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LabVIEW的模糊控制系统设计

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2020年5月29日
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基于LabVIEW的模糊控制系统设计
摘要
本文以LabVIEW为开发环境进行设计模糊控制器,将设计出的模糊控制器应用到温度控制系统中,实现了在有干扰作用的情况下对烤箱温度的控制,取得较好的控制效果。
关键词:虚拟仪器 模糊控制 热电偶
Abstract
This paper is design issue is the use of LabVIEW fuzzy control, through the design of fuzzy control procedures to control the plant (oven) temperature. Finally, it comes ture control the temperature of oven even if there has disturb.

Keywords:
1引言
虚拟仪器(LabVIEW),就是在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定义虚拟面板,测控功能由软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统的控制面板,以多种形式表示输出结果,利用计算机强大的软件功能实现数据的运算、分析、处理和保存,利用I／O接口设备完成信号采集、测量与控制。
模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验,而这些经验多是用语言表示的具有相当模糊性的控制规则。因为引入了人类的逻辑思维方式,使得模糊控制器具有一定的自适应控制能力,有很强的鲁棒性和稳定性,因而特别适用于没有精确数学模型的实际系统。
本文将模糊控制的基本思想应用到基于虚拟仪器的温度控制系统中。经过热电偶测量烤箱实际温度,与给定值比较。当测量温度与设定温度之间存在较大的偏差(e≥6℃)时,定时器产生占空比较大的脉冲序列,全力加热。当系统温度与设定温度之间偏差小于6摄氏度,采用模糊控制算法。模糊控制器根据误差和误差变化率,经过模糊推理输出脉冲序列的占空比的大小,经过固态继电器控制烤箱电源得通断, 从而实现对烤箱温度的控制。

2系统组成

模糊控制器
执行器AAAAAAAA
电烤箱向
热电偶

—
给定值
输出量

图1 温度控制系统框图
2.1 硬件组成
传感器:热电偶;
信号调理电路: SC-2345信号调理箱,SCC-TC02热电偶调理模块;
温度信号采集:DAQ多功能数据采集卡PCI6014;
执行器:DAQ多功能数据采集卡上的定时/计数器,固态继电器;
对象:电烤箱。

2.2温度测量
1数据采集
热电偶有三个较为突出的优点:其一,测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响;其二,测量范围广。常见的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼);其三, 构造简单,使用方便。热电偶一般是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。
根据正、负极用材料的不同,热电偶分为B、E、J、K、R、S、T、Y型。采用的是K型热电偶,其正极为镍铬合金,负极为镍硅合金。与其它类型的热电偶相比,K型热电偶的线性较好,使用方便,因而在工业测量中被广泛使用。
而实际工作中,热电偶的自由端(冷端)是在室温下,为了得到正确烤箱温度,在查分度表时,要将室温对应的热电偶的热电势考虑进去,这就是冷端补偿。
2信号调理
测温元件热电偶产生的是低电压信号,它需要进一步的放大、过滤以及线性化等处理． 本文采用SCC-TC02热电偶调理模块,经过SC-2345屏蔽盒与数据采集卡相连。SCC-TC02热电偶调理模块工作原理图如图2所示。

图2　SCC-TC02热电偶调理模块工作原理图
SCC-TC02接受三个信号:TC+ ,TC- ,和GND 。TC+是热电偶的正极和TC-是热电偶负极 。接地端子连接到AIGND的E系列DAQ装置。热电偶冷端信号和传感器信号测量的分别由E系列数据采集设备从X和X+8通道获得,其中X为0到7取决于操作者插TC02在SCC-2345的哪个插槽。
SCC-TC02热电偶调理模块的工作电路由两部分组成,一部分与热电偶连接,内部具有100倍的放大器和滤波器,将热电势放大,滤波;另一部分是用热敏电组测量室温的电路,用公式算出室温,对热电偶冷端补偿。

3数据处理
利用Labview程序中多通道数据采集子VI将检测端数据和冷端数据两个通道的数据(第X通道和X+8通道)采集到数组中,再经过Index Array把数组分离开,然后分别处理。
3.1 热电偶检测到的数据处理
第X通道采集上来的数据从数组输出而且取平均值(取平均值是为了消除随机误差),这个数值就是热电偶此时的电压值,把这个数乘1000(因为采集上来的电压信号的单位是伏特,而K型热电偶的分度表中的电压是毫伏),然后再除100,(因为热电偶调理模块里有一个100倍的放大电路)把结果输入到分段子程序中,进行分段子程序处理。
由于热电偶的温度与电压的关系是非线性的,为了把它分段线性化,因此就把温度分成若干段,认为在每段里,温度和电压的关系是线性的,能够用公式算出当时电压所对应的温度值。分段的依据就是K型热电偶的分度表,见表2.1
表1:K型热电偶分度表
T(℃)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
E(mV)
0.000
0.397
0.798
1.203
1.612
2.023
2.437
2.852
3.267
3.682

T(℃)
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
E(mV)
4.097
4.509
4.920
5.328
5.735
6.139
6.540
6.941
7.340
7.739

T(℃)
200
210
220
230
240
250

E(mV)
8.138
8.539
8.940
9.343
9.747
10.153

热电偶测温的部分,将检测到的温度以电压值的方式传到计算机,这就需要把电压值转换成温度,转换成温度才便于观测和显示。以10℃为单位,根据分度表(参见下表1),分出12个等分的温度段,然后进行分段线性化,把采集到的电压分段,在每一段内,采用线性插值的方法计算,利用以下公式:

经过分段子程序进行处理后,输出的数值是烤箱温度相对室温的差值。热电偶信号处理子程序使用了一个case结构,见图3:

图3 热电偶信号处理子程序
3.2 利用热敏电阻测量室温进行冷端补偿
第X+8通道采集上来的数据从数组输出而且取平均值,把这个数值输入到公式子程序中,经过公式子程序进行处理后,输出的数值就是室温。
热敏电阻的部分,利用冷端转换模块是根据SCC-TC02说明中所给出的公式:
T(℃)=TK-273.15

RT是热敏电阻的欧姆值

经过公式编辑器,直接输入公式转换得出温度值。
由于采用的K型热电偶的线性度较好,为了程序的简化,把热电偶的温度和室温的差值和室温直接相加,结果就是烤箱的温度。

4 模糊控制器设计
模糊控制的实现要经过5个步骤:
4.1确定模糊控制器的输入、输出语言变量
系统误差及其变化率作为模糊控制器的输入变量,以u作为输出变量作为模糊控制器输出,模糊控制器是双输入单输出型。
4.2模糊化。
用模糊语言变量E、EC、U来描述偏差、偏差变化率及输出。因为烤箱不能进行降温的操作,烤箱温度如果大于给定值,只能不加热自然降温,因此只考虑误差为正情况。把6摄氏度分为7个档,即:{正很小,正小,正中小,正中,正中大,正大,正很大},记为E={PVS,PS,PMS, PM,PMB,PB,PVB}7档,E的论域为{0, +1, +2, +3,+4,+5,+6}。同理:
误差变化率分成7档,即:{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}的模糊子集为:
EC={NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB},
量化EC的论域为{-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3},
输出变量U也分为7个档,即:{正很小,正小,正中小,正中,正中大,正大,正很大},记为U={PVS,PS,PMS, PM,PMB,PB,PVB}7档,U的论域为{0, +1, +2, +3,+4,+5,+6}。量化因子分别为,则Ke=1,Kec=1,Ku =0.1。误差隶属度、误差的变化率隶属度和控制量隶属度分别如表2、表3和表4所示
表2 误差隶属度
E

变量
0
1
2
3
4
5
6
PVB

0.4
0.7
1
PB

0.4
0.7
1
0.7
PMB

0.4
0.7
1
0.7

PM

0.4
0.7
1
0.7

PMS
0.4
0.7
1
0.7

PS
0.7
1
0.7

PVS
1
0.7

表3 误差的变化率隶属度
∆E

变量

-3

-2

-1

0

1

2

3
PB

0.1
0.4
0.8
1.0
PM

0.2
0.7
1.0
0.2
PS

0.5
1.0
0.5

ZR

0.5
1.0
0.5

NS
0.7
0.8
1.0
0.5

NM
0.8
1.0
0.7
0.5

NB
1.0
0.8
0.4
0.1

表4 控制变量隶属度
U

变量
0
1
2
3
4
5
6
PVB

0.4
0.7
1
PB

0.4
0.7
1
0.7
PMB

0.4
0.7
1
0.7

PM

0.4
0.7
1
0.7

PMS
0.4
0.7
1
0.7

PS
0.7
1
0.7

PVS
1
0.7

4.3 形成模糊规则表
系统的温度达到稳定,要经过振荡,超调,回调,重复调试,才能做到。温度达到稳定的过度过程,能够分为四个阶段,如图4:

图4 系统温度响应曲线
0- 阶段:>0 <0 表示的物理意义是:系统温度未达到给定温度,系统正在升温,相差大时,占空比应较大,相差小时,占空比减小甚至为0,考虑系统的滞后,应提前停止加热。
-阶段: <0 <0 表示的物理意义是:系统温度超过到给定温度,系统正在升温,超调,停止加热,占空比为0。
-阶段: <0 >0 表示的物理意义是:系统温度超过到给定温度,系统正在降温,超调,停止加热。
-阶段: >0 >0 表示的物理意义是:系统温度未达到给定温度,系统正在降温,应该加热,相差大时占空比大。
根据模糊变量的赋值表、模糊变量的赋值表、输出变量u的赋值表和对系统物理意义的分析,为负值的时候,表示的物理意义是正处于升温的过程中;为正值的时候,表示的物理意义是正处于降温的过程中;为零的时候,表示的物理意义是的温度没有变化。这样能够根据系统当时的温度与给定温度的差值()和系统正处于升、降温状态()来确定此时此刻输出多大的占空比。控制决策表的规律不难得出.如表5所示
表5 模糊控制规则表
E
∆E
PVS
PS
PMS
PM
PMB
PB
PVB
PB
PVS
PVS
PVS
PS
PMS
PM
PMB
PM
PVS
PVS
PS
PMS
PM
PMB
PB
PS
PVS
PS
PMS
PM
PMB
PB
PVB
ZR
PVS
PS
PMS
PM
PMB
PB
PVB
NS
PVS
PMS
PM
PM
PMB
PB
PVB
NM
PVS
PM
PM
PMB
PB
PVB
PVB
NB
PVS
PMB
PB
PB
PVB
PVB
PVB

4.4 确定模糊决策表
模糊控制器采用Mamdani 推理算法, 最大隶属度法为解模糊策略得模糊控制量查询表,如表6所示。

表6 模糊控制量查询表
E
∆U
∆E

0

1

2

3

4

5

6
-3
0
1
2
2
3
4
4
-2
0
1
2
2
3
4
4
-1
0
2
3
4
4
5
5
0
0
2
3
4
5
5
6
1
0
3
4
5
5
5
6
2
0
4
5
5
5
6
6
3
0
4
5
5
6
6
6

5 温度控制
经过模糊控制输出占空比,控制定时器产生占空比可调脉冲序列,经过固态继电器控制烤箱电源得通断,从而实现对烤箱温度的控制。温度控制响应曲线如图5。

6结论
本文将模糊控制的基本思想应用到基于虚拟仪器的温度控制系统中。经过热电偶测量烤箱实际温度,与给定值比较。当测量温度与设定温度之间存在较大的偏差(e≥6℃)时,定时器产生占空比较大的脉冲序列,全力加热。当系统温度与设定温度之间偏差小于6摄氏度,采用模糊控制算法。模糊控制器根据误差和误差变化率,经过模糊推理输出脉冲序列的占空比的大小,经过固态继电器控制烤箱电源得通断, 从而实现对烤箱温度的控制。