（通信与信息系统专业论文）模糊控制理论与虚拟仪器技术.pdf

ab s tr act wit h t h e t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t o f m i c r o - e l e c t r o n i c s , c o m p u t e r , s o ft w a r e a n d n e t w o r k , m o r e a n d m o r e t h e o r i e s a n d m e t h o d s o f t e s t s h a s a p p e a r e d . t h e s t r u c t u r e o f n e w d e v e l o p e d i n s t r u m e n t s h a s b e e n i m p r o v e d . i n a d d i t i o n , i t h a s e x c e e d e d t h e c o n c e p t o f t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s o o n t h i s b a c k g r o u n d , v i r t u a l i n s t r u m e n t c h a r a c t e r iz e d o f i n t e l l e c t u a l i z e d a n d n e t w o r k t e s t in g i n s t r u m e n t s h a s b e e n g r e a t ly d e v e lo p e d . l a b v i e w ,p r o d u c e d b y n a t i o n a l i n s t r t u n e n t s r m ( u s a ) ,i s a v e r y s u c c e s s fu l a n d m o s t e x t e n s i v e ly a p p l i e d s o f t w a r e d e v e l o p m e n t e n v ir o n m e n t . n o w , t o i n t e g r a t e i n t e l l i g e n t c o n t r o l t h e o r y i n t o v irt u a l i n s t r u m e n t d e v e l o p m e n t i s a m o s t a c t iv e r e s e a r c h a s p e c t . t h i s p a p e r h a s i n t r o d u c e d t h e p r o c e s s o f f u z z y c o n t r o l t h e o r y a p p l i e d i n t o t h e d e v e l o p m e n t o f v i rt u a l i n s t r u m e n t . i h a v e d e v i s e d t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e o f t h e s y s te m ,a n d o b t a i n e d a g o o d r e s u l t 第一章 课题的提出和意义 j 虚拟仪器概念( v i r t u a l i n s t r u m e n t s ， 简称 v i ) 是美国国家仪器公司 ( 1 n l i o n a l i n s t r u m e n t s c o r p . 简称n i ) 于1 9 8 6 年提出的，是现代计算机系统不 1 i 仪器系统技术相结合的产物， 是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。 l, 拟仪器技术是随着计算机技术的进步而逐渐发展起来的， 它推动着传统仪器朝 石数乡 化 ( v能化)、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。 虚拟仪器是山计s , 扫 i 硬件资il; . 模块化仪器硬件和用于数据分析、 过程通讯及图形用户界而的软州 f d k 的测控系统，是种由计算机操纵的模块化仪器系统。与传统仪器样， 虎 拟仪器也由三大功能块构成: 信号的采集与控制、 信号的分析与处理、结果的农 达与输出。 在通用计算机平台上， 用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功 能和性能， 完成对被测样品的采集、 分析、 判断、 显示、 存储、 打印及数据生成。 其实质是将传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结合起来， 以实现并扩展传 统测试仪器的功能。与 传统仪器相比， 虚拟仪器在智能化程度、 处理能力、 性能 价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势。 虚拟仪器主要由 硬件和软件两部分组成。 虚拟仪器的硬件主体是电子计算 机，为计算机配置的电子测量仪器， 硬件模块是各种传感器、 信号调理器、 模拟 数字/ 转换器 ( a d c )、 虚拟仪器鼓要、 数字/ 模拟转换器 ( d a c )、数据采集器 ( d a q )等 最核心的技术是虚拟仪器软件开发环境。与传统积): 语， i i i司 ， 这类软件一 般采用强大的图形化语台 编程， 面向测试工程师等非专业程序 员， 编程非常方便; 人机交互界面友好; 具有强大的数据可视化分析和仪器控制 能力等特点， 使用者可以根据不同的测试任务， 在虚拟仪器开发软件的提示下编 制不同的测试软件，构筑仪器的核心由原来的硬件转移到了软件， 可以说 “ 软件 就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质特征。 。 虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义， 用户无法改变的模式， 用户借助通用的仪器硬件平台， 调用不同的测试软件， 就可以构成不同功能的仪 器，来实现当代科学技术复杂的测试任务。 日前 虚拟仪器在许多的领域得到应用: 1虚拟仪器在汽车检测中的应用。 2通信声纳通用电路板测试诊断系统。 3基于虚拟仪器计算机视觉系统的研究。 4机械运动简图测绘系统的设计与实现。 5虚拟仪器在教学实践中的应用。 我们进行的实验是将虚拟仪器技术同智能控制算法结合起来， 应用到化学反 应， ， ，使化学反应按预定的规则进行。化学工业是国民经济发展中一个多品种、 多层次的1础产业，与 消费市场关系密切。同时， 它又是资金密集、能源密集和 技术密集的产业。 在某种意义上说， 一个国家化学工业的发展水平是整个国家经 济技术发展水平的重要标志。 化学 卜 业具有工艺复杂等特点， 必须有可靠有效的检测与控制手段来提.氰其 产品质量， 在这方面，自 动控制理论在化工自 动化生产中起着决定性作用。 化_ / i 产的全过程， 离不开自 动化检测与控制技术。 化学反应中 信号或动态数据的处 理分析， 是进行化学反应控制和对其状态监测与故障诊断的前提和基础。 化学反 应中信号包括利用传感器进行测量所获得的温度、压力、p h值、液位、流量、 重量等数据。 就各类不同的化学实验而言， 只要实验中可以 使用各类传感器将化学实验信 号转变为电信号， 或者可以从其他测量仪器中直接输出电信号， 那么这一电信号 就成了不同类别化学实验所具有的共性。 将这一电信号经信号处理器放大或衰减 后， 经a / d 转换器转换成数字量，再输入计算机，由计算机进行处理。计算机在 主控程序控制下将数字量送入相应的实验仪器虚拟界面， 变换成相应的 化学实验 数据，以人机对话的方式进行后期数据处理。 通过软件设计， 可以给不同类别的 仪器或实验设计出自己的虚拟仪器界面。 这样， 就形成了一个能将不同的化学实 验或仪器联系在一起的化学实验虚拟仪器系统。 如果将这种化学实验虚拟仪器同 一 些智能控制算法结合起来: 能极大地提高实验的自 动化程度、 原实验仪器的分 辨率、 实验数据的精密度和准确度; 在投资较少的情况下， 显著地提高了实验水 平。 如果将此套技术应用于化工生产过程， 可以充分利用计算机在数字信息处理 方而的先进技术， 对化学反应过程中的各种参数进行全程实时监控。 这样可以对 化学反应的温度、 加料、 搅拌速度等参数进行i化显示及精确控制， 附加其它传 感器后可对别的系统参数进行精确测量及控制，具有控制精度高，可重复性好， 可降低劳动强度， 避免人为操作失误。 由此可见将智能控制与虚拟仪器技术相结 介，在化不生产中具有非常美好的前景。 犷 今 银为 脸山目 幽 触 r撇 .启 份 一比卜 c a ; 兰 目 . . . . . . . . . . 目 四 四 ra m , . 第二章 虚拟仪器技术简介 第一节 虚拟仪器技术发展与展望 f 专 统台式仪器足山仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构， 它有固定的 愉入/ 输出接卜 ! 和仪器操作面板，每种仪器实现一类特定的测量功能，并以确定 的力式提供给用户。 从一般的仪器设计模型看， 一种仪器无非是由数据采集、 分 析处理、人机交互和显示等几部分功能模块组成的整体。 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体， 从而把 计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、 控制能力结合在一起， 大大缩小 了仪器硬件的成本和体积， 并通过软件， 实现对数据的显示、 存储以及分析处理。 从发展史看， 电子测量仪器经历了由模拟仪器、 智能仪器到虚拟仪器的过程。 由于计算机性能以摩尔定律( 每半年提高一倍) 飞速发展， 己把传统仪器概念远远 抛到后面， 并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。 虚拟仪器技术 的优势在于可由 用户定义自己的专用仪器系统， 且功能灵活， 很容易构建， 所以 应用面极为i 一 泛。尤其在科研、开发、测量、 检测、计量、测控等领域更是不可 多得的好止 _ 具。 虚拟仪器技术先进， 十分符合国际上流行的“ 硬件软件化“ 的发展趋势， 因而 常被称作“ 软件仪器” 。它功能强大，可实现示波器、 逻辑分析仪、频谱仪、 信号 发生器等多种普通仪器的全部功能。 配以专用探头和软件还可检测特定系统的参 数， 如汽车发动机参数、汽油标号、 炉窑温度、 血液脉搏波、心电参数等多种数 据。 虚拟仪器操作灵活， 完全图形化界面， 风格简约， 符合传统设备的使用习惯， 用户不经培训即可迅速掌握操作规程。 它集成方便， 不但可以 和高速数据采集设 务构成自 动测量系统， 而且可以 和控制设备构成自 动控制系统。 在仪器计量系统 万血， 可 、 波器、频谱仪、 信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表是科研机关、企 业研发实验室、 大专院所的必备测量设备。 随着计算机技术在测绘系统的广泛应 川， 传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口， 因而配合数据采集及数据处理十分 困难。 而1， 传统仪器体积相对庞大， 多种数据测量时常常感到捉襟见肘， 手足 无措。 我们常见到硬件工程师的 工作台 上堆砌着纷乱的仪器， 交错的线缆和繁多 待测器件。 然而在集成的虚拟测量系统中， 我们见到的是整洁的桌面， 条理的操 作， 不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来， 而且还可实现自 动测量、自 动 记 录、自 动数据处理。 其方便之极固不必多言， 而设备成本的大幅降低却不可不 提。一 套完整的实验测量设备少则几万元， 多则几十万元。 在同等的性能条件下， 一 华 = u l 由目自 翻漫d c惠 . 撇 括 合 服 相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势， 使111 1 它在仪器计4 . 领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。 在专用测量系统力 ih i r虚拟仪器的发展空间更为广阔。 环顾当今社会， 信息技术的迅猛发展，各行 各业无不转向智能化、自 动化、 集成化。 无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推 ) 捉供了 良 好的 基 础。 虚 拟仪 器的 概念 就是 用专 用的 软 硬 件配 合计 算 机实 现冬 有 设备的功能，并使其自 动化、智能化。因此， 虚拟仪器适合于一切需要计算机辅 助进行数据存储、 数据处理、数据传输的计量场合。 测量与处理、结果与分析相 脱节的而貌将大为改观。 数据的采集、 存储、 处理、分析一条龙操作，既有条不 紊，又迅捷快速。 推而广之， 一切计量系统， 只要技术上可行，都可用虚拟仪器 代替，由此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。 在自 动控制和工业控制领域， 虚拟仪器同样应用广泛。 绝大部分闭环控制系 统要求精确的采样， 及时的数据处理和快速的数据传输。 虚拟仪器系统恰恰符合 卜 述特点，卜 分适合测控一体化的设计。 尤其在制造业， 虚拟仪器的卓越计算能 力和巨大数据吞吐能力必将使其在 .g m, 控系统、 在线监测系统、 电 力仪表系统、 流 程控制系统等工控领域发挥更大的作用。 下面是一幅虚拟仪器与传统仪器的比较 农。 虚拟仪器 传统仪器一 开发和维护费用低 开发和维护费用高 技术是更新周期短 ( 0 .5 - 1 年) 技术更新周期长 ( 5 - 1 0 年) 软件是关键 硬件是关键 价格低 价 格昂 贵. 放灵活与计算机同步，可重复用和重配 置 固定 可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备 自 动、智能化、远距离传输 功能单一，操作不便 目前， 我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期， 对仪器设备的需求将更加强 劲。虚拟仪器赖以生存的p c 计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟 仪器的发展奠定了基础。 虚拟仪器作为传统仪器的替代品， 市场容量巨大。 据统 计，1 9 9 5 年我国 进口电子测量仪器7 3 . 5 万台，价值3 2 亿美圆。据专家预测， 到下世纪初我国将有5 0 % 的仪器为虚拟仪器。 发达国家虽然在此领域比我国起步 较早，但差距并不是很大， 我们应当充分把握时机， 取长补短， 学习国外先进经 验，将我国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢。 v i a睡 日 后 目 . 口 肠自扮 j 二 介 1 气 第二节 虚拟仪器的开发 无沦哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器 ( 调理放大器、 a / d卡等) 搭载到 笠记本. 匕 加 1 、台式p c或l 作站等各种计算机平台上，加上应用软件而构成的， 实现了川 j 计算机的个数字化的采集测试分析。因此虚拟仪器技术 ( v i ) 的发展/ l . 个跟计算机的发展步伐同步。 所以显示出虚拟仪器技术 ( v i ) 的灵活性和强大的 / 1 命力。 虚拟仪器 一 般由硬件系统( 个人计算机或者工作站、 仪器) 和软件系统组成 、 硬件)a li 发 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机， 按照测控功能硬件的不同， 虚拟 仪器( v i ) 可分为五种类型标准体系结构: 第类:p c总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于 插入计算机内的 数据采集卡与 专用的软件如l a b v i e w相结 合 ( 注:美国n i 公司的l a b v i e w是图形化编程工具，它可以通过各种控件自 已组建各种仪器。 l a b wi n d o ws / c v i 是基于文本编程的程序员提供高效的编程 : r具 ) ，通 过 四种 编 程 语 言 v i s u a l c + + ,v i s u a l b a s i c ,l a b v i e w , l a b w i n d o w s / c v i 构成测试系统， 它充分利用计算机的总线、 机箱、电 源及 软件的便利。但是受p c机机箱和总线限制， 且有电源功率不足， 机箱内部的噪 声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外， i s a总线的虚拟仪器已经淘汰，p c i 总线的虚拟仪器价格比较昂贵。 第_ 一 几 类:并行口 式虚拟仪器 最新发展的 系列可连接到计算机并行口 的测试装置， 它们把仪器硬件集成 在一个采集盒内。 仪器软件装在计算机上， 通常可以 完成各种测量测试仪器的功 能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、 任意波形发生器、频 率计、数字万用表、功率计、 程控稳压电源、数据记录仪、 数据采集器。典型的 代表是美国l i n k公司的d s o - 2 x x x系列虚拟仪器。该类型的虚拟仪器最大好 处是可以与 笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式p c机相连，实现台 式和便拱式两用，非常方便。由于其价格低廉、 用途广泛， 特别适合于研发部门 i ) 各种教学实验室应用。 a;翻 翻 . 覆 撇 撇搬 翻: 沪组.麟誉 鬓 第二类:g p i b总线方式的虚拟仪器 g p i b技术是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。 它的出现使电子 测 量独立的单台手工操作向大规模自 动测试系统发展， 典型的g p i b系统由一台p c 机、一块 g p i b接口卡和若干台g p i b形式的仪器通过 g p i b电缆连接而成。在 ; 7 1 1_ p s u 卜 ，块 g p i b接c i 可带多达 1 4台仪器，电缆长度可达 4 0米。g p i b 技术.ii 1 1-1 计算机实现对仪器的操作和控制， 替代传统的人工操作方式， 可以很力 使地把多台仪器组合起来，形成自 动测量系统。g p i b测量系统的结构和命令简 中，主要应用于台式仪器， 适合于精确度要求高的， 但不适于对计算机传输状况 要求高时应用。 第四类:v x i 总线方式虚拟仪器 v x i 总线是 一 种高速计算机总线v me总线在v i 领域的扩展，它具有稳定 的电源，强有力的冷却能力和严格的 r f i / e mi 屏蔽。由于它的标准开放、结构 紧凑、数据吞吐能力强、 定时和同步精确、 模块可重复利用、 众多仪器厂家支持 的优点， 很快得到广泛的应用。 经过十多年的发展， v x i 系统的组建和使用越来 越力便，尤其是组建大、中规模自 动测量系统以 及对速度、精度要求高的场合， 有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建 v x i 总线要求有机箱、零槽管理器及 嵌入式控制器，造价比较高。 第l i 类:p x i 总线方式虚拟仪器 p x i 总线方式是p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的， 增 加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的， 增加了多板发总线，以使用于 相邻模块的高速通讯的局端总线。 p x i 总线具有高度可扩展性。 它具有8 个扩展 槽， 而台式p c i 系统只有3 - 4个扩展槽， 通过使用p c i -p c i 桥接器，可扩展到 2 5 6 个扩展槽，台式p c的性能价格比与p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合 起来，将形成未来的虚拟仪器平台。 一 、软件了 发 软件主要包括应用软件和工 / 0 驱动软件。 用于虚拟仪器开发的应用软件目前大致有两类:一类是文本式的编程语含， 如b o r l a n d c , v i s u a l c + + , l a b w i n d o w s / c v i 等; 另 一 类 是图 形 化 编 程语台 ， 只 有代表性的有ii p v e e , l a b v i e w 等。 下面我们着重介绍一下l a b v i e w 开发平台 l a b v i e w是实验室虚拟仪器集成环境 ( l a b o r a t o r v v i r t u a l i n s t r u m e n t 万 蠢瀚份 翻日洲滋 i k; +- e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 的简称， 是美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，” ， 简称 n i )的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形 化软件开发集成环境。由于l a b v i e w的出现开创了上文提到的虚拟仪器的仪器 1 i) 究新方法。l a b v i e w 采用图形化语言编程，以方框图的形式编制程序，运用 的设条图标与 科学家、 工程师们习惯的大部分图标基本一致， 这使得编程过程和 思维过程 卜 常相似。l a b v i e w 提供了大量的函数和子程序支持用户的任务，也 提供了一些专用程序如g p i b设备控制、 v x i 总线控制、串行口设备控制、以及 数据分析、 显示和存储。 而且它还提供了专门用于程序开发的工具箱， 使得用厂 能够a置断点， 动态执行程序来观察数据的传输过程，以 便进行方便的调试。同 时， l a b v i e w可调用w i n d o w s 动态连接库和用户自 定义的动态连接库中的函数， 以解决 l a b v i e w 对某些非 n i 公司支持的硬件在使用过程中的驱动问题，使 l a b v i e w成为一个完全开放式的开发平台。 此外， l a b v i e w还直接支持动态数 据交换 ( d d e ) ,结构化查询语a ( s q l ) , t c p 和u d p 网 络协议等。 从 l a b v i e w研制开发的过程可以看到，虽然l a b v i e w本身是一个功能比 较完整的软件开发环境。但它是为替代常规的 b a s i c或 c语言而设计的， l a b v i e w是编程语言而不仅仅是一个软件开发环境。 作为编写应用程序的语言， 除了编程方式不同外， l a b v i e w具备语言的所有特性，因此又称之为g语台。 l a b v i e w 编程的主要特点就是将虚拟仪器分解为若干荃本的功能模块 ( 相当 于 硬件设计中的集成电路) ， 模块的引脚代表输入/ 输出接口。 编程者可以 通过 交互式手段， 采用图 形化框图设计的方法， 完成虚拟仪器的 逻辑和测量分析功能 设计。 l a b v i e w 编程的另一个优点是将软件的界面设计与功能设计独立开来， 修 改人 机交互界 面无需 对整个程序 进行调 试， 这对设计 像伙 器操作 面板这 样复 杂的 人机界面而言 是十分方便的。总之， l a b v i e w 作为图形化编程语言环境， 为虚拟 仪器开发提供了一种快捷、方便和功能强大的软件工具。 衬 魏 鑫 骑 比 . 圈、 淤 盛彭 瓣熬 兼 魂 粗 。 ; 第三章 智能控制技术 第一节 智能控制概述 智能控制是一 们新兴的交叉前沿学科， 它具有非常广泛的应用领域。 从信息 的角度来看， 所谓智能， 可具体地定义为:能有效地获取、传递、处理、再i 几 和 利用信息， 从而在任意给定的环境下成功地达到预定目的的能力。 可以看出， 智 能的核心是一种思维活动。 研究智能理论与技术的目的， 是要设计制造出具有高 度智能水平的人工系统 ( 智能系统) ，以便在那些必要的场合能够用人工系统替 代人去执行各种任务口 智能控制是自 动控制的最新发展阶段， 主要用来解决那些用传统控制方法难 以解决的复杂系统的控制问题。 传统控制包括经典反馈控制和现代控制理论控制， 它们的主要特征是基于精 确的系 统数学模型的控制。 在传统控制的实际 应用中 遇到了 不少难题， 主要表现 在以下几点: 1 ，实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等， 一 般无法获得精确的数学模型。 2 ，研究这些系统时，必须提出并遵循一些比 较苛刻的线性化假设，而这些 假设在应用中往往与实际不相吻合。 3 ， 对于某些复杂的和包含不确定性的控制过程，根本无法用传统数学模型 来表示，即无法解决建模问题。 4 ，为了 提高控制性能 传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的 投资，降低了系统的可靠性。 在这样复杂对象的控制问题面前， 将人工智能的方法引入控制系统， 实现了 控制系统的智能化， 即采用仿人智能控制决策， 迫使控制系统朝着期望的目 标逼 近。 传统的控制方式是基于被控对象精确模型的控制方式， 实际上往往是利用不 精确的模型， 又 采用固定的控制算法， 使整个控制系统置于模型框架下， 缺乏灵 活性和应变能力， 因而很难胜任对复杂系统的控制， 这种控制方式可称之为“ 模 型论” 。而智能控制是把控制理论的方法和人工智能的灵活框架结合起来，改变 控制策略去适应对象的复杂性和不确定性， 相对于“ 模型论” 可称智能控制方式 为 “ 控制论” 。可见传统控制和智能控制两种控制方式的基本出发点不同，导致 了不同的控制效果。 翰 郭 挑 鑫万 由 斌 播 糊逻辑有着更加普遍的实际意义， 它摒弃了二值逻辑简单的肯定或否定， 把客观 逻o f ifl: 界看成具有连续灰度等级变化的， 它允许一个命题亦此亦彼， 存在着部分 肯定和部分否定， 只不过隶属程度不同而己， 这就为计算机模仿人的思维万式来 处理普遍存在的语台 信息提供了可能，因而具有划时代的现实意义。 1 9 7 4年，l o t fi .a .z a d e h又进行了模糊逻辑推理的研究，从此，模糊理论成 了个热门的课题。 建立在模糊逻辑基础上的模糊推理是一种近似推理， 可以在 所获得的模糊信息前提下进行有效的判断和决策。 而基于二值逻辑的演绎推理和 归纳排理此时却无能为力， 因为它要求的前提和命题都是精确的， 不能有半点含 糊。 1 9 7 4 年，英国的e .h . m a m d a n i 首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第 一 个试验性的蒸气机控制， 并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果。 它 的成功也标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开始， 从而宣告了模糊控制的 问 世。 1 9 7 5 年， 英国 的k i n g 及m a u l d a n i 利用 模糊控制器控制一个反 应搅拌池的 温度获得成功。1 9 7 6 年， 荷兰学者k i c k e r t 等人通过模糊控制器解决了热交换过 程中的非线性、干扰、非对称增益和时滞等问题，收到了最佳 p i 控制效果。同 年， 英国 学者t o n g 对压力 容 器内 部的 压力和 液面进行了 模糊控 制， 收到了 较好 的 效 果。 1 9 7 7 年 英国p ip p s 等 人 采 用 模 糊 控制， 对 十 字 路口 的 交 通管 理 进行 试 验， 车 辆的 平 均等 待时 间 减少7 % , 1 9 7 9 年 英国 的p r o c y k 和m a m d m i 研究了 种自 组织的模糊控制， 这种控制器在控制过程中能不断的修改和调整控制规则， 使控 制系统的性能不断提高。自 组织模糊控制器的出现， 标志着模糊控制器由低级川 始向高级、 仿人智能阶段发展。 1 9 7 9 年丹麦f . l s m i d t h公司研制的模糊逻辑计 算机协调控制系统投入运行， 1 9 8 2 年又研制成功n o 分析器， 并和上述系统配套 使用， 实现了某些工业生产过程的自 动化， 丹麦的 这一系统己 作为商品投放市场。 1 9 8 3 年，日 本 学者s h u t a m u m k a m i 研制 成 功了 一 种 基 于 语 育 真 值 推 理的 模 糊 逻 辑控制器， 并成功地应用于汽车速度的自动控制.目前， 模糊控制方法的应用场 合日 趋增多， 除了以往的工业过程控制以 外， 各种商业民 用场合也广泛地应用了 模糊控制，比如空调控制系统， 洗衣机的控制， 汽车紧急制动和防撞控制， 地铁 控制， 机器人手 臂 控制等 等。 第一个 有较大 进展的商 业化 模 糊控制器是 在丹麦诞 生的。 事实上， 模糊逻辑应用最有效、 最广泛的领域就是棋糊控制。 模糊控制在 各种领域出人意料的解决了传统控制理论无法解决或难以解决的问题， 模糊理论 的确还有许多不完善之处， 比如模糊规则的获取和确定， 隶属度函数的选择以及 比较敏感的稳定性问题至今仍未得到完善的解决。 尽管如此， 也不应否定模糊理 论 的利学 性和有效性， 它 事实 上己 经 成为智 能 控制的一 个重 要分支。 实践表明，模糊控制具有以下几个特点: 8幽睑口幽 舰z i t 1- 纽 氛 t纽 氛 .纽 氛 刁 i k f., 一 邵 磷 浦 奢 镇 : 祥 、 川 它不需要知道被控对象 ( 或过程) 的数学模型; ( 2 )它易于实现对具有不确定性的对象和具有强非线性的对象进行控制; ( 3 ) 它对被控对象特性参数的变化具有较强的鲁棒性; ( 4 )它对于控制系统的干扰具有较强的抑止能力。 所谓模糊控制， 就是在被控制对象的模糊模型的基础上， 运用模糊控制器近 似推理等手段。 实现系统控制的一种方法。 模糊模型是用模糊语台 和规则描述的 个系统的动态特性及性能指标。它的基本思想是用机器去模拟人对系统的 ，卜 制。 它是受这样事实而启发的， 对于用传统控制理论无法进行分析和控制的复杂 的无法建立数学模型的系统，有经验的操作者或专家却能取得比较好的控制效 果。 这是因为他们凭借的是日积月累的丰富经验。 因此人们希望把这种经验指导 下的行为过程总结成一些规则， 并根据这些规则设计出模糊控制器。 由于人的经 验一般是用自然语言 来描述的， 因此， 基于经验的规则也只能是语言化的、 模糊 的。 然而运用模糊理论， 模糊语言 变量和模糊逻辑推理的知识， 可以把这些模糊 的语言规则上升为数值运算，从而能够利用计算机来完成对这些规则的具体实 现，达到以机器代替人对某些对象进行自 动控制的目的。 二、 模糊控制器的基本结构和组成 参考 输川 模 糊化 模糊推理 1 ! 清晰化 控制对象输出 户 一 模糊控制器的结构图 模糊控制器主要由以下4部分组成 i 、模糊化 这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。 其中输入量包括外界的参 考输入，系统的输出或状态等。模糊化的具体过程如下: 首先对这些输入量进行处理以 变成模糊控制器要求的输入量。由于模糊 控制器的控制规则往往是根据手动控制的大量实践经验总结出来的， 因此模糊控 制器的输入变量自 然也可以有三个: 即误差、 误差的变化和误差变化的速率: 而 输出变量则一般选择为控制量的变化， 即增里。 通常将模糊控制器输入变量的个 数称为模糊控制器的维数。常见的模糊控制器的结构有三种形式，如下图所示。 熬批欲 建 鑫 刃翅 油 幼 、 一 舀扁 e 书 卜 e 一一一月卜 国且补 一维模糊控制器2 j 二维模糊控制器 三维模糊控制器 从理沦上讲， 模糊控制器的维数越高， 控制的效果也越好， 但是维数高的模 糊控制器实现起来相当复杂和困难. 而维数低的模糊控制器， 控制效果又不理想。 因此，目前大都使用二维模糊控制器，其控制精度一般可以满足要求。 常 见 的 情 况 是 计 算e = r 一 y 和e = d e / d t ， 其 中r 表 示 参 考 输 入， y 表 示 系 统 输出, e 表示误差。 有时为了 减小噪声的影响， 常常对d e / d t 进行滤波后再使用。 将上述已经处理过的输入量进行尺度变换， 使其变换到各自 的论域范围。 将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理， 使原先精确的输入量变 成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。 2 .知识库 知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目 标。 它通常由数据库 和模糊控制规则库两部分组成。 数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，尺度变换因子以及模糊空间 的分级数等。 规则库包括了用模糊语言 变量表示的一系列控制规则。它们反映了控制 专家的经验和知识。 3 .模糊推理 模糊推理是模糊控制器的核心， 它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力 该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。 4 .清晰化 清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际用于控制的 清晰量。它包括以下两部分内容: 将模糊的控制量经清晰化变换成表示在论域范围的清晰量。 将表示在论域范围的清晰量变换为实际的控制星。 乳 一 叮 。” 豁 物 幽溯 吻瓣)、爸 黔.1 4 - t ,i r , 一 称 衍 弄 * l月 旧 口 . . . . . 幽 、 r m4 2 6是远端模拟量输出模块，适用于各类工业现场，可输出2 路电压信 写，并通过r s 4 8 5 接口，与上位机进行实时通讯。它采用d a c 0 8 3 2 a / d转换芯 ) 进行8 位数模转换， 可输出0 -5 伏电压信号。 r m 4 2 6 上的8 9 c 2 0 5 1 对d a c 0 8 3 2 进行驱动，并通过 r s 4 8 5与上位机通讯。该模块采用了光电隔离技术，使抗干 扰能力进一步加强。原理图如下 r m4 4 1是 1 2点光电隔离开关量输出模块，输出驱动为2 4 v 1 0 0 m a.可直 接驱动继电器， d c 2 4 v / 1 0 0 m a电源供电， 通r s 4 8 5 接口，与上位机进行实时通 讯。由于采用了光电隔离和达林顿驱动技术，使模块的抗干扰能力进一步加强。 原理图如下 r m4 4 1 工作原理圈 r m4 0 0系列提供丰富的支持软件， 适合各种层次的用户使用。用户可以直 接使用v b自 带通讯控件来完成对模块的操作， 也可以 直接调用模块提供的动态 连接库 ( d l l ) 来完成对模块的操作， 还可以根据模块提供的协议自己来完成对 模块的操作。 :鬓 浦 脚娜幽 + i a i4 k， a l - 从实验过程看， 该系列数据采集卡使用简单方便， 价格也比较低廉， 但由于 采用串口进行通讯，限制了数据采集和处理的速度。 第三节 温度控制模块 温度控制模块的原理如下图所示 经a i d 变换 器至计茸机 可控硅 比 较 放 大! . 卜 制冷 沮度控伟 嗽块 a / d 变换器 至计算机 计算机至 1 1 0 棋块 该温度控制模块可采用人工控制和计算机控制两种工作模式。 当通过选择机 箱面板上的人工控制模式下， 系统按照人为设定的温度进行加热和制冷。 当采用 计算机控制工作模式， 首先将采样信号通过数据采集卡a / d模块采集到计算机， 计算机通过程序判断该加热还是制冷. 加热时， 计算机通过串口向数据采集卡的 d / a模块写数据，来控制可控硅的导通角，从而达到控制加热电压的目的。 制冷模块主要由半导体制冷片、 电 源构成。 半导体制冷片的工作电压为1 4 v , ! 匕 流为 7 a ，由于我们采用了4 组制冷片串连，每组两片，所以需要 1 4 x 4 = 5 6 v 溉 雀 曲.侧 奴 热 (藉 漆 睿毗 电压，7 a的电流。我们采用了4 个a t x电源，但每个a t x电源只能提供 1 2 v 电压，因此需要对原有电源进行改造。通过实验发现，a t x 电源的电压完全是 以十5 v为基准的，可以微调变压器线圈，将十5 v电压提高，从而输出 1 4 v的 电压， 达到为制冷片供电的目的。 该制冷模块采用4 档控制4 个制冷片， 制冷时， 计算机通过程序判断需要开启几路制冷， 然后通过串口向数据采集卡的1 / 0模块 写数据，控制4 路制冷电源的通断。由于半导体制冷片制冷时会产生大量的热， 所以系统必须外接循环泵，用水循环将制冷所产生的热量带走。 ii 幽明幽滋x i 浦 +，3 ia i 第五章 算法设计与实验结果 第一节 模糊控制算法 一算法设计 从前面讨论的几节可以看出， 模糊控制算法主要是通过离线时计算的控制表 对在线参数进行调整，从而达到控制对象的目的。 实验中我们选取输入语言变量为温度偏差e 和偏差变化率e ，选取输出语言 变量为4 ( 输出 控制量的 增量 ) 。 e = y - s v ,y 为 实 际 反 应 物 的 温 度 值，s v为 系 统 设 定 的 温 度 值 e 一 ( e 2 一 e l ) / t ,t 为 采样周期。 即选取实际采样值与预定温度的差值作为温度偏差e ,取相邻两次采样值的 差作为偏差变化率e . 在选取各语言 变最的基本论域时 ， 我们认为论域分级越细 ， 控制精度就越可 以 保证 ; 但同时也使控制规则 变得复杂 ， 制定起来越困难 ， 控制器的运算量会增 加。综合考虑后设其各语言变量的基本论域为 7级。取根据人对事物的