基于LabVIEW的云模型映射器设计与实现

学校代码： 10289分类号： TP273 密 级： 公开学 号：0731302006江 苏 科 技 大 学硕 士 学 位 论 文基于 LabVIEW 的云模型映射器的设计与实现研 究 生 姓 名 朱 敏 导 师 姓 名 李 众 申请学位类别 工程硕士 学位授予单位 江 苏 科 技 大 学 学 科 专 业 电子通信 论文提交日期 2010 年 4 月 8 日 研 究 方 向 测量与控制技术 论文答辩日期 2010 年 5 月 31 日 答辩委员会主席 评 阅 人 2010 年 6 月 8 日论文题目 基于LabVIEW的云模型映射器的设计与实现姓 名 朱敏 江苏科技大学分类号： TP273 密 级： 公开 学 号： 0731302006 工程硕士学位论文基 于 LabVIEW 的 云 模 型 映 射 器的 设 计 与 实 现学 生 姓 名 朱 敏指 导 教 师 李 众 江苏科技大学二 O 一 O 年六月 A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of Engineering Design and Implementation of Cloud Model Mapping based on LabVIEWSubmitted byZhu MinSupervised byProfessor Li zhongJiangsu University of Science and TechnologyApril, 2010论 文 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得江苏科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期：学 位 论 文 使 用 授 权 声 明 江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位论文的全部或部分上网公布，有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存、上网公布本学位论文的复印件或电子文稿。本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 研究生签名： 导师签名：日 期： 日 期：摘要I摘要“云模型”是中国工程院李德毅院士在传统模糊集理论和概率统计的基础上建起来的一种新的定性定量转换模型，云模型用于智能控制可以较好地解决系统的状态只能用不精确的定性量来描述的复杂非线性系统的控制。LabVIEW 是目前虚拟仪器开发的最常用的平台，它提供了丰富的信号分析处理函数，且易于和各种高速实时的数据采集硬件集成，还可以和多种主流的工业现场总线通信以及与大多数通用标准的数据库链接。本文对云模型的理论及应用研究的现状做了综述，设计了基于 LabVIEW 平台的正向和逆向云发生器，研究了云模型推理的结构框架及其推理算法;对一种基于雪崩噪声电路的真随机数序列发生器进行了特性检验;设计了一种真随机数云模型发生器算法，并通过 LabVIEW 实现。本文研究了一维云模型映射器结构和算法，用 LabVIEW 平台设计实现了云模型映射器，研究了其非线性映射特征，设计实现了云模型映射器通用程序，只需通过对输入输出云模型集合参数或云模型推理规则的少量修改，即可获得不同的非线性映射关系。关键词 云模型；云发生器；映射器；非线性映射；LabVIEW；真随机数江苏科技大学工程硕士论文IIAbstract“Cloud model“ is a new qualitative and quantitative transformation model based on the traditional fuzzy set theory and the probability and statistics. Applied to the intelligent control fields，cloud model can solve the control of complex nonlinear systems which is difficult to quantitatively describe. LabVIEW is the most common platform for virtual instrument development, it provides a lot of signal analysis function, and easy to integrate with high-speed and real-time data acquisition hardware. In addition, LabVIEW can communicate with a variety of mainstream industrial field bus, and link to most of the common standard database.This thesis summarized the theory and application study of cloud models, designed the forward and backward cloud generator based on LabVIEW Platform, and studied the structure of cloud model reasoning framework and its reasoning algorithm. This thesis tested the characteristics of a kind of true random number sequence generator base on avalanche noise circuit, designed a new algorithm of real random number cloud model generator, and realized by LabVIEW.This thesis studied the structure and algorithm of One-Dimension Cloud Model Mapping Processor, realized the cloud model Mapping Processor based on LabVIEW Platform, and studied its nonlinear mapping features; designed and implemented the general procedure of cloud model Mapping Processor. It can get different nonlinear relationship through a little modification of input and output cloud model collection parameters or reasoning rule.Keywords: cloud model; cloud generator; Mapping Processor; nonlinear mapping; LabVIEW; true random number目录I目录摘要 .IABSTRACT.II目录 .I第 1 章 绪 论 .11.1. 研究背景和意义 .11.2. 云模型研究现状 .21.2.1. 云模型理论研究现状 .21.2.2. 云模型应用研究进展 .51.3. 本文主要研究内容及章节安排 .81.3.1. 主要研究内容 .81.3.2. 内容章节安排 .9第 2 章 云模型 .102.1. 引言 .102.2. 云模型的基本概念 .102.2.1 云模型的基本定义 .102.2.2 云模型的数字特征 .112.2.3 正态云的普适性和 3En 规则 .122.3. 云模型发生器 .142.3.1 正向云发生器 .142.3.2 条件云发生器 .152.3.3 逆向云发生器 .162.4. 云模型的不确定性推理 .172.4.1 单规则推理 .172.4.2 多规则推理 .182.5. 本章小结 .19第 3 章 虚拟仪器技术和 LabVIEW .203.1. 引言 .203.2. 虚拟仪器技术 .203.2.1. 虚拟仪器技术简介 .203.2.2. 虚拟仪器系统的组成 .213.2.3. 高效的软件平台 LabVIEW.223.2.4. 模块化的 I/O 硬件 .253.3. 基于 LabVIEW 的数据采集和控制 .253.3.1. 基于 LabVIEW 的数据采集和控制系统架构 .253.3.2. NI-DAQmx 硬件驱动程序和数据采集方法 .26江苏科技大学工程硕士论文II3.3.3. 通过 NI-PCI 板卡进行集中式数据采集和控制 .283.3.4. 通过研华-ADAM 模块进行分布式数据采集和控制 .293.4. 本章小结 .30第 4 章 基于 LabVIEW 的云模型发生器的设计与实现 .314.1. 引言 .314.2. 基于 LabVIEW 的正向云模型发生器.314.2.1 基于 LabVIEW 的基本正向云发生器 .314.2.2 基于 LabVIEW 的 X 条件云发生器 .344.2.3 基于 LabVIEW 的 Y 条件云发生器 .354.2.4 基于 LabVIEW 的不确定性单规则推理 .364.3. 基于 LabVIEW 的逆向云模型发生器.384.3.1 逆向云发生器的算法 .384.3.2 逆向云发生器的 LabVIEW 编程实现 .394.4. 基于 LabVIEW 的真随机数云模型发生器 .404.4.1 基于雪崩噪声的真随机数二进制序列发生器 .404.4.2 基于 LabVIEW 的真随机数二进制序列特性检测 .414.4.3 真随机数序列转换为正态分布的真随机数 .444.4.4 基于 LabVIEW 的真随机数云模型发生器 .444.5. 本章小结 .46第 5 章 基于 LabVIEW 的云模型映射器的设计与实现 .475.1. 引言 .475.2. 一维云模型映射器 .475.2.1. 云模型映射器的结构和算法 .475.2.2. 云模型映射器的 LabVIEW 编程实现 .495.3. 云模型非线性映射特征 .505.3.1 线性特征 .515.3.2 饱和特征 .525.3.3 双限幅特征 .545.3.4 死区特征 .545.3.5 其它非线性特征 .555.4. 本章小结 .57第 6 章 总结和展望 .586.1. 本文的主要工作 .586.2. 进一步研究展望 .59参考文献 .60攻读学位期间参与的研究项目及发表的学术论文 .66致谢 .67第 1 章 绪论1第 1 章 绪 论1.1.研究背景和意义在自动控制领域，任何真实的控制系统都或多或少地呈现出非线性特征，只是强弱不同。为了实现深层次、高性能的控制，就不能不充分考虑系统特性的时变性和非线性。众所周知，由于时变非线性动态方程没有通用的解法，因此与线性定常动态系统不同，远远未能建立起有效的控制系统设计方法。应如何解决复杂系统的控制问题？国内外学者普遍意识到要走智能化的道路，实现控制要向人的智能学习。目前，人工智能在模拟人类的确定性智能一逻辑思维方面，已经取得很大成就。但是，对人类不确定性智能的模拟始终没有太大的进展，而在模拟人类形象思维方面尚处在探讨阶段。因为不确定性广泛存在于主观和客观世界，在诸多不确定性因素中，随机性和模糊性是最为重要的两个因素 1。随机性与模糊性经常相互融合，难以区别和独立存在，这在人类作为思维和认知载体的语言中表现的尤为明显 2。因此，不确定性人工智能是人工智能中的研究热点，也是人工智能中重大前沿课题 34。把人工智能原理应用到控制系统中，用语言值构成规则，形成一种直观推理方法，这种拟人控制，不要求给出被控对象的精确数学模型，仅仅依靠人的经验、感觉和逻辑判断,将人用语言值定性表达的控制经验，通过一个转换模型转换成定量值，就解决了非线性问题和不确定问题。目前常用的定性定量转换方法有：层次分析；量化加权；专家群体打分。定性分析中还夹杂着一些数学模型和定量计算。“云模型”是中国工程院李德毅院士在传统模糊集理论和概率统计的基础上建起来的一种新的定性定量转换模型 5，它把不确定性概念的模糊性和随机性机地结合在一起，通过正向云发生器和逆向云发生器，建立起定性和定量之间的相互联系、相互依存、性中有量、量中有性的映射关系。正向云将定性语言转化为定量数据，可以将语言量化；逆向云可以实现定量数值与定性概念的自然转换,可以运用到定性评价、数据挖掘等领域 6。云模型用于智能控制可以较好地解决系统的状态只能用不精确的定性量来描述的复杂系统的控制 7。而本质上，控制器所实现的输入输出控制关系就是一种从定量输入到定量输出的映射关系，即偏差输入到控制量输出的映射过程 8。因此，设计实现非线性映射器是研究如何将“云模型”应用于智能控制的关键问题。虚拟仪器技术是现代仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，具有开放高效的软件，模块化的 I/O 硬件以及用于集成的软硬件平台，可以在不改变或少改变硬件的前提下，通过软件就可以灵活满足多种不同的测试与控制需求等优势，以满足灵活多江苏科技大学工程硕士论文2变的需求趋势，从而为嵌入式设计、工业控制以及测试和测量提供了一种独特而高效的解决方案。图形化编程软件 LabVIEW 是目前虚拟仪器开发的最常用的平台，它提供了丰富的信号处理函数和分析函数，且易于和各种高速实时的数据采集硬件集成，还可以和多种主流的工业现场总线通信以及与大多数通用标准的数据库链接。目前，云模型发生器的软件实现及仿真多采用 Matlab 软件，使用 LabVIEW 平台实现云发生器和映射器尚数创新。基于 LabVIEW 平台进行云模型映射器的设计，一方面可以通过 LabVIEW 特有的图形化编程高效快捷地仿真实现云模型映射器，另一方面可以利用 LabVIEW 高效的数据分析处理功能和硬件实时数据采集功能，实现基于真实硬件的云模型映射器，研究其映射特征，进而为设计研究真实云模型智能控制器奠定基础。进一步，利