摘要：利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。用LabVIEW的模糊控制器設(shè)計(jì)工具進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)，通過(guò)NI-PCI6251完成實(shí)時(shí)速度采集以及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)具有超調(diào)小，調(diào)節(jié)時(shí)間短以及振蕩小的優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵字：LabVIEW; 模糊控制; 轉(zhuǎn)速控制; 數(shù)據(jù)采集卡 Abstract: A control system of rotating speed of a small DC motor is implemented by using fuzzy control algorithm. The fuzzy controller is designed by the fuzzy controller design tool of LabVIEW. The control of rotate speed and real-time speed acquisition are accomplished by data acquisition card NI-PCI6251.The result demonstrates that the system has advantageous of small overshoot, setting time and oscillation. Keywords: LabVIEW; fuzzy control; rotating speed control; data acquisition card 　　模糊控制技術(shù)是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，最早出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)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(cè)量控制的圖形化的編程語(yǔ)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(jì)算機(jī)為核心的測(cè)量控制系統(tǒng)。 　　直流電機(jī)的傳統(tǒng)PID控制方法雖然可以很好的完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效控制，但存在動(dòng)態(tài)性能相對(duì)差，恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量大以及參數(shù)整定困難等缺點(diǎn)。而于上個(gè)世紀(jì)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(diǎn)。本設(shè)計(jì)利LabVIEW軟件結(jié)合模糊控制算法，在NI公司的ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)際測(cè)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(jī)的供電以及轉(zhuǎn)速測(cè)量需要相應(yīng)的 [align=center] 圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　外圍硬件電路，其他部分通過(guò)軟件編程由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 　　系統(tǒng)硬件線路圖如圖2所示。使用光電隔離器來(lái)獲取轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡使用NI-PCI6251 。PCI6251具有兩路模擬輸出口，2個(gè)計(jì)數(shù)器，16路模擬輸入口。設(shè)計(jì)中使用其模擬輸出口ao輸出產(chǎn)生電機(jī)控制電壓，由于6251的模擬輸出口的輸出電流不足以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，所以需要在ao口加一個(gè)電流放大電路;用計(jì)數(shù)器ctr0口來(lái)對(duì)光電傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行測(cè)周，獲得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)硬件接線圖[/align] [align=center] 圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)[/align] 2 模糊控制器設(shè)計(jì) 　　模糊控制器由模糊化、規(guī)則庫(kù)、模糊推理和去模糊化4個(gè)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(kù)是一些根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或者其他方式獲得的控制規(guī)則集;推理機(jī)制是解釋和應(yīng)用規(guī)則庫(kù)中的專家經(jīng)驗(yàn)實(shí)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(jì)工具，其使用非常方便。該設(shè)計(jì)工具目前只支持四個(gè)語(yǔ)言變量輸入以及一個(gè)語(yǔ)言變量輸出，每個(gè)語(yǔ)言變量下面最多可以有9個(gè)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(duì)一般的模糊控制器設(shè)計(jì)可以很好的滿足要求。 　　設(shè)計(jì)中選擇常用的2維模糊控制器，兩個(gè)輸入變量為速度誤差e和速度誤差變化率 ，一個(gè)輸出變量為電壓增量 。實(shí)際設(shè)計(jì)中由于速度誤差的變化率在給定速度突變時(shí)趨于無(wú)窮，所以取電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化率來(lái)代替 。此外為輸入量模糊化的方便，分別給兩個(gè)輸入變量乘上合適的系數(shù)K1和K2。 　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，若控制電機(jī)轉(zhuǎn)速在0-4000r/min的范圍內(nèi)根據(jù)對(duì)于速度誤差 及輸出電壓增量 分別在其論域上定義9個(gè)模糊集：｛NL（負(fù)極大），NB（負(fù)大）， NM（負(fù)中），MS（負(fù)小），ZO（零），PS（正小）， PM（正中）， PB（正大）， PL（正極大）｝，論域?yàn)椋?4，–3 ，–2，–1，0，1，2，3，4｝。速度變化率 ，在其論域上定義5個(gè)模糊集：｛NM（負(fù)大）， MS（負(fù)小），ZO（零），PS（正小），PM（正大）｝。論域?yàn)椋?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（Center of Maximum）方法。模糊控制器設(shè)計(jì)完成后以.fc格式存儲(chǔ)起來(lái)，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(shí)際運(yùn)行模糊控制器之前需要研究控制器輸入輸出特性，對(duì)控制器進(jìn)行優(yōu)化。LabVIEW的模糊控制器設(shè)計(jì)工具包提供了這種功能。在I/O Characteristic 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(yàn)判斷該結(jié)果是否滿足控制要求，如果不能，則對(duì)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。 [align=center] 圖4 程序框圖[/align] 4.軟件設(shè)計(jì) 　　LabVIEW是一種圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，使得程序開(kāi)發(fā)過(guò)程相對(duì)容易。程序框圖部分如圖7所示：需要說(shuō)明的是： 　　1） 程序中使用了快速開(kāi)發(fā)控件（Express Control）來(lái)完成周期測(cè)量以及直流電壓輸出。該控件是從LabVIEW7.0以后版本提供對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的快速操作控件，使得程序開(kāi)發(fā)變的更加容易。 　　2） 由于轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)是由電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝的一個(gè)突出葉片阻隔光電隔離傳感器產(chǎn)生，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周信號(hào)變化一個(gè)周期，所以轉(zhuǎn)速n（r/min）=60/T。 　　3） Fuzzy controller（模糊控制）節(jié)點(diǎn)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;Load Fuzzy Controller 節(jié)點(diǎn)載入前面的.fc文件，可以在Load Fuzzy Controller 節(jié)點(diǎn)的輸入控制中指出文件路徑，也可以在程序運(yùn)行時(shí)指定。 　　4） 程序中速度變化率用相鄰兩次實(shí)際速度采樣值之差來(lái)替代，比例系數(shù)K2取1/500，由于采樣時(shí)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(gè)累加來(lái)確定最終的電機(jī)控制電壓。程序中通過(guò)while循環(huán)的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓增量的累加。 　　6） 電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和給定速度在同一個(gè)實(shí)時(shí)記錄圖中顯示。 [align=center] 圖5 系統(tǒng)運(yùn)行前面板[/align] 5 系統(tǒng)運(yùn)行及結(jié)果分析 　　系統(tǒng)運(yùn)行及前面板顯示如圖8所示。在實(shí)時(shí)記錄圖中觀察系統(tǒng)運(yùn)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(shí)的超調(diào)量小于10%，調(diào)節(jié)時(shí)間小于1s，穩(wěn)態(tài)誤差也比較理想，并在輸入擾動(dòng)時(shí)能很快恢復(fù)，對(duì)擾動(dòng)有很強(qiáng)的抑制能力，具有較好的適應(yīng)性。同時(shí)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(yùn)行都需要一定的時(shí)間，造成控制的實(shí)時(shí)性比較差。改善的方式是使用現(xiàn)場(chǎng)專用控制器，在LabVIEW8中提供的項(xiàng)目管理功能可以非常方便的把在上位機(jī)上設(shè)計(jì)好的程序下載到現(xiàn)場(chǎng)控制儀器中，以提高控制的實(shí)時(shí)性能。 6 結(jié)論 　　通過(guò)利用虛擬儀器軟件結(jié)合控制工具包能夠非常迅速的實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的模糊控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)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(shì)，如設(shè)計(jì)過(guò)程不必對(duì)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(shí)際控制性能比較好。 本文創(chuàng)新點(diǎn)： 　　1 將模糊控制算法應(yīng)用到直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，并利用虛擬儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)，使控制器設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)化，易于實(shí)現(xiàn)，且方便移植。 　　2 利用LabVIEW8及Control Tookit設(shè)計(jì)的可視化圖形界面和控制程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)供電電壓的動(dòng)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(shí)間短以及振蕩小的優(yōu)點(diǎn)。 　　基金資助：湖北省教育廳教學(xué)研究項(xiàng)目20050354。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] Kevin M. 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