基于LabVIEW的PID参数自适应模糊控制器设计
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& 来稿日期： @AA@ ( E@ ( AX
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N88HO’9 两个工具箱，实现了简单快速的开发包括实际参数采集、 控制量输出、 显示在内的实时 FG4 参数自适应模糊控制算法。
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双曲线及抛物线规的设计
贺四清 李 峰 . 空军工程大学工程学院， 西安 >?@@AB C !" #$ % &$’() *+ ,-’( . "’($’--/$’( 0122-(-) 34- 5$/ ,1/6- "’($’--/$’( 7’$8-/9$3:) ;$ < =’ >?@@AB，04$’= C 999999999999: 999999999999999999999999999999999999999999999: 【摘要】 介绍了一种双曲线及抛物线的绘制工具， 它的工作原理是模拟圆锥面与平面相交所产生的截 999999999999: 交线的形成过程， 从而实现了双曲线及抛物线的绘制； 并就实现双曲线及抛物线轨迹建立了数学模型。 关键词： 圆锥； 截交线； 双曲线； 抛物线 【 !.$2-042】 ,- .""./.01’ $2’#3-2$ 04 $/.5 67"2/849. .-$ "./.849. #’ #-0/4$1:2$ #- 06#’ "."2/; 87 ’#<1= 9.0#-3 062 #-02/’2:0#-3 "/4:2’’ >4/<#-3 .- #-02/’2:0#-3 9#-2 87 . :4#- .-$ . "9.-2? @2-:2; #0 A ’ "4’’#892 04 $/.5 67"2/849. .-$ "./.849.; .-$ 062 <.062<.0#:.9 <4$29’ 04 >4/< 062 67"2/849. .-$ 062 "./.849. 94:1’ ./2 2’= 0.89#’62$? B2.-56#92; #0 .9’4 2C"9.#-’ 645 04 1’2 062 $/.5#-3 .""./.01’? 5#+ 1(-"$6 7(%’8 9’2#-$#42%’& /%’#8 :+,#-.(/08 ;0-0.(/0 文献标识码： 5
E 引言
FG4 控制算法是一种在工业控制中广泛运用的控制策略，它 的优点是原理简单， 易于实现， 稳态性能好。 但传统的 FG4 控制主 要是控制具有确切模型的线性过程，而实际上，大多数的工业过 程都不同程度的存在着非线性、参数时变性和模糊不确定性；而 常规 FG4 控制器不具有在线整定参数的能力， 其控制效果就不十 分理想。模糊控制不需要被控对象的精确数学模型，依据人工控 制规则组织控制决策表，并由该表决定控制量的大小，其优点是 动态性能好， 但受制于控制规则和变量量化级别， 稳态性能差。如 果采用模糊推理的方法实现 FG4 参数 !"、 !#、 !$ 的在线自适应， 不仅保持了常规 FG4 鲁棒性强的特点，而且具有更大的灵活性、 适应性和精确性等优点， 是目前一种较为先进的控制算法。 美国 #*9’8+*H G+=9<I2;+9= 公司的 3*JKGL0 是目前国际上唯 一具有编译能力的基于数据流的图形化编程语言 6 $ 语言 D ，它强 大而易于实现的数据采集功能、 丰富的数值分析和信号处理功能、 设备驱动能力以及程序调试功能，加上框图式的程序编写过程与 “工程师和科学家的语言” 人的思维过程非常接近， 所以被誉为 。 这里以 3*JKGL0M’ 软件为开发平台，运用 3*JKGL0 强大的 数据采集功能模块加上 FG4 C8+9<8H N88HO’9 和 PIQQ> 38)’R S8< $
《机械设计与制造 》 1I)T @AAB 文章编号： EAAE ( BVVW 6 @AAB D AX ( AAEE ( A@
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基于 3*JKGL0 的 FG4 参数自适应模糊控制器设计
宋智罡 郁其祥 王益明 陆殿健 6 上海交通大学， 上海 @AAABA D !"#"$%&’"() %* *+,,- .%()/%$$"/ *%/ &0/0’")"/1 020&)0)3%( %* 45! .%()/%$$"/ 601"2 %( 706859: !"#$ %&’ ( )*+)， ,- .’ ( /’*+)， 01#$ ,’ ( 2’+)， 3- 4’*+ ( 5’*+ 6 !&*+)&*’ 7’*898+) -+’:;<=’9>? !&*+)&*’ @AAABA， C&’+* D 66666666666666666666666666667 6666666666666666666666666666666666666666666667 【摘要】 但它对非线性和不确定性系统适应性不够理 FG4 算法是一个广泛应用于工业控制的算法， 66666666666666666666666666667 想。FG4 参数自适应模糊控制器将模糊逻辑推理引入 FG4 参数的在线自调整， 是目前一种较为先进的 控制器。考虑到 3*JKGL0 是一种基于 $ 语言的高效的专为科学家和工程师设计的虚拟仪器开发工 具， 这里将 PIQQ> 38)’R N88HO’9 和 FG4 C8+9<8HH;< N88HO’9 两个工具箱与 3*JKGL0 相结合， 实现了上述算 法。正是因为 3*JKGL0 能快速构建实现交互控制系统的图形用户界面， 并且它与测量、 自动化硬件紧 密的结合完善了数据采集、信号分析和信息显示的解决方案，这种基于 3*JKGL0 的 FG4 参数自适应 模糊控制器在工业控制领域必将有广阔的前景。
图 ! "#$ 参数 % &’ ( 模糊控制三维图
可以安置如同实际控制仪表的各类旋钮、 开关、 刻度盘、 +/$ 以 及阀门、 管道、 泵等控件， 用于控制和显示系统状态， 如图 V 所 示；后者是对应前面板的 B 语言程序，雷同于各种可视化编成 “功能 开发软件 % 如 .7A2,> L,A78、 它主要由 $?>’P7 等 ( 的源程序， “数据线 ”组成， “功能节点 ”完成各种函数计算及 节点 ”和 其中 “数据线 ”引导程序内部数据的流向。 程序结构功能，
图 F 隶属函数图
调节 "#$ 三个参数的推理机制形式为： 7E .* ,;I ./0 <P?; ’! 其中： — 偏差的模糊子集 1 .* —— — 偏差变化率的模糊子集 1 ./* —— — 输出的 "#$ 参数， ’! —— ! 分别代表 $、 2、 3。 总结工程人员的技术常识和实际操作经验，在模糊逻辑控 制器设计子程序中建立针对 ’(、’* 、’+ 三个参数分别的模糊控 制规则表。控制表的设计过程见图 H 。 整个模糊推理过程采用的是常用的 M,Q R M7; 法，去模糊 化的方法是重心法 % 8?;<?= 5E B=,G7<4 或 8?;<?= 5E ,=?, ( 。 为了直观 地观察设计的三个参数对偏差和偏差变化率的变化规律是否 达到所需，在程序中还利用 H$ N2=E,8? B=,’P 控件设计了参数
@T @ FG4 参数的模糊控制器设计
在 3*JKGL0 中， FG4 控制器的算法为： E （& ） （ ’! % " ( ) *# (） * (U& ) * U U&
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《机械设计与制造 》 *26D FXXH
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式中：! " #$ % $& 为设定值与控制过程返回量之间的偏差，’( 为比例增益，)* 为积分时间常数，)+ 为微分时间常数，, % - ( 为 控制器输出量。 普通 "#$ 控制算法一般需要通过硬件传感器采集到所需 的过程变量， 输入到程序中， 并根据需要人工设置预定值和 ’(、 最终计算出的控制量再通过 $ ) * 转换输出到 )*、)+ 三个常数， 相应的控制硬件，以达到控制的目的。在 "#$ 参数自整定模糊 控制中，则将人工输入的 "#$ 三个参数改为由模糊控制器自动 的在线校正。 而 +,-.#/0 的 12334 +5678 工具箱提供了一个完整 的模糊控制器设计系统： % 9 ( 模糊逻辑控制器设计子程序 % 12334 +5678 :5;<=5>>?= $?@ 提供一个友好的图形用户界面 % BC# ( ， 可以直观地设计和 A76; ( ： 修改模糊控制器的隶属函数、规则库、推理规则和去模糊方法 以备在应 等等。 设计的结果要保存在一个以 D E8 结尾的文件中， 用程序中调用。 （F ） 作为程序的一 模糊控制器子程序 % 12334 :5;<=5>>?=D G7 ( ： 个功能模块 % 函数 ( ， 用于在应用程序中实现模糊控制算法。每 个控制器有四个输入和一个输出，如果输入的变量较多，可以 采用将多个控制器并联的办法。 （H ） 将 D E8 文 调入控制器子程序 % +5,I 12334 :5;<=5>>?=D G7 ( ： 件调入应用程序的功能模块，可以将指定文件的 "#$ 参数加载 到应用程序的模糊控制器中。 （/8 ） （J2<’2<） （/） 、 偏差变化率 和输出参数 的模糊状 将偏差 （"L） 、 正中 % "M ( 、 态论域分成 K 个子模糊集： 正大 正小 % "N ( 、 零 %J(、 负小 % ON ( 、 负中 % OM ( 、 负大 % OL ( ， 各模糊集的隶属度函数 参照图 F 所示进行设置。
图 V 虚拟仪器前面板
FD HD F 数据采集和控制量输出设计
为了将上述算法在实际工程控制中实现，必须进行现场的 数据采集和模拟输出。一般的数据采集系统由传感器、信号调 理电路、数据采集卡和装有相应软件的计算机构成。+,-.#/0 提供十分方便的采集程序和控制量输出功能， 可以在输入、 输出 节点中直接指明要输入、输出的相应硬件 % 采集卡 ( 的设备号 % I?G78? ( 和端口 % 8P,;;?> ( ， 再将数据线引入、 导出程序中即可。 图 W 显示了 "#$ 参数自适应模糊控制器框图程序 % 主要部 对应采集参数 . 和 ./， 三个模糊控制器分别计算出 "#$ 控制 份(。
如图 ! 所示。 ’( 、 ’*、 ’+ 的三维图，
图 H 模糊控制表 % 部份 (
FD H 系统实现 FD HD 9 虚拟仪器介绍
+,-.#/0 程 序 称 为 虚拟仪器程序 % .7=<2,> 7;@ 它主 A<=2S?;<T 简称 .# ( ， 要包含 “ 前面板 % E=5;< ’,;?> ( ”和 “ 框 图 程 序 % ->58U I7,6=,S ( ”，前者 主要提供一个用户界面，
@ 系统设计
@T E 算法概述
如图 E 所示， FG4 参数自适应模糊控制器是在常规 FG4 调 节器的基础上，应用模糊集合理论建立参数 !"、!# 、!$ 同整个 闭环过程的反馈信号之间模糊逻辑关系，并且根据不同的反馈 信号在线自调整参数 !" 、 ! #、 !$ 的一种模糊控制器。
图 E FG4 参数自适应模糊控制器的系统框图
关键词： 虚拟仪器； 模糊控制； FG4； 3*JKGL0 【;61)/0.)】FG4 -./01#&23 #4 5#$(.6 %4($ #7 #7$%4&1#-. 807&10.9 :%& #& 2-4 $#4-$;-7&-/(4 #7 707.#7(-1 -7$ #7$%4&1#-. 807&10. -& "1(4(7&9 :(8-%4( #& (3".06 ?%>>6 .0/#8 1(?(1(78( &0 -$@%4& FG4 "-1-3(&(14 07 .#7(< *2#4 &2(4#4 803:#7(4 3*JKGL09 - 2#/2.6 "10$%8&#;( -7$ (-46 + &0 + %4( /1-"2#8 "10/1-33#7/ .-7/%-/( ?01 48#A (7&4 -7$ (7/#7((149 5#&2 =%>>6 B0/#8 *00.C#& -7$ FG4 &00.C#&9 -7$ 1(-.#>( 4%82 -7 -./01#&23< D(8-%4( 3*JKGL0 8-7 E%#8C.6 81(-&( /1-"2#8 %4(1 #7&(1?-8( &2-& /#;( 60% #7&(1-8&#;( 807&10. -7$ #&4 &#/2& #7&(/1- 5#&2 3(-4%1(3(7& -7$ -%&03- 2-1$5-1( ?-8#.#&#(4 $(;(.0"3(7& 0? $-&- -8E%#4#O -7-.64#4 -7$ "1(4(7A "103#4#7/ ?%&%1( #7 #7$%4&1#-. 807&10. ?#.($< <"- =%/21> 83/)+0$ 3(1)/+’"()? @+,,- .%()/%$? 45!? 706859: 文献标识码：1
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N88HO’9 两个工具箱，实现了简单快速的开发包括实际参数采集、 控制量输出、 显示在内的实时 FG4 参数自适应模糊控制算法。
%78(1&-#7 464&(3< =%>>6 807&10..(1 ?01 "-1-3(&(14 -$-"&- 0? FG4 807&10..(1 #4 - 301( -$;-78($ 807&10..(1 #7
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双曲线及抛物线规的设计
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E 引言
FG4 控制算法是一种在工业控制中广泛运用的控制策略，它 的优点是原理简单， 易于实现， 稳态性能好。 但传统的 FG4 控制主 要是控制具有确切模型的线性过程，而实际上，大多数的工业过 程都不同程度的存在着非线性、参数时变性和模糊不确定性；而 常规 FG4 控制器不具有在线整定参数的能力， 其控制效果就不十 分理想。模糊控制不需要被控对象的精确数学模型，依据人工控 制规则组织控制决策表，并由该表决定控制量的大小，其优点是 动态性能好， 但受制于控制规则和变量量化级别， 稳态性能差。如 果采用模糊推理的方法实现 FG4 参数 !"、 !#、 !$ 的在线自适应， 不仅保持了常规 FG4 鲁棒性强的特点，而且具有更大的灵活性、 适应性和精确性等优点， 是目前一种较为先进的控制算法。 美国 #*9’8+*H G+=9<I2;+9= 公司的 3*JKGL0 是目前国际上唯 一具有编译能力的基于数据流的图形化编程语言 6 $ 语言 D ，它强 大而易于实现的数据采集功能、 丰富的数值分析和信号处理功能、 设备驱动能力以及程序调试功能，加上框图式的程序编写过程与 “工程师和科学家的语言” 人的思维过程非常接近， 所以被誉为 。 这里以 3*JKGL0M’ 软件为开发平台，运用 3*JKGL0 强大的 数据采集功能模块加上 FG4 C8+9<8H N88HO’9 和 PIQQ> 38)’R S8< $
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图 ! "#$ 参数 % &’ ( 模糊控制三维图
可以安置如同实际控制仪表的各类旋钮、 开关、 刻度盘、 +/$ 以 及阀门、 管道、 泵等控件， 用于控制和显示系统状态， 如图 V 所 示；后者是对应前面板的 B 语言程序，雷同于各种可视化编成 “功能 开发软件 % 如 .7A2,> L,A78、 它主要由 $?>’P7 等 ( 的源程序， “数据线 ”组成， “功能节点 ”完成各种函数计算及 节点 ”和 其中 “数据线 ”引导程序内部数据的流向。 程序结构功能，
图 F 隶属函数图
调节 "#$ 三个参数的推理机制形式为： 7E .* ,;I ./0 <P?; ’! 其中： — 偏差的模糊子集 1 .* —— — 偏差变化率的模糊子集 1 ./* —— — 输出的 "#$ 参数， ’! —— ! 分别代表 $、 2、 3。 总结工程人员的技术常识和实际操作经验，在模糊逻辑控 制器设计子程序中建立针对 ’(、’* 、’+ 三个参数分别的模糊控 制规则表。控制表的设计过程见图 H 。 整个模糊推理过程采用的是常用的 M,Q R M7; 法，去模糊 化的方法是重心法 % 8?;<?= 5E B=,G7<4 或 8?;<?= 5E ,=?, ( 。 为了直观 地观察设计的三个参数对偏差和偏差变化率的变化规律是否 达到所需，在程序中还利用 H$ N2=E,8? B=,’P 控件设计了参数
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在 3*JKGL0 中， FG4 控制器的算法为： E （& ） （ ’! % " ( ) *# (） * (U& ) * U U&
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式中：! " #$ % $& 为设定值与控制过程返回量之间的偏差，’( 为比例增益，)* 为积分时间常数，)+ 为微分时间常数，, % - ( 为 控制器输出量。 普通 "#$ 控制算法一般需要通过硬件传感器采集到所需 的过程变量， 输入到程序中， 并根据需要人工设置预定值和 ’(、 最终计算出的控制量再通过 $ ) * 转换输出到 )*、)+ 三个常数， 相应的控制硬件，以达到控制的目的。在 "#$ 参数自整定模糊 控制中，则将人工输入的 "#$ 三个参数改为由模糊控制器自动 的在线校正。 而 +,-.#/0 的 12334 +5678 工具箱提供了一个完整 的模糊控制器设计系统： % 9 ( 模糊逻辑控制器设计子程序 % 12334 +5678 :5;<=5>>?= $?@ 提供一个友好的图形用户界面 % BC# ( ， 可以直观地设计和 A76; ( ： 修改模糊控制器的隶属函数、规则库、推理规则和去模糊方法 以备在应 等等。 设计的结果要保存在一个以 D E8 结尾的文件中， 用程序中调用。 （F ） 作为程序的一 模糊控制器子程序 % 12334 :5;<=5>>?=D G7 ( ： 个功能模块 % 函数 ( ， 用于在应用程序中实现模糊控制算法。每 个控制器有四个输入和一个输出，如果输入的变量较多，可以 采用将多个控制器并联的办法。 （H ） 将 D E8 文 调入控制器子程序 % +5,I 12334 :5;<=5>>?=D G7 ( ： 件调入应用程序的功能模块，可以将指定文件的 "#$ 参数加载 到应用程序的模糊控制器中。 （/8 ） （J2<’2<） （/） 、 偏差变化率 和输出参数 的模糊状 将偏差 （"L） 、 正中 % "M ( 、 态论域分成 K 个子模糊集： 正大 正小 % "N ( 、 零 %J(、 负小 % ON ( 、 负中 % OM ( 、 负大 % OL ( ， 各模糊集的隶属度函数 参照图 F 所示进行设置。
图 V 虚拟仪器前面板
FD HD F 数据采集和控制量输出设计
为了将上述算法在实际工程控制中实现，必须进行现场的 数据采集和模拟输出。一般的数据采集系统由传感器、信号调 理电路、数据采集卡和装有相应软件的计算机构成。+,-.#/0 提供十分方便的采集程序和控制量输出功能， 可以在输入、 输出 节点中直接指明要输入、输出的相应硬件 % 采集卡 ( 的设备号 % I?G78? ( 和端口 % 8P,;;?> ( ， 再将数据线引入、 导出程序中即可。 图 W 显示了 "#$ 参数自适应模糊控制器框图程序 % 主要部 对应采集参数 . 和 ./， 三个模糊控制器分别计算出 "#$ 控制 份(。
如图 ! 所示。 ’( 、 ’*、 ’+ 的三维图，
图 H 模糊控制表 % 部份 (
FD H 系统实现 FD HD 9 虚拟仪器介绍
+,-.#/0 程 序 称 为 虚拟仪器程序 % .7=<2,> 7;@ 它主 A<=2S?;<T 简称 .# ( ， 要包含 “ 前面板 % E=5;< ’,;?> ( ”和 “ 框 图 程 序 % ->58U I7,6=,S ( ”，前者 主要提供一个用户界面，
@ 系统设计
@T E 算法概述
如图 E 所示， FG4 参数自适应模糊控制器是在常规 FG4 调 节器的基础上，应用模糊集合理论建立参数 !"、!# 、!$ 同整个 闭环过程的反馈信号之间模糊逻辑关系，并且根据不同的反馈 信号在线自调整参数 !" 、 ! #、 !$ 的一种模糊控制器。
图 E FG4 参数自适应模糊控制器的系统框图
关键词： 虚拟仪器； 模糊控制； FG4； 3*JKGL0 【;61)/0.)】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’"()? @+,,- .%()/%$? 45!? 706859: 文献标识码：1