基于LabVIEW 的模糊控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)開發(fā)

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1、 基于LabVIEW 的模糊控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)開發(fā) 冉冉 北京林業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 林劍輝 摘要 隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象和控制條件變得復(fù)雜，考慮因素增多，而對(duì)于控制性能要求卻逐漸提高。通常復(fù)雜的系統(tǒng)很難對(duì)控制量設(shè)計(jì)精確的算法，想要絕對(duì)精確變得不可能，需要在精確和復(fù)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(fù)雜系統(tǒng)中發(fā)展很快。本文紹了一種以美國(guó)NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW為平臺(tái)的過程控制系統(tǒng)的仿真方法。本設(shè)計(jì)就是以LabVIEW編程軟件為基礎(chǔ) ,介紹了其中控制模塊中模糊邏輯工具包(Fuzzy Logic Toolkit)中的子程序(V

2、I) , 并應(yīng)用其中模糊邏輯控制器設(shè)計(jì) VI構(gòu)建模糊控制器的方法。設(shè)置隸屬度函數(shù) , 建立模糊控制規(guī)則 , 創(chuàng)建模糊推理關(guān)系, 實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊控制器設(shè)計(jì)的具體步驟, 并結(jié)合電液伺服模糊控制系統(tǒng)實(shí)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(shè)計(jì)周期 , 具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。本文主要介紹了LabVIEW模糊控制器的開發(fā)背景、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、方法、步驟等，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比。 關(guān)鍵字：LabVIEW; 發(fā)展； 模糊控制器; 伺服電機(jī); 設(shè)計(jì)； 仿真

3、 Simulation platform development of Fuzzy Logic control system Based on LabVIEW Automation07-2 071044230 Ran Ran Supervisor Lin Jian-hui Abstract With the development of technology, on-site of the controlled object and control conditions became more complex, more consideration,

4、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 means of control, the rapid

5、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 based on LabVIEW. Based o

6、n 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 -hydraulic servo fuzzy co

7、ntrol 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 controller is reduced. I t ha

8、s 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. Key words : LabVIEW ;

9、development ; fuzzy controller ; Servo motor ; Design ; simulation 目錄 摘要 II AbstractIII 1 緒論 1 1.1 課題開發(fā)背景及意義 1 1.1.1 背景介紹 1 1.1.2、LabVIEW模糊控制課題開發(fā)意義 1 1.2 LabVIEW模糊控制國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2 1.2.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況 2 1.2.2 LabVIEW 模糊控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 3 1.3 模糊控制技術(shù)的應(yīng)用 4 1.4 本課題主要研究工作 4 2 電液位置伺服系統(tǒng) 5 2.1 伺服系統(tǒng)介紹 5

10、 2.2 伺服系統(tǒng)工作原理 5 3 LABVIEW模糊控制模塊 7 3.1 模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)VI（Fuzzy?Logic?Controller?Design?VI） 7 3.2 加載模糊控制器VI（Load?Fuzzy?Controller） 7 3.3 模糊控制器VI（Fuzzy?Controller） 8 3.4 測(cè)試模糊控制器VI（Test?Fuzzy?Control） 8 4 電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì) 9 4.1 模糊控制技術(shù) 9 4.2 模糊控制的特點(diǎn) 9 4.3 模糊控制器的設(shè)計(jì) 9 4.3.1 模糊集合 9 4.3.2 隸屬度函數(shù) 10 4.3

11、.3 If…then規(guī)則 11 4.3.4 模糊控制器總體設(shè)計(jì)方案 11 4.4 電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì) 12 4.4.1 輸入、輸出變量的確定 13 4.4.2 隸屬度函數(shù)的確立 14 4.4.3 模糊規(guī)則的確立 17 5 電液伺服模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 19 5.1 LabVIEW編程簡(jiǎn)介 19 5.2 電液伺服模糊控制系統(tǒng)工作原理 19 5.2.1 控制系統(tǒng)工作原理 19 5.2.2 伺服模糊控制系統(tǒng)工作流程圖 19 5.3 控制系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì) 20 5.3.1 LabVIEW編程界面介紹 20 5.3.2 基本硬件控件的功能選擇 23 5.3.

12、3 前面板硬件設(shè)計(jì) 30 5.3.4 后面板程序編程 31 5.4 仿真分析 32 5.4.1 仿真結(jié)果 32 5.4.2 仿真結(jié)果對(duì)比分析 35 6 結(jié)論與展望 36 6.1 結(jié)論 36 6.2 展望 36 致謝 37 參考文獻(xiàn) 38 39 1 緒論 1.1 課題開發(fā)背景及意義 1.1.1 背景介紹 模糊理論是在美國(guó)加州大學(xué)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(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,主要包括模糊集合理論、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(shù)在復(fù)雜大滯后、難以建立精確數(shù)

13、學(xué)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(duì)象的數(shù)學(xué)模型、魯棒性好、簡(jiǎn)單實(shí)用等優(yōu)點(diǎn) ,模糊控制器已在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)被廣泛研究和應(yīng)用[1]。模糊控制作為智能控制的一種 ,實(shí)質(zhì)是對(duì)人腦的一種模擬。因此 ,模糊控制器的設(shè)計(jì)在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?；谶@些經(jīng)驗(yàn)編制大量的程序進(jìn)行分析和調(diào)試費(fèi)時(shí)又費(fèi)力 ,而預(yù)先采用計(jì)算機(jī)仿真 ,可盡快了解模糊控制器的特性和參數(shù)設(shè)置 ,從而縮短設(shè)計(jì)周期[3]。 LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司（全名：National Instruments Co.Ld. 簡(jiǎn)稱：NI）最核心的軟件產(chǎn)品。它是一種以數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的圖形化編程語

14、言代替文本編程語言創(chuàng)建應(yīng)用程序的開發(fā)工具，主要用于測(cè)量、過程控制和數(shù)據(jù)分析的應(yīng)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(diǎn)就在于它是一種圖形化編程語言。它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)[3]。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地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(dòng)有趣。在工程界、學(xué)術(shù)界和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，La

15、bVIEW被廣泛用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集與分析，其應(yīng)用遍及電子、通信、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械等眾多學(xué)科領(lǐng)域。 1.1.2、LabVIEW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(shè)備，可以很方便地完成各種控制功能?；贚ABVIEW的模糊控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)可以更有效地展示模糊控制的運(yùn)行機(jī)理，并結(jié)合硬件完成輸入輸出演示，克服MATLAB對(duì)硬件控制的不足[5]。LabVIEW模糊控制是人工智能控制的一個(gè)重要分支，它是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)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(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)

16、根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)在線自適應(yīng)調(diào)整，使系統(tǒng)既具有模糊控制的靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有控制精度高的特點(diǎn)。模糊控制器是當(dāng)前控制領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)之一，其研發(fā)的方法不盡相同[6]。LabVIEW模糊控制器對(duì)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(jí)使控制品質(zhì)得到優(yōu)化 , 同時(shí)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(shè)計(jì)VI的輸入輸出性能測(cè)試功能和測(cè)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(dá)到所需要求，驗(yàn)證控制規(guī)則是否正確可靠，進(jìn)而對(duì)模糊控制器進(jìn)行修改和完善。測(cè)試完

17、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(shí)工具包、控制設(shè)計(jì)工具包、LabVIEW 仿真模塊、LabVIEW實(shí)時(shí)模塊, 并且LabVIEW 這種編程語言采用流程圖的形式開發(fā)應(yīng)用程序, 很容易實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(dá)到最優(yōu)。 1.2 LabVIEW模糊控制國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況 國(guó)外情況：模糊理論自它誕生之日起便顯示了強(qiáng)大的生命力。1974年英國(guó)的馬丹尼（E.H.MAMDANI）首次將模糊理論應(yīng)用于熱電廠的蒸汽機(jī)控制;1976年英國(guó)的湯哥寫出第一篇

18、理論性模糊控制方面的論文。之后,美國(guó) 、日本、英國(guó)等先后將模糊控制理論應(yīng)用于機(jī)器人 、航天 、生產(chǎn)過程等領(lǐng)域[7]。80年代模糊控制技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用深入化、硬件專門化的時(shí)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(shí)間和30%-40%的長(zhǎng)等待時(shí)間;日本松下電器公司于1990年推出了“愛妻”模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)(NA-F50Y5)耗電380w,效果很好;日本三洋公司還把模糊控制應(yīng)用到了電視攝像機(jī)、空調(diào)機(jī)、壓力電子爐、電飯鍋、機(jī)器人控制系統(tǒng)中,均取得了滿意的效果[7]。 國(guó)內(nèi)情況：自1979以來 我國(guó)許多學(xué)者在模糊

19、控制領(lǐng)域開展了大量的理論以及仿真試驗(yàn)研究,對(duì)我國(guó)工業(yè)應(yīng)用模糊控制起到了推動(dòng)作用 。近年來,在工業(yè)中應(yīng)用模糊控制已取得了許多成果。1979-1980年,李寶緩等人設(shè)計(jì)了一類缺乏數(shù)學(xué)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(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)[8]。之后,田方成、李有善等人把模糊控制應(yīng)用到冶金、化工等工業(yè)過程的控制領(lǐng)域,并取得了可喜的成果。目前,我國(guó)模糊控制主要以軟件實(shí)現(xiàn)為主 ,在硬件開發(fā)環(huán)境方面和國(guó)外還有一定的差距 ,模糊控制的產(chǎn)業(yè)化和推廣有待進(jìn)一步加強(qiáng)。 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

20、器可以應(yīng)用專家的控制經(jīng)驗(yàn)，對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的被控過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。在日本，模糊控制得到了廣泛的應(yīng)用。許多公司成立了模糊系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)專門從事模糊系統(tǒng)的研究,并取得了很好的進(jìn)展,表現(xiàn)在模糊控制洗衣機(jī)、 吸塵器、冶金、制造等自動(dòng)控制行業(yè)中的應(yīng)用。除此之外，模糊邏輯芯片和模糊計(jì)算機(jī)的研制也取得了進(jìn)展。模糊集合理論是模糊控制器的基礎(chǔ)，模擬人的知識(shí)表達(dá),知識(shí)推理方法是模糊理論的表達(dá)方法，其基本內(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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)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)

21、則。對(duì)于某些復(fù)雜的工業(yè)過程，有時(shí)難以總結(jié)出較完整的經(jīng)驗(yàn)，并且當(dāng)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化,或者受到隨機(jī)干擾的影響時(shí)模糊控制的效果還有待提高,所以還需促進(jìn)模糊控制的深入發(fā)展。 1.2.2 LabVIEW 模糊控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作系統(tǒng)的研究一直是人們關(guān)注的領(lǐng)域，因?yàn)槭澜缟系娜魏芜^程與系統(tǒng)均可以通過激勵(lì)與相應(yīng)的映射來表征， 而所有的智能系統(tǒng)包括我們?nèi)祟愖陨硪嗫捎靡贿m應(yīng)模型無關(guān)函數(shù)估計(jì)特征來概括。我們知道，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，而模糊系統(tǒng)作為一種結(jié)構(gòu)型數(shù)字估計(jì)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

22、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(shí)連續(xù)函數(shù)[9]。既然模糊系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)均具有一般自適應(yīng)模型無關(guān)估計(jì)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(jià)的模糊系統(tǒng)來初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)的學(xué)習(xí)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(luò)方面， 美國(guó)的Werbos 提出了一種融模糊邏輯與 NN一體的彈性模糊邏輯技術(shù)；Lin等給出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)，并給出了三種網(wǎng)絡(luò)的變形[7]。另外，在傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法中引入模糊

23、控制技術(shù)節(jié)能動(dòng)態(tài)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程，使傳統(tǒng)的靜態(tài)學(xué)習(xí)算法動(dòng)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(yīng)加強(qiáng)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(píng)價(jià)方法和可控性的評(píng)價(jià)方法。（2）模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)的評(píng)定方法，關(guān)于量化水平，采樣周期的最優(yōu)選擇，最小實(shí)現(xiàn)以及規(guī)則和隸屬函數(shù)參數(shù)的自動(dòng)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(xué)習(xí)方式。（4） 模糊動(dòng)態(tài)模型的辨識(shí)方法。（5） 模糊預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和提高計(jì)算速度的方法。 1.3 模糊

24、控制技術(shù)的應(yīng)用 模糊邏輯的研究迅速發(fā)展,其應(yīng)用范圍從照相機(jī)、便攜式攝像機(jī)、洗衣機(jī)、微波爐等日用消費(fèi)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(lǐng)域。尤其在家用電器領(lǐng)域，無論對(duì)專家還是對(duì)普通消費(fèi)者，模糊邏輯都給人以深刻的印象[11]。模糊數(shù)學(xué)是一種解決模糊問題的數(shù)學(xué)工具。模糊數(shù)學(xué)是用隸屬函數(shù)恰當(dāng)?shù)孛枋鍪挛锏哪：?，從而把具有模糊現(xiàn)象用模糊概念的事物處理成精確的東西，從而得到明確清晰的結(jié)果。 1.4 本課題主要研究工作 所謂模糊控制,就是對(duì)難以用已有規(guī)律描述的復(fù)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(dá)，它就是一種基于語言的

25、一種智能控制[28]。傳統(tǒng)的自動(dòng)控制器的綜合設(shè)計(jì)都要建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型(即傳遞函數(shù)模型或狀態(tài)空間模型)的基礎(chǔ)上，但是在實(shí)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(xué)模型。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大。因?yàn)槟：刂撇挥媒?shù)學(xué)模型不需要預(yù)先知道過程精確的數(shù)學(xué)模型。本次研究課題就是以LabVIEW為平臺(tái)，結(jié)合電液伺服模糊控制系統(tǒng)實(shí)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(shè)計(jì)周期,具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。 本課題主要研究的內(nèi)容

26、包括： （1）閱讀大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，研究目前模糊控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。 （2）伺服電機(jī)的工作原理研究分析。 （3）模糊控制器的設(shè)計(jì)，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(jī)模糊控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的工作原理，相關(guān)器件的選取等。 （5）以LabVIEW為平臺(tái)，完成前面板、后面板的程序編程。 （6）系統(tǒng)調(diào)試，仿真分析。2 電液位置伺服系統(tǒng) 2.1 伺服系統(tǒng)介紹 電液伺服系統(tǒng)主要由液壓缸、負(fù)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(jī)床工作

27、臺(tái)的位置、板帶軋機(jī)的板厚、帶材跑偏控制、飛機(jī)和船舶的舵機(jī)控制、雷達(dá)和火炮控制系統(tǒng)以及震動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)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(wù)就是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被控量對(duì)給定量的及時(shí)和準(zhǔn)確跟蹤，并且具有足夠的控制精度。電液伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是衡量一套電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試水平的重要指標(biāo)。它由電信號(hào)處理裝置和若干液壓元件組成，元件的動(dòng)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(dòng)態(tài)性能復(fù)雜。因此，電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真受到越來越多的重視。 2.2 伺服系統(tǒng)工作原理 伺服電機(jī)的工作原理圖如下圖2.1所示： 圖2.1 電液位置伺服系統(tǒng)

28、 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(duì)象相連，其作用是把控制對(duì)象位置的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。反饋電位器與指令電位器滑臂間的電位差（反映控制對(duì)象位置與指令位置的偏差）經(jīng)放大器放大后，加于電液伺服閥轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)，以推動(dòng)液壓缸活塞，驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象向消除偏差方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)偏差為零時(shí)，停止驅(qū)動(dòng)，因而使控制對(duì)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

29、置 工作裝置 輸出 液壓能源 Q0 Xp 檢測(cè)反饋裝置 + —— 輸入 圖2.2 電液位置伺服系統(tǒng)的工作原理方塊圖 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(cè)元件有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和差動(dòng)變壓器等。伺服放大器為伺服閥提供所需要的驅(qū)動(dòng)電流。電液伺服閥的作用是將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為閥的運(yùn)動(dòng)，以控制流向液壓動(dòng)力機(jī)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(duì)系統(tǒng)的

30、特性影響很大，是電液伺服系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件[25]。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)由液壓控制元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)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(jī)構(gòu)有液壓缸和液壓馬達(dá)。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(fù)反饋校正則是提高阻尼性能而又不降低效率的有效辦法。 3 LabVIEW模糊控制模塊 LabVIEW是美國(guó)國(guó)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(dá)設(shè)計(jì)的圖形化編程環(huán)境，面向測(cè)試工程師和非專業(yè)程序員，編程非常方

31、便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。LabVIEW的模糊邏輯工具箱（Fuzzy?Logic for?G?Toolkit）用于設(shè)計(jì)基于規(guī)則的模糊控制器，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)過程控制及專家系統(tǒng)。它由4個(gè)VI組成[13]。三個(gè)子VI截圖如圖3.1所示： 圖3.1 模糊子VI模塊圖 Fig.3.1 Block Diagram of Fuzzy sub-VI 3.1 模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)VI（Fuzzy?Logic?Controller?Design?VI） 它是在LabVIEW 環(huán)境下獨(dú)立運(yùn)行的 VI ,由模糊集合編輯器、模糊規(guī)則庫(kù)編輯器和輸入輸

32、出性能測(cè)試三部分組成。該VI 提供了友好的人機(jī)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(guān)參數(shù) ,并對(duì)模糊控制器的輸入輸出性能進(jìn)行初步檢驗(yàn)和測(cè)試。系統(tǒng)提供的隸屬函數(shù)有三角型、梯形、Z型、S型等,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(quán)平均法三種。用戶可以直觀方便地設(shè)計(jì)各種滿足不同要求的模糊邏輯控制器[17]。通過該VI設(shè)計(jì)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。 3.2 加載模糊控制器VI（Load?Fuzzy?Controller）

33、 該VI作為一個(gè)圖形功能模塊應(yīng)用于框圖程序中，并同模糊控制器VI連接。在程序開始運(yùn)行時(shí)，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。 3.3 模糊控制器VI（Fuzzy?Controller） 該VI是模糊控制器在LabVIEW中的實(shí)現(xiàn)者。它應(yīng)用于LabVIEW的框圖程序中，讀取模糊控制器參數(shù)后，輸出相應(yīng)的結(jié)果。每個(gè)控制器輸入量最多為四個(gè)，輸出量為一個(gè)。 3.4 測(cè)試模糊控制器VI（Test?Fuzzy?Control） 該VI實(shí)際是提供了一個(gè)如何建立和測(cè)試模糊控制器的例子, 也作為一個(gè)通用模糊控制器直接應(yīng)用于欲控制的系統(tǒng)并可用來測(cè)試所設(shè)計(jì)的模糊控制器的基本

34、控制性能。 4 電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì) 4.1 模糊控制技術(shù) 在實(shí)際工作中，操作者能夠?qū)δ切╇y以建立數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行有效的控制。操作者對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行的控制主要是通過不斷學(xué)習(xí)，積累操作經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的。這些經(jīng)驗(yàn)包括操作者對(duì)被控對(duì)象特性的了解，在各種情況下的控制策略以及性能指標(biāo)判據(jù)。作為經(jīng)驗(yàn)，這些信息通常是以自然語言的形式表達(dá)出來、它們的特點(diǎn)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(duì)這些信息進(jìn)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(duì)被控劉象進(jìn)行

35、控制[18]。這種規(guī)則用語言信息表達(dá)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(shù)，這種技術(shù)能根據(jù)語言信息構(gòu)成一個(gè)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(shè)計(jì)的模糊控制器，能夠模仿操作人員手動(dòng)控制作用，它不要求已知受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。需要強(qiáng)調(diào)指出：模糊控制器不要求受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并不等于在對(duì)受控對(duì)象先驗(yàn)知識(shí)一無所知的情況下可設(shè)計(jì)一個(gè)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(duì)受控對(duì)象的特性有充分的了解，只不過它們是以知識(shí)模型(由人們對(duì)受控過程認(rèn)識(shí)的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)而形成的模型)而不是以

36、數(shù)學(xué)模型的形式表達(dá)出來的。 4.2 模糊控制的特點(diǎn) 隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象和控制條件變得復(fù)雜，考慮因素增多，而對(duì)于控制性能要求卻逐漸提高。通常復(fù)雜的系統(tǒng)很難對(duì)控制量設(shè)計(jì)精確的算法，想要絕對(duì)精確變得不可能，需要在精確和復(fù)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(fù)雜系統(tǒng)中發(fā)展很快。模糊控制有如下特點(diǎn)： （1）適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)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(shí)變，滯后系統(tǒng)的控制。 （4）抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。 4.3 模糊控制器的設(shè)計(jì) 4.3.1

37、 模糊集合 模糊系統(tǒng)是建立在自然語言的基礎(chǔ)上，而自然語言中常采用一些模糊的概念，如。“溫度偏高”、“壓力偏大”等。如何描述這些模糊的概念，并對(duì)它們進(jìn)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(duì)于普通集合而言，任何一個(gè)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(duì)于模糊集合，一個(gè)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(chǔ)上的模糊邏輯，任何陳述或命題的真實(shí)性只是一定程度的真實(shí)性，與建立在普通集合基礎(chǔ)上的布爾邏輯相比，模糊邏輯是一種廣義化的

38、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(gè)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(gè)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(jī)性。隨機(jī)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

39、性則反映人們主觀理解上的不確定性，即人們對(duì)有關(guān)事件定義或概念描述在語言意義理解上的不確定性。 4.3.2 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(gè)數(shù)值——隸屬度來刻畫或描述。把一個(gè)具體的元素映射到一個(gè)合適的隸屬度是由隸屬度函數(shù)來實(shí)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(jiǎn)單、方便、快速、有效，惟一的約束條件是隸屬度函數(shù)的值域?yàn)閇0，l]。 實(shí)際上根據(jù)模糊統(tǒng)計(jì)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(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上隸屬函數(shù)的形狀會(huì)

40、很微妙地影響著整個(gè)模糊系統(tǒng)的過程，例如會(huì)影響單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊化、解模糊化的時(shí)間和對(duì)查詢表存儲(chǔ)空間的要求?，F(xiàn)在普通采用三角形和梯形和形狀，是因?yàn)閷?shí)踐證明它們能滿足一般要求，又可簡(jiǎn)化計(jì)算，故被廣泛采用。 心理物理學(xué)已經(jīng)證明，人的各種感覺所反應(yīng)的測(cè)量量與外界刺激的物理量之間確實(shí)保持著相當(dāng)嚴(yán)格的關(guān)系。不少學(xué)者做過大量的統(tǒng)計(jì)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(guān)鍵還在于實(shí)踐是檢驗(yàn)隸屬函數(shù)正確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)，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(yàn)確定一個(gè)近似的隸屬函數(shù)，然后再根據(jù)實(shí)踐效果加以調(diào)整，逐步逼近比較理想的情況。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

41、函數(shù)的方法是模糊統(tǒng)計(jì)法。其思想是通過對(duì)足夠多人的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，對(duì)要確定的模糊概念在討論的論域中進(jìn)行逐一寫出定量范圍，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，以確定能被大多數(shù)人認(rèn)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(duì)稱和平衡的。 （3） )隸屬函數(shù)要服從語意順序和避免不恰當(dāng)?shù)闹丿B。 4.3.3 If…then規(guī)則 最簡(jiǎn)單的if…then規(guī)則的形式是:“如果x是A，則y是B?！眎f部分是前提或前件，then部分是結(jié)論或后件。解釋if…then規(guī)則包括以下三個(gè)過程： (1)輸入模糊

42、化：確定出if…then規(guī)則前提中每個(gè)命題或斷言為真的程度(即隸屬度)。 (2)應(yīng)用模糊算子：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(gè)前提為真的程度(即整個(gè)前提的隸屬度)。 (3)應(yīng)用蘊(yùn)合算子：由前提的隸屬度和蘊(yùn)含算子，可以確定出結(jié)論為真的程度(即結(jié)論的隸屬度)。 4.3.4 模糊控制器總體設(shè)計(jì)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(dá)人的控制動(dòng)作或經(jīng)驗(yàn)的形式語言，而模糊推理則是利用控制規(guī)則，由被控對(duì)象當(dāng)前的狀態(tài)來決策下一步控制器動(dòng)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

43、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)則的選取是以誤差及誤差變化率的大小為依據(jù)。當(dāng)誤差較大時(shí)，選取控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時(shí)，選取控制量以系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)為出發(fā)點(diǎn)，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(gè)模糊控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，它們的選取應(yīng)根據(jù)每一個(gè)調(diào)速、伺服系統(tǒng)的具體情況來決定?；镜哪：刂葡到y(tǒng)框圖如下圖4.1所示： d/dt Ke Kec 模糊控制 Ku 對(duì)象 檢測(cè)變送器 EC(nT) E(nT) U(nT) u(nT) y(nT) 圖4.1 模糊控制系統(tǒng)框圖 Fig. 4.1 Fuzzy

44、Control System Block Diagram Figure 4-1 故模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容： （1） 輸入、輸出變量的確定，本次設(shè)計(jì)采用二輸入一輸出的模式設(shè)計(jì)。 （2）模糊化，即模糊子集隸屬度函數(shù)的設(shè)定，包括隸屬度函數(shù)的個(gè)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。 4.4 電液伺服系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì) 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(yīng)的傳動(dòng)機(jī)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。 開始 初始化 啟動(dòng)、停止命令？

45、 控制算法模塊 數(shù)據(jù)顯示模塊 啟動(dòng)、停止命令？ 停機(jī)狀態(tài) 停止 停止 啟動(dòng) 啟動(dòng) 圖4.2 模糊控制器設(shè)計(jì)流程圖 Fig. 4.2 Flowchart of fuzzy controller design 電液伺服模糊控制器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)控制器時(shí)使系統(tǒng)的響應(yīng)能夠按大偏差和小偏差分別處理。大偏差時(shí)首先照顧響應(yīng)時(shí)間， 小偏差時(shí)則以精度為主要指標(biāo)。 4.4.1 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(xì)[

46、19]。但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，尤其是對(duì)于要求快速的傳動(dòng)系統(tǒng)更是如此，因此本次設(shè)計(jì)采用二維模糊控制器即二輸入一輸出的模式，對(duì)電液位置伺服電機(jī)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(gè)輸入語言E，由于負(fù)載與活塞運(yùn)行速度的關(guān)系，所以取速度（即偏差變化率）作為另一個(gè)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。 4.4.2 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(gè)模糊量與控制系統(tǒng)中精確量之間的關(guān)系。在伺服 機(jī)的控制中，如果轉(zhuǎn)速或位置偏離給定值有較大偏差時(shí)，應(yīng)使電機(jī)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(shí)，控

47、制器才給定不同的轉(zhuǎn)矩力，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)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?yàn)閧 -6 , -4 , -2 ,0 ,2 ,4 ,6}和 U 的模糊子集為{NB ,NM,NS ,ZO ,PS ,PM,PL} , 論域?yàn)閧 -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 Design

48、er項(xiàng) , Fuzzy System Designer VI立即運(yùn)行。在其中的菜單欄中選擇File項(xiàng)中的 new就可以進(jìn)入隸屬函數(shù)編輯界面 , 如圖4.3所示： 圖4.3 模糊控制VI界面 Fig .4.3 Fuzzy Control VI interface 在此點(diǎn)擊添加按鈕即可添加輸入、輸出變量，并且進(jìn)行隸屬函數(shù)的編輯。輸出變量U的隸屬函數(shù)的設(shè)置與輸入變量E ,EC 的設(shè)置與此類似,并可以在其中相應(yīng)的設(shè)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。 圖4.4 輸入變量E的隸屬函數(shù)編輯界面 Fig .4.4 Input var

49、iable editing interface of E membership function 圖4.5 輸入變量EC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： 圖4.6 輸出變量U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

50、4.7所示： 圖4.7 隸屬函數(shù)編輯界面 Fig .4.7 Membership Function Editor Interface 4.4.3 模糊規(guī)則的確立 單擊Rules 就會(huì)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(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(shí),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(shí)應(yīng)使系統(tǒng)快速減小偏差;而當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時(shí),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(yīng)遵循：活塞行程偏差越大，活塞運(yùn)行速度越快,則控制伺服閥向相

51、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?？刂埔?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(gè)輸入量E和EC,每個(gè)輸入分為7級(jí)共有49條規(guī)則。根據(jù)模糊控制專家經(jīng)驗(yàn)及模糊控制器設(shè)計(jì)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(yàn)總結(jié)的規(guī)則表,逐條輸入。 圖4.8 模糊規(guī)則編輯界面 Fig. 4.8 fuzzy rule editing interface 表4.1 模糊語言控制規(guī)則表 Table 4.1 fu

52、zzy linguistic control rule table EC E NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PB PM PM ZO ZO NM PB PB PM PM PS ZO ZO NS PB PM PS PS ZO NS NM ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PM PS ZO NS NS NM NB PM ZO ZO NS NM NM NB NB PB ZO ZO NM NM NB NB NB 本設(shè)計(jì)中,

53、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(gè)擴(kuò)展名為fuzzy.fs 文件。 5 電液伺服模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 5.1 LabVIEW編程簡(jiǎn)介 LabVIEW 作為虛擬儀器開發(fā)的核心部分，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。它為用戶提供簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)的圖形編程法，把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡(jiǎn)化成用菜單或圖標(biāo)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(yīng)設(shè)計(jì)。LabVIEW 的應(yīng)用程序，由前面板、流程圖以及圖標(biāo)連結(jié)器三部分構(gòu)成。LabVIEW 軟件平臺(tái)采用數(shù)據(jù)流模型，自動(dòng)多線程

54、運(yùn)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(shí)就在后臺(tái)自動(dòng)完成了編譯；同時(shí)，LabVIEW 具有大量的驅(qū)動(dòng)程序，能實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析等功能[22]。 5.2 電液伺服模糊控制系統(tǒng)工作原理 5.2.1 控制系統(tǒng)工作原理 首先給定初始信號(hào)，即設(shè)定初始值以供系統(tǒng)運(yùn)行。其次就是量化因子、比例因子的設(shè)定。再接著就是將提前設(shè)計(jì)好的模糊控制器加載進(jìn)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(shè)計(jì)

55、最主要的就是將整個(gè)模糊控制傳遞給控制對(duì)象（此中控制對(duì)象為伺服電機(jī)），即完成了伺服模糊系統(tǒng)的控制，最后設(shè)定仿真參數(shù)（包括仿真起始時(shí)間，仿真公差，最小、最大步長(zhǎng)等），即可進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真分析。 5.2.2 伺服模糊控制系統(tǒng)工作流程圖 伺服模糊控制系統(tǒng)工作流程圖如下圖5.1所示： 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(shè)定Kec、Ke 加載模糊控制fuzzy.fs 設(shè)定比例因子Ku 設(shè)置仿真參數(shù) 傳遞給被控對(duì)象 仿真分析 停止控制？ Y N 啟動(dòng) 模糊控制 返回 結(jié)束 圖5.1伺服模糊

56、控制系統(tǒng)工作流程圖 Fig.5.1 Servo flowchart of fuzzy control system 5.3 控制系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì) 5.3.1 LabVIEW編程界面介紹 以LabVIEW為平臺(tái)，LabVIEW軟件界面如圖5.2所示。 圖5.2 LabVIEW軟件界面圖 Fig .5.2 LabVIEW software interface diagram 選擇New VI即可進(jìn)入前面板的設(shè)計(jì)，前面板設(shè)計(jì)界面如圖5.3所示，只要單擊右鍵，就會(huì)出現(xiàn)控件選擇面板，需要什么控制點(diǎn)擊拖拽出來即可。 圖5.3 LabVIEW 前面板圖 Fig

57、.5.3 LabVIEW front panel diagram 如果需要顯示后面板或是設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)如圖5.4所示。如需在后面板設(shè)計(jì)，同樣的方法單擊右鍵，就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的控件選擇，需要什么控件只需拖拽出來即可。 圖5.4 LabVIEW后面板圖 Fig .5.4 LabVIEW back panel diagram 將設(shè)計(jì)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(yīng)用于LabVIEW的框圖程序中，并根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的儀表控制前面板

58、和后臺(tái)框圖程序。 5.3.2 基本硬件控件的功能選擇 要進(jìn)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5.5 仿真框圖界面 Fig .5.5 Simulation interface diagram 圖5.6 仿真框圖選擇界面 Fig .5.6 Simulation Select interface bloc

59、k diagram 雙擊仿真環(huán)即可出現(xiàn)仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，可以設(shè)置仿真起始時(shí)間、步長(zhǎng)等，如下圖所示： 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(hào)，選擇Control Design & Simulation/simulation/Signal Generation/Step Signal,如圖5.7所示： 圖5.7 初始信號(hào) 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 Design & Simulation/si

60、mulation/Signal Arithmetic/Gain和Summation,如圖下圖所示。 而量化因子的輸入控件即通過前面板選擇，方法：右鍵Control/Modern/Numeric Control/Dial,如下圖所示： 其次就是控制對(duì)象的選擇，選Control Design & Simulation/simulation/Continuous Linnear Systems/Transfer Function,如下圖5.8所示： 圖5.8 控制對(duì)象的選擇 Fig. 5.8 Select the control object

61、 電液伺服系統(tǒng)對(duì)象傳遞函數(shù)為44/(10*s*s+s)，故得做相關(guān)的修改，雙擊剛拖拽出來的函數(shù)控件，就會(huì)出現(xiàn)編輯對(duì)話框，如圖5.9所示： 圖5.9 控制對(duì)象編輯對(duì)話框 Fig. 5.9 Control Object Editor dialog box 將b0修改為44，a0修改為0，a1修改為1，a2修改為10，單擊OK按鈕即可完成所需的傳遞函數(shù)。 再次就是仿真結(jié)果顯示設(shè)備，示波器的選擇，選擇時(shí)域波形濾波器，如圖5.10所示。選擇Control Design & Simulation/simulation/Graph Utilities/SimTime Waveform,即可

62、出現(xiàn)所述器件，拖拽出來即可使用。 圖5.10 時(shí)域波形濾波器的選擇 Fig .5.10 Select the filter time-domain waveform 接下來就是示波器的的選擇，與時(shí)域波形配套使用的即是Waveform Chart,右鍵選擇Classic/Classic Graph/Waveform Chart,如圖5.11所示。 圖5.11 示波器控件選擇 Fig. 5.11 Select the oscilloscope controls 在前面板拖拽出來如圖5.12所示： 圖5.12 示波器圖 Fig .5.12 Waveform Char

63、t 最后是仿真結(jié)束控制按鈕的選擇，由真假按鈕來控制仿真結(jié)束命令，真假常數(shù)命令按鈕選擇路徑為：右鍵選擇Controls/Express/Buttons/Stop Button,拖拽出來即可使用。選擇界面如下圖所示： 仿真控制命令按鈕選擇界面如下圖5.13所示，選擇途徑為：右鍵Control Design & Simulation/simulation/Utilities/Halt Simulation,使用時(shí)拖拽出來即可。 圖5.13 仿真控制命令按鈕 Fig. 5.13 Simulation Control command button 5.3.3 前面板硬件設(shè)計(jì) L

64、abVIEW是一種圖形化的程序編程軟件，直觀易懂，解決了硬件和軟件分開控制的不足之處。通過對(duì)前面板控制變量的改變，后面板在后臺(tái)運(yùn)行，即可在前面板觀察到運(yùn)行結(jié)果，簡(jiǎn)單、直觀易懂、易控制。本次設(shè)計(jì)的電液伺服模糊控制系統(tǒng)只要將前后面板設(shè)計(jì)完成后，改變量化因子Ke、Kec和比例因子Ku等觀察仿真結(jié)果，分析變化對(duì)控制的影響程度，故前面板設(shè)計(jì)結(jié)果圖如圖5.14所示。 圖5.14 前面板硬件結(jié)構(gòu)圖 Fig. 5.14 Front panel hardware structure 5.3.4 后面板程序編程 在LabVIEW 環(huán)境下，按照結(jié)構(gòu)圖構(gòu)建系統(tǒng)仿真程序框圖，所選控件及功

65、能前面已詳細(xì)介紹，根據(jù)整個(gè)控制系統(tǒng)的程序流程圖依次編程設(shè)計(jì)，后面板圖形化程序框圖如圖5.15所示。 圖5.15 后面板系統(tǒng)仿真框圖 Fig. 5.15 Simulation diagram of the rear panel 5.4 仿真分析 在 “Simulation Parameters”框中設(shè)置仿真參數(shù)項(xiàng)(由設(shè)置參數(shù)函數(shù)將仿真參數(shù)傳給仿環(huán))[14] , 在其中可以設(shè)計(jì)仿真開始、終止時(shí)間、仿真最大最小步長(zhǎng)和仿真算法等參數(shù)。圖中的 Ke,Ke分別為輸入變量E,EC的量化因子,Ku為輸出變量的比例因子。 5.4.1 仿真結(jié)果 檢查后面板的連線等是否有誤，待檢測(cè)前后面板都設(shè)計(jì)

66、好之后，在LabVIEW 環(huán)境下,運(yùn)行開始調(diào)用上述編輯過的.fs文件。電液伺服系統(tǒng)對(duì)象傳遞函數(shù)為44/(10*s*s+s),采用前述隸屬度函數(shù)及控制規(guī)則 ,并取Ke,Kec,Ku等于1時(shí)運(yùn)行程序，得到響應(yīng)曲線1，如圖5.16所示。 圖5.16系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線1 Fig. 5.16 Step response curve 1 記錄下以上運(yùn)行結(jié)果，即仿真曲線。暫停仿真。其他條件不變 , 引入外干擾傳遞函數(shù)變?yōu)?0.9s + 44)/(10*s*s+ s)，只需改動(dòng)H(S)傳遞函數(shù)即可，再次運(yùn)行控制系統(tǒng)得到響應(yīng)曲線2,如圖5.17所示。 圖5.17系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線2 Fig. 5.17 Step response curve 2 再次記錄以上運(yùn)行結(jié)果，此時(shí)增大量化因子 Ke = 2.5，觀察運(yùn)行仿真曲線，得到響應(yīng)曲線3,如圖5.18所示。記錄相應(yīng)仿真結(jié)果。 圖5.18系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線3 Fig. 5.18 Step response curve 3 最后暫停運(yùn)行程序，重新設(shè)置輸入變量的論域，將論域縮小到[