖形化編程語言代替文本編程語言創(chuàng)建應用程序的開發(fā)工具，主要用于測量、過程控制和數(shù)據(jù)分析的應用程序開發(fā)4。labview 是一種編程語言，與其他常見的編程語言相比，最大的特點就在于它是一種圖形化編程語言。它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。labview 集成了與滿足 gpib、vxi、rs-232 和 rs-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應用 tcp/ip、activex等軟件標準的庫函數(shù)3。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地

15、建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。在工程界、學術界和大學實驗室中，labview 被廣泛用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集與分析，其應用遍及電子、通信、生物醫(yī)學、機械等眾多學科領域。1.1.21.1.2、labviewlabview 模糊控制課題開發(fā)意義模糊控制課題開發(fā)意義 labview 是一種基于圖形編程的可視化開發(fā)環(huán)境，并有較為完善的硬件配套設備，可以很方便地完成各種控制功能?；?labview 的模糊控制系統(tǒng)仿真平臺可以更有效地展示模糊控制的運行機理，并結(jié)合硬件完成輸入輸出演示，克服 matlab 對硬件控制的不足5。labview 模糊控制是人工智能控制的一個重要

16、分支，它是運用模糊數(shù)學的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)2的實際響應情況，運用模糊推理決定系統(tǒng)控制量的大小。將模糊理論與控制策略相結(jié)合，可實現(xiàn)對參數(shù)在線自適應調(diào)整，使系統(tǒng)既具有模糊控制的靈活、適應性強的優(yōu)點，又具有控制精度高的特點。模糊控制器是當前控制領域的研發(fā)熱點之一，其研發(fā)的方法不盡相同6。labview 模糊控制器對干擾具有很好的魯棒性,可以通過調(diào)整比例因子及量化等級使控制品質(zhì)得到優(yōu)化 , 同時也說明了模糊控制與 pid 控制的相似之處?？衫媚：壿嬁刂破髟O計 vi 的輸入輸出性能測試功能和

17、測試模糊控制器 vi，直觀地觀察不同偏差和偏差變化率所得到的輸出是否達到所需要求，驗證控制規(guī)則是否正確可靠，進而對模糊控制器進行修改和完善。測試完畢后將數(shù)據(jù)保存后綴名為 fs 格式的數(shù)據(jù)文件中9。而且基于 labview 提供的系統(tǒng)辨識工具包、控制設計工具包、labview 仿真模塊、labview 實時模塊, 并且 labview 這種編程語言采用流程圖的形式開發(fā)應用程序, 很容易實現(xiàn)各個模塊之間傳遞數(shù)據(jù), 能夠盡快獲得模型及控制器信息, 更好地配置控制器參數(shù)達到最優(yōu)。1.21.2 labviewlabview 模糊控制國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢模糊控制國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.11.2

18、.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況 國外情況：模糊理論自它誕生之日起便顯示了強大的生命力。1974 年英國的馬丹尼（e.h.mamdani）首次將模糊理論應用于熱電廠的蒸汽機控制;1976 年英國的湯哥寫出第一篇理論性模糊控制方面的論文。之后,美國 、日本、英國等先后將模糊控制理論應用于機器人 、航天 、生產(chǎn)過程等領域7。80 年代模糊控制技術進入應用深入化、硬件專門化的時期,模糊控制取得了豐碩的成果：日本三菱電氣公司生產(chǎn)的 aj-2100 電梯群控系統(tǒng)采用了模糊控制,減少了 15%-20%的平均等待時間和 30%-40%的長等待時間;日本松下電器公司于 1990 年推出了“愛妻”模糊全自動洗

19、衣機(na-f50y5)耗電 380w,效果很好;日本三洋公司還把模糊控制應用到了電視攝像機、空調(diào)機、壓力電子爐、電飯鍋、機器人控制系統(tǒng)中,均取得了滿意的效果7。 國內(nèi)情況：自 1979 以來 我國許多學者在模糊控制領域開展了大量的理論以及仿真試驗研究,對我國工業(yè)應用模糊控制起到了推動作用 。近年來,在工業(yè)中應用模糊控制已取得了許多成果。1979-1980 年,李寶緩等人設計了一類缺乏數(shù)學模型的控制器并做了數(shù)字仿真，汪培莊、樓世博等人在模糊控制理論方面作了大量的研究工作,為模糊控制技術在工業(yè)控制領域的應用打下了基礎8。之后,田方成、李有善等人把模糊控制應用到冶金、化工等工業(yè)過程的控制領域,并取

20、得了可喜的成果。目前,我國模糊控制主要以軟件實現(xiàn)為主 ,在硬件開發(fā)環(huán)境方面和國外還有一定的差距 ,模糊控制的產(chǎn)業(yè)化和推廣有待進一步加強。近些年來，labview 模糊控制得到了很快的發(fā)展，這主要是由于模糊控制器可以應用專家的控制經(jīng)驗，對難以建立精確數(shù)學模型的被控過程實現(xiàn)自動控制。在日本，模糊控制得到了廣泛的應3用。許多公司成立了模糊系統(tǒng)研究機構(gòu)專門從事模糊系統(tǒng)的研究,并取得了很好的進展,表現(xiàn)在模糊控制洗衣機、 吸塵器、冶金、制造等自動控制行業(yè)中的應用。除此之外，模糊邏輯芯片和模糊計算機的研制也取得了進展。模糊集合理論是模糊控制器的基礎，模擬人的知識表達,知識推理方法是模糊理論的表達方法，其基本

21、內(nèi)容包括：模糊化、模糊控制規(guī)則、模糊推理和精確化。模糊控制是一種人工智能控制，可以實現(xiàn)非線性控制，可以得到比常規(guī)控制更優(yōu)良的控制效果，能實現(xiàn)對復雜過程的控制。然而，模糊控制要有較好的發(fā)展，必須具有較完善的控制規(guī)則。對于某些復雜的工業(yè)過程，有時難以總結(jié)出較完整的經(jīng)驗，并且當對象動態(tài)特性發(fā)生變化,或者受到隨機干擾的影響時模糊控制的效果還有待提高,所以還需促進模糊控制的深入發(fā)展。1.2.21.2.2 labviewlabview 模糊控制技術發(fā)展趨勢模糊控制技術發(fā)展趨勢 模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡協(xié)作系統(tǒng)的研究一直是人們關注的領域，因為世界上的任何過程與系統(tǒng)均可以通過激勵與相應的映射來表征， 而所有的智能系

22、統(tǒng)包括我們?nèi)祟愖陨硪嗫捎靡贿m應模型無關函數(shù)估計特征來概括。我們知道，神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)已被廣泛應用于各種領域，而模糊系統(tǒng)作為一種結(jié)構(gòu)型數(shù)字估計器還是近幾年的事。wang 利用 stone weies rass 定理證明了具有積推理、中心反模糊化、高斯型隸屬函數(shù)的模糊系統(tǒng)也能以任意的精度逼近任意閉子集上的實連續(xù)函數(shù)9。既然模糊系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)均具有一般自適應模型無關估計器的作用，那么它們之間必然存在著許多共性，另外，亦能利用等價的模糊系統(tǒng)來初始化神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而使得模糊控制器規(guī)則的在線調(diào)整精度和神經(jīng)網(wǎng)絡的學習速度均能得到較大的提高。 近來，在構(gòu)造模糊神經(jīng)網(wǎng)絡方面， 美國的 werbos 提出了一種

23、融模糊邏輯與 nn 一體的彈性模糊邏輯技術；lin 等給出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的模糊邏輯控制和決策系統(tǒng) ；keller 等人提出了一種視線模糊邏輯推理的神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并給出了三種網(wǎng)絡的變形7。另外，在傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法中引入模糊控制技術節(jié)能動態(tài)的調(diào)整網(wǎng)絡的學習過程，使傳統(tǒng)的靜態(tài)學習算法動態(tài)化。模糊控制雖然處于發(fā)展初期，但它提供了常規(guī)控制策略不能替代的高效控制方法。目前，在模糊控制理論方面應加強研究的主要課題為10：（1）尋找適合于解決工程普遍問題的穩(wěn)定性分析方法,穩(wěn)定性的評價方法和可控性的評價方法。 （2）模糊控制規(guī)則設計方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)的評定方法，關于量化水平，采樣周期的最

24、優(yōu)選擇，最小實現(xiàn)以及規(guī)則和隸屬函數(shù)參數(shù)的自動生成等問題。 （3） 模糊控制器參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整理論的確定及修正推力規(guī)則學習方式。 （4） 模糊動態(tài)模型的辨識方法。 （5） 模糊預測系統(tǒng)的設計方法和提高計算速度的方法。41.31.3 模糊控制技術的應用模糊控制技術的應用 模糊邏輯的研究迅速發(fā)展,其應用范圍從照相機、便攜式攝像機、洗衣機、微波爐等日用消費品，直到工業(yè)控制、醫(yī)療器械、決策支持系統(tǒng)和人力資源管理等領域。尤其在家用電器領域，無論對專家還是對普通消費者，模糊邏輯都給人以深刻的印象11。模糊數(shù)學是一種解決模糊問題的數(shù)學工具。模糊數(shù)學是用隸屬函數(shù)恰當?shù)孛枋鍪挛锏哪：裕瑥亩丫哂心：F(xiàn)象用模糊概念

25、的事物處理成精確的東西，從而得到明確清晰的結(jié)果。1.41.4 本課題主要研究工作本課題主要研究工作所謂模糊控制,就是對難以用已有規(guī)律描述的復雜系統(tǒng)，采用自然語言（如大、中、?。┘右詳⑹觯柚ㄐ缘?、不精確的及模糊的條件語句來表達，它就是一種基于語言的一種智能控制28。傳統(tǒng)的自動控制器的綜合設計都要建立在被控對象準確的數(shù)學模型(即傳遞函數(shù)模型或狀態(tài)空間模型)的基礎上，但是在實際中，很多系統(tǒng)的影響因素很多(油氣混合過程、缸內(nèi)燃燒過程等)，很難找出精確的數(shù)學模型。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大。因為模糊控制不用建立數(shù)學模型不需要預先知道過程精確的數(shù)學模型。本次研究課題就是以 labview

26、 為平臺，結(jié)合電液伺服模糊控制系統(tǒng)實例,利用模糊邏輯(fuzzy logic)模塊及 labview 建立系統(tǒng)仿真框圖。通過仿真曲線,分析模糊控制器控制效果及其影響因素 ,從而大大縮短模糊控制器的設計周期,具有較大的工程實用價值。本課題主要研究的內(nèi)容包括：（1）閱讀大量國內(nèi)外文獻，研究目前模糊控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。（2）伺服電機的工作原理研究分析。（3）模糊控制器的設計，包括輸入、輸出變量的確定，隸屬函數(shù)的確立即模糊子集的確定和模糊規(guī)則的確立。（4）伺服電機模糊控制系統(tǒng)的方案設計，包括系統(tǒng)的工作原理，相關器件的選取等。（5）以 labview 為平臺，完成前面板、后面板的程序編程。（6）系

27、統(tǒng)調(diào)試，仿真分析。52 2 電液位置伺服電液位置伺服系統(tǒng)系統(tǒng)2.12.1 伺服系統(tǒng)介紹伺服系統(tǒng)介紹 電液伺服系統(tǒng)主要由液壓缸、負載、反饋電位器、指令電位器、放大器、電液伺服閥等組成的系統(tǒng)。電液位置伺服系統(tǒng)是最基本和最常用的一種液壓伺服系統(tǒng)，如機床工作臺的位置、板帶軋機的板厚、帶材跑偏控制、飛機和船舶的舵機控制、雷達和火炮控制系統(tǒng)以及震動試驗臺等16。 電液位置伺服系統(tǒng)主要是用于解決位置跟隨的控制問題，其根本任務就是通過執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)被控量對給定量的及時和準確跟蹤，并且具有足夠的控制精度。電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性是衡量一套電液伺服系統(tǒng)設計及調(diào)試水平的重要指標。它由電信號處理裝置和若干液壓元件組成，元

28、件的動態(tài)性能相互影響，相互制約及系統(tǒng)本身包含非線性特性，致使其動態(tài)性能復雜。因此，電液伺服控制系統(tǒng)的設計及仿真受到越來越多的重視。2.22.2 伺服系統(tǒng)工作原理伺服系統(tǒng)工作原理伺服電機的工作原理圖如下圖 2.1 所示：圖圖 2.12.1 電液位置伺服系統(tǒng)電液位置伺服系統(tǒng)fig. 2.1 electro-hydraulic position servo system 這是典型的電液位置伺服控制系統(tǒng)。圖中反饋電位器與指令電位器接成橋式電路。反饋電位器滑臂與控制對象相連，其作用是把控制對象位置的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。反饋電位器與6指令電位器滑臂間的電位差（反映控制對象位置與指令位置的偏差）經(jīng)放大器放

29、大后，加于電液伺服閥轉(zhuǎn)換為液壓信號，以推動液壓缸活塞，驅(qū)動控制對象向消除偏差方向運動。當偏差為零時，停止驅(qū)動，因而使控制對象的位置總是按指令電位器給定的規(guī)律變化20。圖 2.2 為該系統(tǒng)的工作原理方塊圖，如下所示 : 放大器電液伺服閥執(zhí)行裝置工作裝置輸出液壓能源q0xp檢測反饋裝置+輸入圖圖 2 2. .2 2 電電液液位位置置伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的工工作作原原理理方方塊塊圖圖fig .2.2 electro-hydraulic position servo system block diagram of the working principle電液伺服系統(tǒng)中常用的位置檢測元件有自整角機、旋轉(zhuǎn)

30、變壓器、感應同步器和差動變壓器等。伺服放大器為伺服閥提供所需要的驅(qū)動電流。電液伺服閥的作用是將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為閥的運動，以控制流向液壓動力機構(gòu)的流量和壓力。因此，電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件又是功率放大元件，它的性能對系統(tǒng)的特性影響很大，是電液伺服系統(tǒng)中的關鍵元件25。液壓動力機構(gòu)由液壓控制元件、執(zhí)行機構(gòu)和控制對象組成。液壓控制元件常采用液壓控制閥或伺服變量泵。常用的液壓執(zhí)行機構(gòu)有液壓缸和液壓馬達。液壓動力機構(gòu)的動態(tài)特性在很大程度上決定了電液伺服系統(tǒng)的性能。 為改善系統(tǒng)性能，電液伺服系統(tǒng)常采用串聯(lián)滯后校正來提高低頻增益，降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。此外，采用加速度或壓力負反饋校正則是提高阻尼性能而又

31、不降低效率的有效辦法。73 3 labviewlabview 模糊模糊控制模塊控制模塊labview 是美國國家儀器公司（ni）開發(fā)的專為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)表達設計的圖形化編程環(huán)境，面向測試工程師和非專業(yè)程序員，編程非常方便，人機交互界面直觀友好，具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點。labview 的模糊邏輯工具箱（fuzzy logic for g toolkit）用于設計基于規(guī)則的模糊控制器，主要應用領域為工業(yè)過程控制及專家系統(tǒng)。它由 4 個 vi 組成13。三個子 vi 截圖如圖 3.1 所示：圖圖 3.13.1 模糊子模糊子 vivi 模塊圖模塊圖fig.3.

32、1 block diagram of fuzzy sub-vi3.13.1 模糊邏輯控制器設計模糊邏輯控制器設計 vivi（fuzzyfuzzy logiclogic controllercontroller designdesign vivi） 它是在 labview 環(huán)境下獨立運行的 vi ,由模糊集合編輯器、模糊規(guī)則庫編輯器和輸入輸出性能測試三部分組成。該 vi 提供了友好的人機圖形交互界面,用戶可以直觀方便地定義和修改模糊控制器的隸屬函數(shù)、控制規(guī)則、解模糊方法、推理算法及其他相關參數(shù) ,并對模糊控制器的輸入輸出性能進行初步檢驗和測試。系統(tǒng)提供的隸屬函數(shù)有三角型、梯形、z 型、s 型等,

33、也可由用戶自行定義30;推理方法為 max2mi 合成法;解模糊方法有取中位數(shù)法、 最大隸屬度法和加權平均法三種。用戶可以直觀方便地設計各種滿足不同要求的模糊邏輯控制器17。通過該 vi 設計好的模糊控制器，保存于后綴名為 fs 格式的數(shù)據(jù)文件中，用以被控制系統(tǒng)調(diào)用。3.23.2 加載模糊控制器加載模糊控制器 vivi（loadload fuzzyfuzzy controllercontroller）該 vi 作為一個圖形功能模塊應用于框圖程序中，并同模糊控制器 vi 連接。在程序開始運行時，8它將存于后綴名為 fc 的數(shù)據(jù)文件中的控制參數(shù)加載到模糊控制器 vi 中。3.33.3 模糊控制器模

34、糊控制器 vivi（fuzzyfuzzy controllercontroller）該 vi 是模糊控制器在 labview 中的實現(xiàn)者。它應用于 labview 的框圖程序中，讀取模糊控制器參數(shù)后，輸出相應的結(jié)果。每個控制器輸入量最多為四個，輸出量為一個。3.43.4 測試模糊控制器測試模糊控制器 vivi（testtest fuzzyfuzzy controlcontrol）該 vi 實際是提供了一個如何建立和測試模糊控制器的例子, 也作為一個通用模糊控制器直接應用于欲控制的系統(tǒng)并可用來測試所設計的模糊控制器的基本控制性能。94 4 電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設計電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設計4.

35、14.1 模糊控制技術模糊控制技術在實際工作中，操作者能夠?qū)δ切╇y以建立數(shù)學模型的被控對象進行有效的控制。操作者對被控對象進行的控制主要是通過不斷學習，積累操作經(jīng)驗來實現(xiàn)的。這些經(jīng)驗包括操作者對被控對象特性的了解，在各種情況下的控制策略以及性能指標判據(jù)。作為經(jīng)驗，這些信息通常是以自然語言的形式表達出來、它們的特點是定性的描述，所以具有不確定性和不精確性。這種特性使得人們無法用現(xiàn)有的定量控制理論對這些信息進行處理，但是人們卻能根據(jù)這些信息建立一組行之有效的規(guī)則，對被控劉象進行控制18。這種規(guī)則用語言信息表達的具有模糊性的控制規(guī)則。需要一種能處理具有模糊性的語言信息的控制技術，這種技術能根據(jù)語言信

36、息構(gòu)成一個能給出有效控制方法的控制器。模糊集合理論是一種具有處理語言信息能力的控制理論。根據(jù)模糊集合理論設計的模糊控制器，能夠模仿操作人員手動控制作用，它不要求已知受控對象的數(shù)學模型。需要強調(diào)指出：模糊控制器不要求受控對象的數(shù)學模型，并不等于在對受控對象先驗知識一無所知的情況下可設計一個具有良好控制效果的模糊控制器17。恰好相反，它仍然要求對受控對象的特性有充分的了解，只不過它們是以知識模型(由人們對受控過程認識的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗的總結(jié)而形成的模型)而不是以數(shù)學模型的形式表達出來的。4.24.2 模糊控制的特點模糊控制的特點隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)場被控對象和控制條件變得復雜，考慮因素增多，

37、而對于控制性能要求卻逐漸提高。通常復雜的系統(tǒng)很難對控制量設計精確的算法，想要絕對精確變得不可能，需要在精確和復雜間找到平衡15。模糊控制就是一種平衡的控制手段，在非線性復雜系統(tǒng)中發(fā)展很快。模糊控制有如下特點：（1）適用于不易獲得精確數(shù)學模型的被控對象。（2）是一種語言變量控制器。 （3）從屬于智能控制的范疇。該系統(tǒng)尤其適于非線性，時變，滯后系統(tǒng)的控制。（4）抗干擾能力強，響應速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強的魯棒性。4.34.3 模糊控制器的設計模糊控制器的設計4.3.14.3.1 模糊集合模糊集合模糊系統(tǒng)是建立在自然語言的基礎上，而自然語言中常采用一些模糊的概念，如。 “溫度偏高” 、10“

38、壓力偏大”等。如何描述這些模糊的概念，并對它們進行分析、推理，這正是模糊集合與模糊邏輯所要解決的問題12。模糊集是一種邊界不分明的集合，模糊集與普通集合既有區(qū)別又有聯(lián)系。對于普通集合而言，任何一個元素要么屬于該集合，要么不屬于集合，非此即彼，具有精確明了的控制邊界；而對于模糊集合，一個元素可以是既屬于該集合又不屬于該集合，亦此亦彼，邊界不分明或界限模糊。建立在模糊集基礎上的模糊邏輯，任何陳述或命題的真實性只是一定程度的真實性，與建立在普通集合基礎上的布爾邏輯相比，模糊邏輯是一種廣義化的邏輯。在布爾邏輯中，任何陳述或命題只有兩種取值，即邏輯真相邏輯假常用“l(fā)”表示邏輯真， “0”表示邏輯假。而在

39、模糊邏輯中，陳述或命題的取值除真和假(“l(fā)”和“0”)外，可取“0”與“l(fā)”之間的任何值，如 0.75，即命題或陳述在多大程度上為真或假，例如“老人”這一概念，在普通集合中需要定義一個明確的邊界，如 60歲以上是老人，而在模糊集合中，老人的定義集合沒有一個明確的邊界，60 歲以上是老人，58 歲也屬于老人，40 歲在一定程度上也屬于老人，只是他們屬于老人這一集合的程度不同而已。模糊性反映了事件的不確定性，但這種不確定性不同于隨機性。隨機性反映的是客觀上的自然的不確定性，或事件發(fā)生的偶然性，而模糊性則反映人們主觀理解上的不確定性，即人們對有關事件定義或概念描述在語言意義理解上的不確定性。4.3.

40、24.3.2 隸屬度函數(shù)隸屬度函數(shù)模糊集使得某元素可以以一定程度屬于某集合，某元素屬于某集合的程度由“0”與“1”之間的一個數(shù)值隸屬度來刻畫或描述。把一個具體的元素映射到一個合適的隸屬度是由隸屬度函數(shù)來實現(xiàn)的。隸屬度函數(shù)可以是任意形狀的曲線，取什么形狀取決于是否讓我們使用起來感到簡單、方便、快速、有效，惟一的約束條件是隸屬度函數(shù)的值域為0，l。 實際上根據(jù)模糊統(tǒng)計方法得到的隸屬函數(shù)通常都是鐘形的，所以三角形隸屬函數(shù)并不是最佳函數(shù)，只是一種近似。經(jīng)過計算機模擬實驗發(fā)現(xiàn)，實際上隸屬函數(shù)的形狀會很微妙地影響著整個模糊系統(tǒng)的過程，例如會影響單片機實現(xiàn)模糊化、解模糊化的時間和對查詢表存儲空間的要求?，F(xiàn)在

41、普通采用三角形和梯形和形狀，是因為實踐證明它們能滿足一般要求，又可簡化計算，故被廣泛采用。心理物理學已經(jīng)證明，人的各種感覺所反應的測量量與外界刺激的物理量之間確實保持著相當嚴格的關系。不少學者做過大量的統(tǒng)計工作。證明模糊概念的確是客觀事物本質(zhì)屬性在人頭腦中的反映14。關鍵還在于實踐是檢驗隸屬函數(shù)正確性的唯一標準，效果是調(diào)整隸屬函數(shù)的依據(jù)。所以都是先根據(jù)經(jīng)驗確定一個近似的隸屬函數(shù)，然后再根據(jù)實踐效果加以調(diào)整，逐步逼近比較理想的情況。11另外還有一種易于被廣大科技工作者理解和接受的確定隸屬函數(shù)的方法是模糊統(tǒng)計法。其思想是通過對足夠多人的調(diào)查統(tǒng)計，對要確定的模糊概念在討論的論域中進行逐一寫出定量范圍

42、，再進行統(tǒng)計處理，以確定能被大多數(shù)人認可的隸屬函數(shù)。不管是用哪一種確立模糊集合隸屬度函數(shù)方法，但在模糊系統(tǒng)中必須遵循以下原則：（1）表示隸屬函數(shù)的模糊集合必須是凸模糊集合。（2）變量所取隸屬函數(shù)通常是對稱和平衡的。（3）)隸屬函數(shù)要服從語意順序和避免不恰當?shù)闹丿B。4.3.34.3.3 ifthenifthen 規(guī)則規(guī)則最簡單的 ifthen 規(guī)則的形式是:“如果 x 是 a，則 y 是 b。 ”if 部分是前提或前件，then 部分是結(jié)論或后件。解釋 ifthen 規(guī)則包括以下三個過程：(1)輸入模糊化：確定出 ifthen 規(guī)則前提中每個命題或斷言為真的程度(即隸屬度)。(2)應用模糊算子：

43、如果規(guī)則的前提有幾部分，則利用模糊算子可以確定出整個前提為真的程度(即整個前提的隸屬度)。(3)應用蘊合算子：由前提的隸屬度和蘊含算子，可以確定出結(jié)論為真的程度(即結(jié)論的隸屬度)。4.3.44.3.4 模糊控制器總體設計模糊控制器總體設計方案方案模糊控制器的核心是控制規(guī)則與模糊推理?？刂埔?guī)則是表達人的控制動作或經(jīng)驗的形式語言，而模糊推理則是利用控制規(guī)則，由被控對象當前的狀態(tài)來決策下一步控制器動作的過程。模糊控制器的組成一般包括控制規(guī)則的建立，隸屬函數(shù)的確立，模糊化、模糊推理選擇及量化因子、比例因子的確定等。模糊控制器的輸入輸出量之間是通過模糊控制規(guī)則表聯(lián)系在一起的，而模糊推理規(guī)則的選取是以誤差

44、及誤差變化率的大小為依據(jù)。當誤差較大時，選取控制量以盡快消除誤差為主；當誤差較小時，選取控制量以系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)為出發(fā)點，且要注意防止超調(diào)2?？刂埔?guī)則的數(shù)量與內(nèi)容是決定一個模糊控制系統(tǒng)性能的關鍵因素，它們的選取應根據(jù)每一個調(diào)速、伺服系統(tǒng)的具體情況來決定。基本的模糊控制系統(tǒng)框圖如下圖 4.1 所示：12d/dtkekec模糊控制ku對象檢測變送器ec(nt)e(nt)u(nt)u(nt)y(nt)圖圖 4.14.1 模糊控制系統(tǒng)框圖模糊控制系統(tǒng)框圖fig. 4.1 fuzzy control system block diagram figure 4-1故模糊控制器的設計主要包括以下幾個內(nèi)容：（1） 輸

45、入、輸出變量的確定，本次設計采用二輸入一輸出的模式設計。（2）模糊化，即模糊子集隸屬度函數(shù)的設定，包括隸屬度函數(shù)的個數(shù)、形狀、位置分布、相互重疊程度等。（3） 模糊控制規(guī)則的制定以及輸出變量的比例因子的確定等。4.44.4 電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設計電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設計一般的電液位置伺服系統(tǒng)由伺服放大器、 液壓源、 伺服閥、 油缸及相應的傳動機構(gòu)和反饋裝置幾大部分組成，系統(tǒng)框圖如圖 2.1 所示。模糊控制系統(tǒng)工作流程圖如圖 4.2 所示。13開始初始化啟動、停止命令？控制算法模塊數(shù)據(jù)顯示模塊啟動、停止命令？停機狀態(tài)停止停止啟動啟動圖圖 4.24.2 模糊控制器設計流程圖模糊控制器設計流程

46、圖fig. 4.2 flowchart of fuzzy controller design電液伺服模糊控制器的設計主要包括各輸入、輸出變量的確定，模糊子集的隸屬度函數(shù)選擇， 模糊控制規(guī)則的制定及輸入輸出變量的比例因子的確定等。為了提高電液伺服系統(tǒng)的魯棒性，在設計控制器時使系統(tǒng)的響應能夠按大偏差和小偏差分別處理。大偏差時首先照顧響應時間， 小偏差時則以精度為主要指標。4.4.14.4.1 輸入、輸出變量的確定輸入、輸出變量的確定理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細19。但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復雜，尤其是對于要求快速的傳動系統(tǒng)更是如此，因此本次設計采用二維模糊控制器即二輸入一輸

47、出的模式，對電液位置伺服電機工作原理的分析，為此選取活塞的行程偏差作為模糊控制器的一個輸入語言 e，由于負載與活塞運行速度的關系，所以取速度（即偏差變化率）作為另一個輸入語言變量 ec，選取控制伺服閥開度的控制量為其輸出語言變量 u。144.4.24.4.2 隸屬度函數(shù)的確立隸屬度函數(shù)的確立隸屬函數(shù)的功能是明確模糊控制器中每一個模糊量與控制系統(tǒng)中精確量之間的關系。在伺服機的控制中，如果轉(zhuǎn)速或位置偏離給定值有較大偏差時，應使電機輸出最大加速(或減速)轉(zhuǎn)矩以盡快減少偏差。只有在小偏差時，控制器才給定不同的轉(zhuǎn)矩力，對系統(tǒng)進行精細的調(diào)整21。 選擇偏差 e 和偏差變化率 ec 作為控制器的輸入, 控制

48、量 u 為輸出。取 e , ec 的模糊子集為nb ,nm,ns ,zo ,ps ,pm,pl ,它們的論域為 -6 , -4 , -2 ,0 ,2 ,4 ,6和 u 的模糊子集為nb ,nm,ns ,zo ,ps ,pm,pl , 論域為 -3,-2 ,-1 ,0 ,1 ,2 ,3。按不同的函數(shù)可得各 fuzzy子集的隸屬度函數(shù)。在 labview 的菜單 tools 中選擇 control design & simulation 中的 fuzzy system designer 項 , fuzzy system designer vi 立即運行。在其中的菜單欄中選擇 file 項中的 ne

49、w 就可以進入隸屬函數(shù)編輯界面 , 如圖 4.3 所示：圖圖 4.34.3 模糊控制模糊控制 vivi 界面界面fig .4.3 fuzzy control vi interface 在此點擊添加按鈕即可添加輸入、輸出變量，并且進行隸屬函數(shù)的編輯。輸出變量u的隸屬函數(shù)的設置與輸入變量e ,ec 的設置與此類似,并可以在其中相應的設置隸屬度、語言變量和名稱。輸入變量e、ec的編輯界面分別如圖4.4、4.5所示。15圖圖 4.44.4 輸入變量輸入變量 e e 的隸屬函數(shù)編輯界面的隸屬函數(shù)編輯界面fig .4.4 input variable editing interface of e memb

50、ership function圖圖 4.54.5 輸入變量輸入變量 ecec 的隸屬函數(shù)編輯界面的隸屬函數(shù)編輯界面fig .4.5 input variable editing interface of ec membership function 輸出變量 u 的隸屬函數(shù)編輯界面如圖 4.6 所示：16圖圖 4.64.6 輸出變量輸出變量 u u 的隸屬函數(shù)編輯界面的隸屬函數(shù)編輯界面fig .4.6 output variable editing interface of u membership function 輸入變量 e、ec 和輸出變量 u 的隸屬函數(shù)編程完善界面如圖 4.7 所示

51、：圖圖 4.74.7 隸屬函數(shù)編輯界面隸屬函數(shù)編輯界面17fig .4.7 membership function editor interface4.4.34.4.3 模糊規(guī)則的確立模糊規(guī)則的確立單擊 rules 就會出現(xiàn)圖 4.8 所示的規(guī)則編輯界面。按不同的函數(shù)可得各模糊子集的隸屬度函數(shù)，并由此構(gòu)成各語言變量的賦值表。模糊決策一般都采用“選擇從屬度大”的規(guī)則，在電液位置調(diào)節(jié)過程中,當系統(tǒng)偏差較大時,系統(tǒng)的快速性為主要矛盾,系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制精度卻是次要的,這時應使系統(tǒng)快速減小偏差;而當系統(tǒng)偏差較小時,則要求以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制精度為主。因而模糊控制規(guī)律應遵循：活塞行程偏差越大，活塞運行

52、速度越快,則控制伺服閥向相反開度越大。因此采用的模糊控制器的模糊控制規(guī)則具有以下的形式:if e=nm and ec=ns then u=pm，其中nm，ns 以及 pm 分別為 e、ec 和 u 的模糊子集。控制規(guī)則的多少可視輸入輸出物理量數(shù)目及所需的控制精度而定。由于模糊控制器采用兩個輸入量 e 和 ec,每個輸入分為 7 級共有 49 條規(guī)則。根據(jù)模糊控制專家經(jīng)驗及模糊控制器設計思想，可建立如下模糊控制規(guī)則表如表 4.1 所示?？梢园呀?jīng)驗總結(jié)的規(guī)則表,逐條輸入。 圖圖 4.84.8 模糊規(guī)則編輯界面模糊規(guī)則編輯界面fig. 4.8 fuzzy rule editing interface

53、表表4.14.1 模糊語言控制規(guī)則表模糊語言控制規(guī)則表18table 4.1 fuzzy linguistic control rule tableeecnbnmnszopspmpbnbpbpbpbpmpmzozonmpbpbpmpmpszozonspbpmpspszonsnmzopmpmpszonsnmnmpspmpszonsnsnmnbpmzozonsnmnmnbnbpbzozonmnmnbnbnb本設計中, 控制器采用mamdani 推理算法 , 最大隸屬度法為解模糊策略。編輯好之后存盤, 生成一個擴展名為fuzzy.fs 文件。195 5 電液伺服模糊控制系統(tǒng)設計與仿真電液伺服模糊控制

54、系統(tǒng)設計與仿真5.15.1 labviewlabview 編程簡介編程簡介labview 作為虛擬儀器開發(fā)的核心部分，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。它為用戶提供簡單、直觀、易學的圖形編程法，把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標提示的方法選擇功能，再用線條把各種功能連接起來完成相應設計。labview 的應用程序，由前面板、流程圖以及圖標連結(jié)器三部分構(gòu)成。labview 軟件平臺采用數(shù)據(jù)流模型，自動多線程運行程序，可充分利用處理器特別是多核處理器的處理能力，且內(nèi)建的編譯器在用戶編寫程序的同時就在后臺自動完成了編譯；同時，labview 具有大量的驅(qū)動程序，

55、能實現(xiàn)與各類數(shù)據(jù)采集卡、gp-ib、rs-232 等協(xié)議的硬件通信。因此，利用 labview 可以便捷、高效地構(gòu)建界面美觀、功能豐富的虛擬儀器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號分析等功能22。5.25.2 電液伺服模糊控制系統(tǒng)工作原理電液伺服模糊控制系統(tǒng)工作原理5.2.15.2.1 控制系統(tǒng)工作原理控制系統(tǒng)工作原理首先給定初始信號，即設定初始值以供系統(tǒng)運行。其次就是量化因子、比例因子的設定。再接著就是將提前設計好的模糊控制器加載進控制系統(tǒng)中去，把經(jīng)模糊控制器輸出傳遞給比例因子ku，再次，也是本次設計最主要的就是將整個模糊控制傳遞給控制對象（此中控制對象為伺服電機），即完成了伺服模糊系統(tǒng)的控制，最后設定仿真

56、參數(shù)（包括仿真起始時間，仿真公差，最小、最大步長等） ，即可進行控制系統(tǒng)的仿真分析。5.2.25.2.2 伺服模糊控制系統(tǒng)工作流程圖伺服模糊控制系統(tǒng)工作流程圖 伺服模糊控制系統(tǒng)工作流程圖如下圖 5.1 所示：20輸入輸出變量的確立模糊化處理隸屬函數(shù)的確立模糊規(guī)則的確立解模糊化給定初始信值設定 kec、ke加載模糊控制 fuzzy.fs設定比例因子 ku設置仿真參數(shù)傳遞給被控對象仿真分析停止控制？yn啟動模糊控制返回結(jié)束圖圖 5.15.1 伺服模糊控制系統(tǒng)工作流程圖伺服模糊控制系統(tǒng)工作流程圖fig.5.1 servo flowchart of fuzzy control system5.35.3

57、 控制系統(tǒng)程序框圖設計控制系統(tǒng)程序框圖設計5.3.15.3.1 labviewlabview 編程界面介紹編程界面介紹 以labview為平臺，labview軟件界面如圖5.2所示。21圖圖5.25.2 labviewlabview軟件界面圖軟件界面圖fig .5.2 labview software interface diagram選擇new vi即可進入前面板的設計，前面板設計界面如圖5.3所示，只要單擊右鍵，就會出現(xiàn)控件選擇面板，需要什么控制點擊拖拽出來即可。22圖圖5.35.3 labviewlabview 前面板圖前面板圖fig .5.3 labview front panel d

58、iagram如果需要顯示后面板或是設計后面板，只需在菜單欄windows菜單下選擇show block diagram即可顯示后面板，也可以使用快捷鍵ctrl+e。后面板設計如圖5.4所示。如需在后面板設計，同樣的方法單擊右鍵，就會出現(xiàn)相應的控件選擇，需要什么控件只需拖拽出來即可。23圖圖5.45.4 labviewlabview后面板圖后面板圖fig .5.4 labview back panel diagram將設計好的模糊控制器通過加載模糊控制器 vi 和模糊控制器 vi 應用于 labview 的框圖程序中，并根據(jù)系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能設計相應的儀表控制前面板和后臺框圖程序。5.3.25.

59、3.2 基本硬件控件的功能選擇基本硬件控件的功能選擇 要進行仿真分析，首先就得選擇仿真框圖，其余的程序都在仿真框圖中編寫，選擇界面如圖5.5 所示，仿真框圖選擇途徑為：control design & simulation/simulation/ control design & simulation loop,拖拽出來即可使用，界面如圖 5.6 所示。圖圖 5.55.5 仿真框圖界面仿真框圖界面fig .5.5 simulation interface diagram24圖圖 5.65.6 仿真框圖選擇界面仿真框圖選擇界面fig .5.6 simulation select interfac

60、e block diagram 雙擊仿真環(huán)即可出現(xiàn)仿真參數(shù)設置對話框，可以設置仿真起始時間、步長等，如下圖所示：25 要編寫的程序即可在仿真框圖中編寫。根據(jù)模糊控制系統(tǒng)框圖 4-1 編寫圖形化程序，首先給定初始信號，選擇 control design & simulation/simulation/signal generation/step signal,如圖 5.7 所示：圖圖 5.75.7 初始信號初始信號fig. 5.7 the initial signal 接下來就是放大器，比例因子、量化因子輸入控件等的選擇，同樣的步驟選擇 control 26design & simulation