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李定軍

 

關(guān)鍵詞：模糊控制；LabVIEW；NI DAQ設(shè)備

 

　　自動(dòng)控制理論經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，正由經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論向智能控制理論發(fā)展。人工智能包括推理，學(xué)習(xí)和聯(lián)想，是采用非數(shù)學(xué)式的方式，將人的思維模型化，并通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模仿。目前計(jì)算機(jī)已充分體現(xiàn)了人類左腦的邏輯推理功能，正向右腦的模糊處理方向發(fā)展。模糊控制作為近代控制理論中一種基于語(yǔ)言規(guī)則與模糊推理的高級(jí)控制策略和新穎技術(shù)，是智能控制的一個(gè)重要分支，近來(lái)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，效果顯著，引人關(guān)注。

　　在我們?nèi)粘Ｉ�活中，�?jīng)常有一些概念沒(méi)有固定的標(biāo)準(zhǔn)，不能簡(jiǎn)單地用對(duì)或錯(cuò)，真或假來(lái)評(píng)判，而要用到一些不精確的詞句來(lái)描述，比如，年輕、好、漂亮。這些概念會(huì)因?yàn)榕袛鄬?duì)象變化而改變判斷標(biāo)準(zhǔn)，所以是模糊的。在人們的工作經(jīng)驗(yàn)中，往往也存在了許多模糊的東西。例如，煉鋼時(shí)需要的鋼水顏色、沸騰情況等模糊信息。1965年美國(guó)加州大學(xué)L.A.Zadeh教授最早提出了模糊這一概念，并用數(shù)學(xué)方式進(jìn)行分析。

　　通常，對(duì)于一個(gè)論域E中討論的集合A={a,b,c}，對(duì)于論域中的任意元素x，可用特征函數(shù)表示是否屬于A：

           　　　　　　　　　　　　　　　　　（式1）

　　式1用1和0來(lái)表示元素屬于集合的真假，然而若是一個(gè)模糊的集合，比如說(shuō)衣服是否漂亮，里面的元素a,b,c這3件衣服單純用漂不漂亮表示顯然不能更具體表征元素的性質(zhì)。模糊集合把特征函數(shù)的0和1這兩個(gè)值，擴(kuò)展到0到1之間的整個(gè)區(qū)間中，以隸屬度μA（0≤μA≤1）來(lái)表示元素屬于集合A的程度，比如衣服漂亮的程度。這樣，設(shè)三件衣服的漂亮程度分別為0.3，0.8和0.5，該模糊集合A可表示為A：{(a,0.3),(b,0.8),(c,0.5)}。而隸屬度函數(shù)可寫成：

                          　　　　　　　　　　 （式2）

　　可見(jiàn)模糊集合在多數(shù)情況下更能反應(yīng)元素的特性，特征函數(shù)實(shí)際上就是隸屬度函數(shù)的一個(gè)特例。

兩個(gè)元素之間的某種聯(lián)系，可以用關(guān)系R來(lái)表示，通常R用二元邏輯1和0表示元素之間是否存在此關(guān)系。比如，a對(duì)b存在指定關(guān)系R，則稱為aRb，否則為 。關(guān)系有時(shí)也可以模糊表示，當(dāng)元素a對(duì)于b不完全滿足某指定關(guān)系R，卻也沒(méi)有完全不滿足時(shí)，它們之間的關(guān)系可以用0到1區(qū)間的某一值表示，即是一種隸屬度的表示法。對(duì)于論域E中的兩個(gè)集合A={a,b}；B={c,d}，指定一種關(guān)系R，它們所有元素之間的關(guān)系可以用關(guān)系矩陣表示： 。如果集合是模糊集合，關(guān)系更加模糊化，還需考慮元素對(duì)所在集合的隸屬度。集合 A對(duì)應(yīng)到B的關(guān)系表達(dá)式為A○R=B，通過(guò)線性代數(shù)和模糊數(shù)學(xué)理論可以根據(jù)集合A，B求出關(guān)系R。

　　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。

　　通常一個(gè)模糊控制系統(tǒng)主要由被控對(duì)象，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模糊控制器，輸入輸出接口和測(cè)量裝置組成（圖1）。

                          　　　　　　  圖1 模糊控制系統(tǒng)

其中的核心部分模糊控制器由輸入模糊化接口，數(shù)據(jù)庫(kù)，規(guī)則庫(kù)，推理機(jī)和輸出接模糊接口五部分組成（圖2）。

                                   　　圖2 模糊控制器

　　根據(jù)實(shí)際需要，模糊控制器可以有幾個(gè)輸入和輸出。首先是模糊化，輸入的信號(hào)和需要輸出的信號(hào)根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)劃分為語(yǔ)言描述的模糊子集，并將其論域分級(jí)離散化，最后把模糊子集中的元素對(duì)應(yīng)到量化等級(jí)上，可畫出隸屬度函數(shù)。這些輸入輸出信號(hào)的隸屬度函數(shù)存入推理機(jī)中的數(shù)據(jù)庫(kù)，而規(guī)則庫(kù)里存放的是基于專家知識(shí)或熟練人員長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)形成的直覺(jué)推理的語(yǔ)言規(guī)則表達(dá)式。這些模糊規(guī)則由一系列關(guān)聯(lián)詞連接而成，如if—then；or等，這些規(guī)則實(shí)際說(shuō)明了數(shù)據(jù)庫(kù)中輸入和輸出這兩組模糊子集的關(guān)系R。推理機(jī)通過(guò)模糊數(shù)學(xué)的算法解模糊方程，可以算出各種輸入狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的輸出響應(yīng)值。這樣解模糊并輸出實(shí)際控制信號(hào)或控制等級(jí)，用以作用于被控對(duì)象。

　　美國(guó)國(guó)家儀器公司（簡(jiǎn)稱NI）提供了在LabVIEW中使用的模糊控制工具包Fuzzy Logic，可幫助工程師結(jié)合NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備快速有效地搭建一個(gè)模糊控制器，并省去很多硬件邏輯電路。

安裝NI光盤Tookit Software中的LabVIEW PID Control Tookit，即可在LabVIEW中生成該工具包。安裝完成后打開(kāi)一個(gè)新的VI，右擊程序框圖，在Functions Palette上選擇Control Design&Simulation，即可看到Fuzzy Logic工具包，該工具包由3個(gè)VI組成（圖3）。安裝工具包后，可以使用LabVIEW創(chuàng)建.fc格式的文件。.fc文件是NI自定義的一種文件格式，用于仿真模糊控制器推理機(jī)中的知識(shí)庫(kù)。

          　　　　　　　　　　圖3 Fuzzy Logic工具包

　　創(chuàng)建一個(gè).fc文件步驟如下：打開(kāi)一個(gè)新的VI，在任務(wù)欄依次點(diǎn)擊Tools——Control Design and Simulation——Fuzzy Logic Controller Design…，接著在彈出的 Fuzzy Logic Controller Design對(duì)話框的狀態(tài)欄上點(diǎn)擊File——New，即打開(kāi)了一個(gè)新的.fc文件（圖4）。

                     　　　  圖4 Fuzzy Logic Controller Design

　　接著彈出一個(gè)Fuzzy Set Editor對(duì)話框（圖5），這是仿真模糊推理器中的數(shù)據(jù)庫(kù)。工程師可根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)繪制出輸入和輸出量的隸屬函數(shù)圖，繪制完成后點(diǎn)擊Quit；接著彈出Rulebase Editor對(duì)話框（圖6），這是仿真模糊推理器的規(guī)則庫(kù)。工程師根據(jù)實(shí)際情況將制定好的規(guī)則寫入，完成后點(diǎn)擊Quit；最后點(diǎn)擊File——Save，給出保存位置和文件名，一個(gè).fc文件就創(chuàng)建完成了。

                        　　　　　　 圖5 Fuzzy Set Editor

                           　　　　　圖6 Rulebase Editor

　　.fc文件使用工具包Fuzzy Logic中的Load Fuzzy Controller.vi加載，該VI加載后將數(shù)據(jù)傳送到Fuzzy Controller.vi中。Fuzzy Controller.vi接收輸入信號(hào)（最多可接受4維輸入），根據(jù).fc文件進(jìn)行模糊推理，并計(jì)算出合適的輸出信號(hào)值（圖7）。工具包中的另一個(gè)VI是Test Fuzzy Controller.vi，它可以通過(guò)手動(dòng)輸入算出輸出響應(yīng)值，已到達(dá)調(diào)試.fc文件中規(guī)則和隸屬度函數(shù)的目的。

　　構(gòu)建完知識(shí)庫(kù)后，LabVIEW會(huì)結(jié)合計(jì)算機(jī)代替硬件電路進(jìn)行模糊推理計(jì)算，節(jié)約了成本。模糊控制的精度和輸入輸出的信號(hào)是否精確也密切相關(guān)。硬件方面，NI的數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡不但和LabVIEW兼容性好，性能穩(wěn)定，而且選擇范圍很廣，工程師總是可以根據(jù)自己的精度等需求選擇到合適的采集卡。

                                 　　圖7 模糊控制器軟件部分

　　卓越的性能，精確的采集，如果需要還可以進(jìn)行軟硬件的信號(hào)調(diào)理。準(zhǔn)確的信號(hào)送到軟件搭建的模糊控制器系統(tǒng)，算出輸出響應(yīng)值，再由NI DAQ設(shè)備準(zhǔn)確地輸出信號(hào)，一個(gè)強(qiáng)大的模糊控制器就這樣完成了。