基于LabVIEW的直流電機模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

　　模糊控制技術(shù)是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制，最早出現(xiàn)于上個世紀60年代，在其后的幾十年中迅速發(fā)展。目前模糊控制技術(shù)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。LabVIEW則是一種面向儀器測量控制的圖形化的編程語言，配合數(shù)據(jù)采集卡或其他外部設(shè)備可以非常方便的構(gòu)成以計算機為核心的測量控制系統(tǒng)。

　　直流電機的傳統(tǒng)PID控制方法雖然可以很好的完成對電機轉(zhuǎn)速的有效控制，但存在動態(tài)性能相對差，恢復(fù)時間長，超調(diào)量大以及參數(shù)整定困難等缺點。而于上個世紀60年代出現(xiàn)的模糊控制技術(shù)在某種程度上可以克服上述缺點。本設(shè)計利LabVIEW軟件結(jié)合模糊控制算法，在NI公司的ELVIS實驗平臺上實現(xiàn)有刷直流電機轉(zhuǎn)速的模糊控制系統(tǒng)。通過實際測試，模糊控制性能比較理想。

1系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。圖1中：SP為速度給定值;PV為速度反饋值;e為速度偏差，為速度偏差變化率;K1、K2為比例因子。系統(tǒng)中直流電機的供電以及轉(zhuǎn)速測量需要相應(yīng)的

圖1電機轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　外圍硬件電路，其他部分通過軟件編程由計算機來實現(xiàn)。

　　系統(tǒng)硬件線路圖如圖2所示。使用光電隔離器來獲取轉(zhuǎn)速脈沖信號，通過數(shù)據(jù)采集卡送入計機。數(shù)據(jù)采集卡使用NI-PCI6251。PCI6251具有兩路模擬輸出口，2個計數(shù)器，16路模擬輸入口。設(shè)計中使用其模擬輸出口ao輸出產(chǎn)生電機控制電壓，由于6251的模擬輸出口的輸出電流不足以驅(qū)動直流電機，所以需要在ao口加一個電流放大電路;用計數(shù)器ctr0口來對光電傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號進行測周，獲得電機的實際轉(zhuǎn)速。

圖2系統(tǒng)硬件接線圖
圖3模糊控制器結(jié)構(gòu)

2模糊控制器設(shè)計

　　模糊控制器由模糊化、規(guī)則庫、模糊推理和去模糊化4個部分組成，如圖3，各部分功能分別是：模糊化是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換為模糊量;規(guī)則庫是一些根據(jù)專家經(jīng)驗或者其他方式獲得的控制規(guī)則集;推理機制是解釋和應(yīng)用規(guī)則庫中的專家經(jīng)驗實現(xiàn)最優(yōu)控制;去模糊化是把模糊推理結(jié)論轉(zhuǎn)換為精確量的輸出。

　　LabVIEW的控制工具包提供了模糊控制器圖形化設(shè)計工具，其使用非常方便。該設(shè)計工具目前只支持四個語言變量輸入以及一個語言變量輸出，每個語言變量下面最多可以有9個子模糊集，而且只支持四種隸屬度函數(shù)：三角型，梯型，S型和Z型，比Matlab控制工具箱提供的要少許多，但對一般的模糊控制器設(shè)計可以很好的滿足要求。

　　設(shè)計中選擇常用的2維模糊控制器，兩個輸入變量為速度誤差e和速度誤差變化率，一個輸出變量為電壓增量。實際設(shè)計中由于速度誤差的變化率在給定速度突變時趨于無窮，所以取電機實際轉(zhuǎn)速的變化率來代替。此外為輸入量模糊化的方便，分別給兩個輸入變量乘上合適的系數(shù)K1和K2。

　　根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，若控制電機轉(zhuǎn)速在0-4000r/min的范圍內(nèi)根據(jù)對于速度誤差及輸出電壓增量分別在其論域上定義9個模糊集：｛NL（負極大），NB（負大），NM（負中），MS（負小），ZO（零），PS（正?。琍M（正中），PB（正大），PL（正極大）｝，論域為｛-4，–3，–2，–1，0，1，2，3，4｝。速度變化率，在其論域上定義5個模糊集：｛NM（負大），MS（負?。?，ZO（零），PS（正?。琍M（正大）｝。論域為｛-2，-1，0，1，2｝。

　　建立控制規(guī)則如表1。

　　模糊推理方法選擇典型的Mamdani（Max-Min）推理方法，去模糊化方法選擇CoM（CenterofMaximum）方法。模糊控制器設(shè)計完成后以.fc格式存儲起來，以方便主程序調(diào)用。

　　表1輸入輸出控制規(guī)則表

3參數(shù)優(yōu)化和規(guī)則調(diào)整

　　在實際運行模糊控制器之前需要研究控制器輸入輸出特性，對控制器進行優(yōu)化。LabVIEW的模糊控制器設(shè)計工具包提供了這種功能。在I/OCharacteristic中可以觀察給定輸入情況下控制器應(yīng)用的控制規(guī)則以及推理結(jié)果，根據(jù)經(jīng)驗判斷該結(jié)果是否滿足控制要求，如果不能，則對相應(yīng)的隸屬度函數(shù)的參數(shù)或控制規(guī)則做相應(yīng)的修改，直至輸出能滿足期望要求。

圖4程序框圖

4.軟件設(shè)計

　　LabVIEW是一種圖形化程序設(shè)計語言，使得程序開發(fā)過程相對容易。程序框圖部分如圖7所示：需要說明的是：

　　1）程序中使用了快速開發(fā)控件（ExpressControl）來完成周期測量以及直流電壓輸出。該控件是從LabVIEW7.0以后版本提供對數(shù)據(jù)采集卡的快速操作控件，使得程序開發(fā)變的更加容易。

　　2）由于轉(zhuǎn)速測量信號是由電機轉(zhuǎn)軸上安裝的一個突出葉片阻隔光電隔離傳感器產(chǎn)生，電機每轉(zhuǎn)一周信號變化一個周期，所以轉(zhuǎn)速n（r/min）=60/T。

　　3）Fuzzycontroller（模糊控制）節(jié)點的輸入變量和相應(yīng)輸入變量名在程序中必須有相同的名稱;LoadFuzzyController節(jié)點載入前面的.fc文件，可以在LoadFuzzyController節(jié)點的輸入控制中指出文件路徑，也可以在程序運行時指定。

　　4）程序中速度變化率用相鄰兩次實際速度采樣值之差來替代，比例系數(shù)K2取1/500，由于采樣時間相等，所以這種替代是可行的。

　　5）由于控制器輸出為電壓增量輸出，所以需要一個累加來確定最終的電機控制電壓。程序中通過while循環(huán)的寄存器來實現(xiàn)電壓增量的累加。

　　6）電機實時轉(zhuǎn)速和給定速度在同一個實時記錄圖中顯示。

圖5系統(tǒng)運行前面板

5系統(tǒng)運行及結(jié)果分析

　　系統(tǒng)運行及前面板顯示如圖8所示。在實時記錄圖中觀察系統(tǒng)運行結(jié)果，可知該控制系統(tǒng)在給定速度突然增加或減小時的超調(diào)量小于10%，調(diào)節(jié)時間小于1s，穩(wěn)態(tài)誤差也比較理想，并在輸入擾動時能很快恢復(fù)，對擾動有很強的抑制能力，具有較好的適應(yīng)性。同時也可以清楚的觀察到系統(tǒng)具有一定的延遲，這是由于數(shù)據(jù)采集，程序運行都需要一定的時間，造成控制的實時性比較差。改善的方式是使用現(xiàn)場專用控制器，在LabVIEW8中提供的項目管理功能可以非常方便的把在上位機上設(shè)計好的程序下載到現(xiàn)場控制儀器中，以提高控制的實時性能。

6結(jié)論

　　通過利用虛擬儀器軟件結(jié)合控制工具包能夠非常迅速的實現(xiàn)直流電機的模糊控制系統(tǒng)。設(shè)計中體現(xiàn)出模糊控制技術(shù)在控制領(lǐng)域應(yīng)用中的一些優(yōu)勢，如設(shè)計過程不必對系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型，控制參數(shù)選取比較容易，從結(jié)果中看實際控制性能比較好。

本文創(chuàng)新點：

　　1將模糊控制算法應(yīng)用到直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，并利用虛擬儀器來實現(xiàn)，使控制器設(shè)計過程簡化，易于實現(xiàn)，且方便移植。

　　2利用LabVIEW8及ControlTookit設(shè)計的可視化圖形界面和控制程序?qū)崿F(xiàn)了對直流電機供電電壓的動態(tài)調(diào)整，使轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)具有超調(diào)小，調(diào)節(jié)時間短以及振蕩小的優(yōu)點。