基于LabVIEW的云模型映射器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

學(xué)校代碼： 10289分類號(hào)： TP273 密 級(jí)： 公開(kāi)學(xué) 號(hào)：0731302006江 蘇 科 技 大 學(xué)碩 士 學(xué) 位 論 文基于 LabVIEW 的云模型映射器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研 究 生 姓 名 朱 敏 導(dǎo) 師 姓 名 李 眾 申請(qǐng)學(xué)位類別 工程碩士 學(xué)位授予單位 江 蘇 科 技 大 學(xué) 學(xué) 科 專 業(yè) 電子通信 論文提交日期 2010 年 4 月 8 日 研 究 方 向 測(cè)量與控制技術(shù) 論文答辯日期 2010 年 5 月 31 日 答辯委員會(huì)主席 評(píng) 閱 人 2010 年 6 月 8 日論文題目 基于LabVIEW的云模型映射器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)姓 名 朱敏 江蘇科技大學(xué)分類號(hào)： TP273 密 級(jí)： 公開(kāi) 學(xué) 號(hào)： 0731302006 工程碩士學(xué)位論文基 于 LabVIEW 的 云 模 型 映 射 器的 設(shè) 計(jì) 與 實(shí) 現(xiàn)學(xué) 生 姓 名 朱 敏指 導(dǎo) 教 師 李 眾 江蘇科技大學(xué)二 O 一 O 年六月 A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of Engineering Design and Implementation of Cloud Model Mapping based on LabVIEWSubmitted byZhu MinSupervised byProfessor Li zhongJiangsu University of Science and TechnologyApril, 2010論 文 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得江蘇科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 日 期：學(xué) 位 論 文 使 用 授 權(quán) 聲 明 江蘇科技大學(xué)有權(quán)保存本人所送交的學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文稿，可以將學(xué)位論文的全部或部分上網(wǎng)公布，有權(quán)向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交并授權(quán)其保存、上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的復(fù)印件或電子文稿。本人電子文稿的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱。 研究生簽名： 導(dǎo)師簽名：日 期： 日 期：摘要I摘要“云模型”是中國(guó)工程院李德毅院士在傳統(tǒng)模糊集理論和概率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上建起來(lái)的一種新的定性定量轉(zhuǎn)換模型，云模型用于智能控制可以較好地解決系統(tǒng)的狀態(tài)只能用不精確的定性量來(lái)描述的復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制。LabVIEW 是目前虛擬儀器開(kāi)發(fā)的最常用的平臺(tái)，它提供了豐富的信號(hào)分析處理函數(shù)，且易于和各種高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集硬件集成，還可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信以及與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接。本文對(duì)云模型的理論及應(yīng)用研究的現(xiàn)狀做了綜述，設(shè)計(jì)了基于 LabVIEW 平臺(tái)的正向和逆向云發(fā)生器，研究了云模型推理的結(jié)構(gòu)框架及其推理算法;對(duì)一種基于雪崩噪聲電路的真隨機(jī)數(shù)序列發(fā)生器進(jìn)行了特性檢驗(yàn);設(shè)計(jì)了一種真隨機(jī)數(shù)云模型發(fā)生器算法，并通過(guò) LabVIEW 實(shí)現(xiàn)。本文研究了一維云模型映射器結(jié)構(gòu)和算法，用 LabVIEW 平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了云模型映射器，研究了其非線性映射特征，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了云模型映射器通用程序，只需通過(guò)對(duì)輸入輸出云模型集合參數(shù)或云模型推理規(guī)則的少量修改，即可獲得不同的非線性映射關(guān)系。關(guān)鍵詞 云模型；云發(fā)生器；映射器；非線性映射；LabVIEW；真隨機(jī)數(shù)江蘇科技大學(xué)工程碩士論文IIAbstract“Cloud model“ is a new qualitative and quantitative transformation model based on the traditional fuzzy set theory and the probability and statistics. Applied to the intelligent control fields，cloud model can solve the control of complex nonlinear systems which is difficult to quantitatively describe. LabVIEW is the most common platform for virtual instrument development, it provides a lot of signal analysis function, and easy to integrate with high-speed and real-time data acquisition hardware. In addition, LabVIEW can communicate with a variety of mainstream industrial field bus, and link to most of the common standard database.This thesis summarized the theory and application study of cloud models, designed the forward and backward cloud generator based on LabVIEW Platform, and studied the structure of cloud model reasoning framework and its reasoning algorithm. This thesis tested the characteristics of a kind of true random number sequence generator base on avalanche noise circuit, designed a new algorithm of real random number cloud model generator, and realized by LabVIEW.This thesis studied the structure and algorithm of One-Dimension Cloud Model Mapping Processor, realized the cloud model Mapping Processor based on LabVIEW Platform, and studied its nonlinear mapping features; designed and implemented the general procedure of cloud model Mapping Processor. It can get different nonlinear relationship through a little modification of input and output cloud model collection parameters or reasoning rule.Keywords: cloud model; cloud generator; Mapping Processor; nonlinear mapping; LabVIEW; true random number目錄I目錄摘要 .IABSTRACT.II目錄 .I第 1 章 緒 論 .11.1. 研究背景和意義 .11.2. 云模型研究現(xiàn)狀 .21.2.1. 云模型理論研究現(xiàn)狀 .21.2.2. 云模型應(yīng)用研究進(jìn)展 .51.3. 本文主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排 .81.3.1. 主要研究?jī)?nèi)容 .81.3.2. 內(nèi)容章節(jié)安排 .9第 2 章 云模型 .102.1. 引言 .102.2. 云模型的基本概念 .102.2.1 云模型的基本定義 .102.2.2 云模型的數(shù)字特征 .112.2.3 正態(tài)云的普適性和 3En 規(guī)則 .122.3. 云模型發(fā)生器 .142.3.1 正向云發(fā)生器 .142.3.2 條件云發(fā)生器 .152.3.3 逆向云發(fā)生器 .162.4. 云模型的不確定性推理 .172.4.1 單規(guī)則推理 .172.4.2 多規(guī)則推理 .182.5. 本章小結(jié) .19第 3 章 虛擬儀器技術(shù)和 LabVIEW .203.1. 引言 .203.2. 虛擬儀器技術(shù) .203.2.1. 虛擬儀器技術(shù)簡(jiǎn)介 .203.2.2. 虛擬儀器系統(tǒng)的組成 .213.2.3. 高效的軟件平臺(tái) LabVIEW.223.2.4. 模塊化的 I/O 硬件 .253.3. 基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集和控制 .253.3.1. 基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)架構(gòu) .253.3.2. NI-DAQmx 硬件驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集方法 .26江蘇科技大學(xué)工程碩士論文II3.3.3. 通過(guò) NI-PCI 板卡進(jìn)行集中式數(shù)據(jù)采集和控制 .283.3.4. 通過(guò)研華-ADAM 模塊進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)采集和控制 .293.4. 本章小結(jié) .30第 4 章 基于 LabVIEW 的云模型發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .314.1. 引言 .314.2. 基于 LabVIEW 的正向云模型發(fā)生器.314.2.1 基于 LabVIEW 的基本正向云發(fā)生器 .314.2.2 基于 LabVIEW 的 X 條件云發(fā)生器 .344.2.3 基于 LabVIEW 的 Y 條件云發(fā)生器 .354.2.4 基于 LabVIEW 的不確定性單規(guī)則推理 .364.3. 基于 LabVIEW 的逆向云模型發(fā)生器.384.3.1 逆向云發(fā)生器的算法 .384.3.2 逆向云發(fā)生器的 LabVIEW 編程實(shí)現(xiàn) .394.4. 基于 LabVIEW 的真隨機(jī)數(shù)云模型發(fā)生器 .404.4.1 基于雪崩噪聲的真隨機(jī)數(shù)二進(jìn)制序列發(fā)生器 .404.4.2 基于 LabVIEW 的真隨機(jī)數(shù)二進(jìn)制序列特性檢測(cè) .414.4.3 真隨機(jī)數(shù)序列轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布的真隨機(jī)數(shù) .444.4.4 基于 LabVIEW 的真隨機(jī)數(shù)云模型發(fā)生器 .444.5. 本章小結(jié) .46第 5 章 基于 LabVIEW 的云模型映射器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .475.1. 引言 .475.2. 一維云模型映射器 .475.2.1. 云模型映射器的結(jié)構(gòu)和算法 .475.2.2. 云模型映射器的 LabVIEW 編程實(shí)現(xiàn) .495.3. 云模型非線性映射特征 .505.3.1 線性特征 .515.3.2 飽和特征 .525.3.3 雙限幅特征 .545.3.4 死區(qū)特征 .545.3.5 其它非線性特征 .555.4. 本章小結(jié) .57第 6 章 總結(jié)和展望 .586.1. 本文的主要工作 .586.2. 進(jìn)一步研究展望 .59參考文獻(xiàn) .60攻讀學(xué)位期間參與的研究項(xiàng)目及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 .66致謝 .67第 1 章 緒論1第 1 章 緒 論1.1.研究背景和意義在自動(dòng)控制領(lǐng)域，任何真實(shí)的控制系統(tǒng)都或多或少地呈現(xiàn)出非線性特征，只是強(qiáng)弱不同。為了實(shí)現(xiàn)深層次、高性能的控制，就不能不充分考慮系統(tǒng)特性的時(shí)變性和非線性。眾所周知，由于時(shí)變非線性動(dòng)態(tài)方程沒(méi)有通用的解法，因此與線性定常動(dòng)態(tài)系統(tǒng)不同，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能建立起有效的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。應(yīng)如何解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題？國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍意識(shí)到要走智能化的道路，實(shí)現(xiàn)控制要向人的智能學(xué)習(xí)。目前，人工智能在模擬人類的確定性智能一邏輯思維方面，已經(jīng)取得很大成就。但是，對(duì)人類不確定性智能的模擬始終沒(méi)有太大的進(jìn)展，而在模擬人類形象思維方面尚處在探討階段。因?yàn)椴淮_定性廣泛存在于主觀和客觀世界，在諸多不確定性因素中，隨機(jī)性和模糊性是最為重要的兩個(gè)因素 1。隨機(jī)性與模糊性經(jīng)常相互融合，難以區(qū)別和獨(dú)立存在，這在人類作為思維和認(rèn)知載體的語(yǔ)言中表現(xiàn)的尤為明顯 2。因此，不確定性人工智能是人工智能中的研究熱點(diǎn)，也是人工智能中重大前沿課題 34。把人工智能原理應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，用語(yǔ)言值構(gòu)成規(guī)則，形成一種直觀推理方法，這種擬人控制，不要求給出被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，僅僅依靠人的經(jīng)驗(yàn)、感覺(jué)和邏輯判斷,將人用語(yǔ)言值定性表達(dá)的控制經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換模型轉(zhuǎn)換成定量值，就解決了非線性問(wèn)題和不確定問(wèn)題。目前常用的定性定量轉(zhuǎn)換方法有：層次分析；量化加權(quán)；專家群體打分。定性分析中還夾雜著一些數(shù)學(xué)模型和定量計(jì)算?！霸颇Ｐ汀笔侵袊?guó)工程院李德毅院士在傳統(tǒng)模糊集理論和概率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上建起來(lái)的一種新的定性定量轉(zhuǎn)換模型 5，它把不確定性概念的模糊性和隨機(jī)性機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器，建立起定性和定量之間的相互聯(lián)系、相互依存、性中有量、量中有性的映射關(guān)系。正向云將定性語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為定量數(shù)據(jù)，可以將語(yǔ)言量化；逆向云可以實(shí)現(xiàn)定量數(shù)值與定性概念的自然轉(zhuǎn)換,可以運(yùn)用到定性評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域 6。云模型用于智能控制可以較好地解決系統(tǒng)的狀態(tài)只能用不精確的定性量來(lái)描述的復(fù)雜系統(tǒng)的控制 7。而本質(zhì)上，控制器所實(shí)現(xiàn)的輸入輸出控制關(guān)系就是一種從定量輸入到定量輸出的映射關(guān)系，即偏差輸入到控制量輸出的映射過(guò)程 8。因此，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)非線性映射器是研究如何將“云模型”應(yīng)用于智能控制的關(guān)鍵問(wèn)題。虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，具有開(kāi)放高效的軟件，模塊化的 I/O 硬件以及用于集成的軟硬件平臺(tái)，可以在不改變或少改變硬件的前提下，通過(guò)軟件就可以靈活滿足多種不同的測(cè)試與控制需求等優(yōu)勢(shì)，以滿足靈活多江蘇科技大學(xué)工程碩士論文2變的需求趨勢(shì)，從而為嵌入式設(shè)計(jì)、工業(yè)控制以及測(cè)試和測(cè)量提供了一種獨(dú)特而高效的解決方案。圖形化編程軟件 LabVIEW 是目前虛擬儀器開(kāi)發(fā)的最常用的平臺(tái)，它提供了豐富的信號(hào)處理函數(shù)和分析函數(shù)，且易于和各種高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集硬件集成，還可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信以及與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接。目前，云模型發(fā)生器的軟件實(shí)現(xiàn)及仿真多采用 Matlab 軟件，使用 LabVIEW 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)云發(fā)生器和映射器尚數(shù)創(chuàng)新?；?LabVIEW 平臺(tái)進(jìn)行云模型映射器的設(shè)計(jì)，一方面可以通過(guò) LabVIEW 特有的圖形化編程高效快捷地仿真實(shí)現(xiàn)云模型映射器，另一方面可以利用 LabVIEW 高效的數(shù)據(jù)分析處理功能和硬件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)現(xiàn)基于真實(shí)硬件的云模型映射器，研究其映射特征，進(jìn)而為設(shè)計(jì)研究真實(shí)云模型智能控制器奠定基礎(chǔ)。進(jìn)一步，利