基于LabVIEW的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文以L(fǎng)abVIEW為開(kāi)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AbstractThispaperisdesignissueistheuseofLabVIEWfuzzycontrol,throughthedesignoffuzzycontrolprocedurestocontroltheplant(oven)temperature.Finally,itcomesturecontrolthetemperatureofoveneveniftherehasdisturb.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(hù)設(shè)訃定義虛擬面板，測(cè)控功能由軟件實(shí)現(xiàn)的一種訃算機(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(lái)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I/O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訃算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)多是用語(yǔ)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?lèi)的邏輯思維方式，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(méi)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(guò)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(e$6°C)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(guò)模糊推理輸出脈沖序列的占空比的大小,經(jīng)過(guò)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°C均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269°C（如金鐵銀輅），最高可達(dá)+2800C（如鉤-銖）；其三，構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是山兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)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，其正極為銀鉆合金，負(fù)極為銀硅合金。與其它類(lèi)型的熱電偶相比，K型熱電偶的線(xiàn)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(guò)濾以及線(xiàn)性化等處理.本文采用SCC-TC02熱電偶調(diào)理模塊，通過(guò)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)量的分別山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；另一部分是用熱敬電組測(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)（笫X通道和X+8通道）采集到數(shù)組中，再經(jīng)過(guò)IndexArmy把數(shù)組分離開(kāi)，然后分別處理。3.1熱電偶檢測(cè)到的數(shù)據(jù)處理笫X通道采集上來(lái)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?lái)的電壓信號(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(xiàn)性的，為了把它分段線(xiàn)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(xiàn)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(jiàn)表2.1表1：K型熱電偶分度表熱電偶測(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°C為單位，根據(jù)分度表(參見(jiàn)下表1),分出12個(gè)等分的溫度段，然后進(jìn)行分段線(xiàn)性化，把采集到的電壓分段，在每一段內(nèi)，采用線(xiàn)性插值的方法計(jì)算，利用以下公式：經(jīng)過(guò)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(jiàn)圖3：SKIPIF1<0圖3熱電偶信號(hào)處理子程序3.2利用熱敬電阻測(cè)量室溫進(jìn)行冷端補(bǔ)償笫X+8通道采集上來(lái)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(guò)公式子程序進(jìn)行處理后，輸出的數(shù)值就是室溫。熱敬電阻的部分，利用冷端轉(zhuǎn)換模塊是根據(jù)SCC-TC02說(shuō)明中所給出的公式：T(°C)二TK-273.15SKIPIF1<0SKIPIF1<0RT是熱敏電阻的歐姆值SKIPIF1<0通過(guò)公式編輯器，直接輸入公式轉(zhuǎn)換得出溫度值。由于釆用的K型熱電偶的線(xiàn)性度較好，為了程序的簡(jiǎn)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(guò)5個(gè)步驟：4.1確定模糊控制器的輸入、輸出語(yǔ)言變量系統(tǒng)誤差SKIPIF1<0 及其變化率SKIPIF1<0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(yǔ)言變量E、EC、U來(lái)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,PVB｝7檔，E的論域?yàn)椋?,+1,+2,+3,+4,+5,+6｝。同理：誤差變化率SKIPIF1<0 分成7檔，即：｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝SKIPIF1<0 的模糊子集為：EC二｛NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB｝,量化EC的論域?yàn)椴?,-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二｛PVS,PS,PMS,PM,PMB,PB,PVB｝7檔，U的論域?yàn)椋?,+1,+2,+3,+4,+5,+6｝。量化因子分別為,則Ke=l,Kec=bKu二0.1。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誤差隸屬度表3誤差的變化率隸屬度表4控制變量隸屬度4.3形成模糊規(guī)則表系統(tǒng)的溫度達(dá)到穩(wěn)定，要經(jīng)過(guò)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(guò)度過(guò)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(xiàn)o-SKIPIF1<0 o-SKIPIF1<0 階段：SKIPIF1<0 >0SKIPIF1<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),占空比減小其至為0,考慮系統(tǒng)的滯后，應(yīng)提前停止加熱。SKIPIF1<0SKIPIF1<0階段:SKIPIFSKIPIF1<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),占空比減小其至為0,考慮系統(tǒng)的滯后，應(yīng)提前停止加熱。SKIPIF1<0SKIPIF1<0階段:SKIPIF1<0<0SKIPIF1<0<0表示的物理意義是：系統(tǒng)溫度超過(guò)到給定溫度，系統(tǒng)正在升溫,超調(diào),停止加熱，占空比為0。SKIPIF1<0SKIPIF1<0階段:SKIPIF1<0<0SKIPIF1<0>0表示的物理意義是：系統(tǒng)溫度超過(guò)到給定溫度，系統(tǒng)正在降溫,超調(diào)，停止加熱。SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0階段:SKIPIF1<0<0SKIPIF1<0>0表示的物理意義是：系統(tǒng)溫度超過(guò)到給定溫度，系統(tǒng)正在降溫,超調(diào)，停止加熱。SKIPIF1<0SKIPIF1<0階段:SKIPIF1<0>0SKIPIF1<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SKIPIF1<0 的賦值表、模糊變量SKIPIF1<0 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，SKIPIF1<0 為負(fù)值的時(shí)候，表示的物理意義是正處于升溫的過(guò)程中；SKIPIF1<0 為正值的時(shí)候，表示的物理意義是正處于降溫的過(guò)程中；SKIPIF1<0 為零的時(shí)候，表示的物理意義是的溫度沒(méi)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(SKIPIF1<0 )和系統(tǒng)正處于升、降溫狀態(tài)(SKIPIF1<0)來(lái)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4.4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(xún)表，如表6所示。表6模糊控制量查詢(xún)表5溫度控制通過(guò)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(guò)固態(tài)繼電器控制烤箱電源得