模糊控制課程教學中LabVIEW示例的應(yīng)用與探討

林劍輝

北京林業(yè)大學工學院 北京 100083

1965年，美國數(shù)學家Zadeh創(chuàng)立了模糊理論，并將其應(yīng)用到控制工程中，最近十年來，模糊控制系統(tǒng)成功應(yīng)用的實例層出不窮，模糊控制已經(jīng)成為現(xiàn)代智能控制理論中重要的分支[1-3]。我校針對自動化專業(yè)學生的就業(yè)需求，已在本科生教育中單獨開設(shè)了模糊控制這一課程。

根據(jù)牛津英語詞典的解釋，“模糊(fuzzy)”一詞的含義為“朦朧的，不精確的，不合乎邏輯的，不明白的”。但實際上，模糊系統(tǒng)是一個被精確定義的系統(tǒng)，模糊控制也是一種被精確定義的特殊的非線性控制[4]。對于本科教學而言，字面上的“模糊”與本質(zhì)上的“精確”是造成學生基本概念混淆的主要原因之一。

筆者通過多年的教學實踐發(fā)現(xiàn)，要幫助學生深入掌握模糊控制中“模糊”一詞的真正含義，除了對模糊控制的基礎(chǔ)理論—模糊數(shù)學進行深入系統(tǒng)地講解，讓學生加深對理論概念的理解之外，重點在于通過實驗環(huán)節(jié)加深學生對模糊控制的感性認識，并通過實踐引導學生的學習興趣和主觀能動性。

仿真模擬在模糊控制的實踐教學中具有重要地位。利用各種仿真軟件，引導學生自行完成系統(tǒng)分析，參數(shù)優(yōu)化，綜合總結(jié)等具體教學環(huán)節(jié)，便于學生通過實驗更深入地理解模糊控制的工作原理。在原有教學模式中，通常采用Matlab/Simulink為主要的仿真平臺[5]，但該平臺存在明顯的不足：很難與硬件設(shè)備連接構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)。而NI公司推出的虛擬儀器平臺LabVIEW是一種面向儀器測控的圖形化編程語言，配合數(shù)據(jù)采集卡或其他外部設(shè)備，可以非常方便地構(gòu)建一套以計算機為核心的測控系統(tǒng)，在當前測控行業(yè)，包括模糊控制系統(tǒng)中都有著較為廣泛的應(yīng)用[6]。因此，筆者在教學過程中，探索性地引入LabVIEW平臺為模糊控制課程的仿真實驗平臺，在教學過程中更好地把理論與實踐相結(jié)合，以進一步提高學生的動手能力。

筆者以電液位置伺服系統(tǒng)的模糊控制設(shè)計為例，探討模糊控制課程教學中LabVIEW的應(yīng)用。

1 LabVIEW中的模糊邏輯功能

LabVEIW提供了模糊邏輯功能模塊，包括模糊邏輯控制器設(shè)計VI(Fuzzy Logic Controller Design VI)，模糊控制器加載VI(Load Fuzzy Controller VI)，模糊控制器VI(Fuzzy Controller VI)等[7]。

其中模糊邏輯控制器設(shè)計VI是實現(xiàn)模糊控制的主要部分，由模糊集合編輯器、模糊規(guī)則編輯器和輸入輸出性能測試三部分組成，其主要功能是提供定義和修改模糊控制中的各參數(shù)，包括隸屬函數(shù)、控制規(guī)則、解模糊方法、推理方法及其他相關(guān)參數(shù)，并可通過性能測試模塊對以上參數(shù)設(shè)定進行仿真測試。系統(tǒng)提供的隸屬函數(shù)除了傳統(tǒng)的三角形、梯形、Z型、S型等隸屬函數(shù)外，還可由用戶自行定義；用戶通過該VI可以直觀方便地設(shè)計各種滿足不同要求的模糊邏輯控制器。在設(shè)計好模糊控制器后，將其保存于后綴名為.fc格式的數(shù)據(jù)文件中，以備控制系統(tǒng)調(diào)用。

2 電液位置伺服系統(tǒng)的仿真設(shè)計

2.1 模糊控制總框圖

電液位置伺服系統(tǒng)主要用于解決位置跟隨的控制問題，其根本任務(wù)是通過液壓機構(gòu)實現(xiàn)被控量對給定量的及時和準確跟蹤，并且要求其具有較高的控制精度。電液位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性是衡量系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試水平的重要指標。整套系統(tǒng)由電信號處理裝置和液壓元件組成，各元件的動態(tài)性能相互影響，相互制約，而且系統(tǒng)本身包含顯著的非線性特性，致使其動態(tài)性能相當復雜[8,9]。因此，電液位置伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真在控制理論教學中具有較為典型的代表性。

首先，針對電液位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計其模糊控制系統(tǒng)(如圖1所示)。

圖1 電液位置伺服模糊控制系統(tǒng)框圖

其中，模糊控制器是整個設(shè)計的核心部分，包括輸入、輸出變量的模糊化(即模糊子集隸屬度函數(shù)的設(shè)定)，模糊規(guī)則的設(shè)定等。

2.2 輸入、輸出變量模糊化

本示例采用雙輸入單輸出方式，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{ENB, ENM, ENS, EZO, EPS, EPM,EPL}，它們的論域為{-9, -6, -3, 0, 3, 6, 9}，U的模糊子集為{UNB, UNM, UNS, UZO, UPS, UPM, UPL}，論域為{-4.5, -3, -1.5, 0, 1.5, 3, 4.5}。選用三角函數(shù)為隸屬度函數(shù)，將輸入、輸出量模糊化(如圖2所示)。

圖2 輸入、輸出變量隸屬度設(shè)計界面

2.3 模糊控制規(guī)則制定

根據(jù)電液位置伺服控制系統(tǒng)的控制規(guī)律，結(jié)合控制專家經(jīng)驗及模糊控制器設(shè)計思想，總結(jié)得到表1所示的模糊邏輯控制規(guī)則表。

表1 模糊邏輯控制規(guī)則表

再將以上控制規(guī)則表輸入模糊邏輯控制器設(shè)計VI中(如圖3所示)，即形成模糊規(guī)則。

圖3 模糊控制規(guī)則輸入界面

2.4 仿真程序

圖4 模糊電液位置伺服系統(tǒng)仿真界面

圖5 模糊電液位置伺服系統(tǒng)仿真程序圖

在設(shè)定好輸入、輸出變量隸屬度及模糊控制規(guī)則后，存盤生成.fc文件，即可開始建立電液位置伺服控制系統(tǒng)的仿真模擬。該仿真模擬系統(tǒng)包括前面板顯示部分(如圖4所示)和后面板程序部分(如圖5所示)。

3 仿真分析

在“Simulation Parameters”框中設(shè)置仿真參數(shù)項(由設(shè)置參數(shù)函數(shù)將仿真參數(shù)傳給仿真程序)，在其中可以設(shè)計仿真開始、終止時間、仿真最大最小步長和仿真算法等參數(shù)。在實驗過程中，采用模糊控制與普通閉環(huán)控制相比較的教學方法。圖6左圖為普通閉環(huán)電液位置控制系統(tǒng)仿真結(jié)果，右圖為采用模糊控制后的電液位置伺服系統(tǒng)仿真結(jié)果。從兩個結(jié)果比較可以看出，采用模糊控制策略后，系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量變小，響應(yīng)時間變短，整體性能遠遠優(yōu)于采用普通閉環(huán)控制的系統(tǒng)。通過結(jié)果對比，有利于學生加深模糊控制的感性與理性認識，理解模糊控制核心所在。

圖6 仿真實驗結(jié)果比較

4 結(jié)束語

模糊控制理論發(fā)展迅速，它具有便于與其他智能控制方法聯(lián)合使用的優(yōu)點，在現(xiàn)代智能控制中占有重要地位。為了提高本科模糊控制教學效果，在實踐教學中引入LabVIEW仿真模擬，并與普通閉環(huán)控制進行比較，加強學生對模糊控制的感性認識，加深對模糊控制的理論理解，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新精神，調(diào)動學生學習的積極性與主動性，從而了取得良好的教學效果。

[1] 羅永建,鄭樹彬,吳浩.模糊控制技術(shù)在地鐵空調(diào)控制中的應(yīng)用[J].上海工程技術(shù)大學學報,2011,25(4):324-326.

[2] 黃悅?cè)A,徐陽,周星辰.基于變論域模糊控制的無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)空載變網(wǎng)控制[J].電力自動化設(shè)備,2012,32(2):99-103.

[3] 張戌社,朱飛.基于模糊控制的焊管切割機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].制造業(yè)自動化,2012,34(2):27-28,67.

[4] 王立軍,王迎新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程[M].北京:清華大學出版社,2003.

[5] 劉新正,賀小玉,馮俊龍.開放平臺下調(diào)速系統(tǒng)模糊控制的教學實踐[J].電氣電子教學學報,2011,33(2):45-47.

[6] 盧佩,劉效勇.基于LabVIEW的溫度大棚溫、濕度解耦模糊控制監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].山東農(nóng)業(yè)大學學報:自然科學版,2012,43(1):124-128.

[7] 陳樹學,劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[8] 李夢輝,李虹,劉鵬.基于DSP魯棒PID控制器的電液位置伺服系統(tǒng)電模擬仿真研究[J].工業(yè)控制計算機,2011,24(6):77-79.

[9] 姚建勇,焦宗夏,黃澄.基于動態(tài)逆模型的電液位置伺服系統(tǒng)復合控制[J].機械工程學報,2011,47(10):145-151.