基于LabVIEW的直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

1、基于LabVIEW的直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：利用模糊控制算法實現(xiàn)了一個小型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。用LabVIEW的模糊控制器設(shè)計工具進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計，通過NI-PCI6251完成實時速度采集以及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。實際運行表明該系統(tǒng)具有超調(diào)小，調(diào)節(jié)時間短以及振蕩小的優(yōu)點。 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 contr

2、oller 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: LabV

3、IEW; fuzzy control; rotating speed control; data acquisition card 模糊控制技術(shù)是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)數(shù)字控制，最早出現(xiàn)于上個世紀(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量控制的圖形化的編程語言，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 算機(jī)為核心的測量控制系統(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電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效控制，但存在動態(tài)性能相對差，恢復(fù)時間長，超 調(diào)量大以及參數(shù)整定困難等缺點。而于上個世紀(jì)6

4、0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。本設(shè)計利LabVIEW軟件結(jié)合模糊控制算法，在 NI公司的ELVIS實驗平臺上實現(xiàn)有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制系統(tǒng)。通過實際測試，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)速測量需要相應(yīng)的 圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 外圍硬件電路，其他部分通過軟件編程由計算機(jī)來實現(xiàn)。 系統(tǒng)硬件線路圖如圖2所示。使用光電隔離器來獲取轉(zhuǎn)速脈沖信號，通過數(shù)據(jù)采集卡送入計機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡使用NI-PCI6251 。PCI6

5、251具有兩路模擬輸出口，2個計數(shù)器，16路模擬輸入口。設(shè)計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)動直流電機(jī)，所以需要在ao口加一個電流放大電路;用計數(shù)器ctr0口來對光電傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行測周，獲得電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。 圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu) 2 模糊控制器設(shè)計 模糊控制器由模糊化、規(guī)則庫、模糊推理和去模糊化4個部分組成，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)則庫是一些根據(jù)專家 經(jīng)驗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)則庫中的專家經(jīng)驗實現(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。 LabV

6、IEW的控制工具包提供了模糊控制器圖形化設(shè)計工具，其使用非常方便。該設(shè)計工具目前只支持四個語言變量輸入以及一個語言變量輸出，每個語言變量 下面最多可以有9個子模糊集，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，但對一般的模糊控制器設(shè)計 可以很好的滿足要求。 設(shè)計中選擇常用的2維模糊控制器，兩個輸入變量為速度誤差e和速度誤差變化率 ，一個輸出變量為電壓增量 。實際設(shè)計中由于速度誤差的變化率在給定速度突變時趨于無窮，所以取電機(jī)實際轉(zhuǎn)速的變化率來代替 。此外為輸入量模糊化的方便，分別給兩個輸入變量乘上合適的系數(shù)K1和K2。 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，若控制電機(jī)轉(zhuǎn)速

7、在0-4000r/min的范圍 內(nèi)根據(jù)對于速度誤差 及輸出電壓增量 分別在其論域上定義9個模糊集：NL（負(fù)極大），NB（負(fù)大）， NM（負(fù)中），MS（負(fù)?。?，ZO（零），PS（正?。?， PM（正中）， PB（正大）， PL（正極大），論域為-4，3 ，2，1，0，1，2，3，4。速度變化率 ，在其論域上定義5個模糊集：NM（負(fù)大）， MS（負(fù)?。?，ZO（零），PS（正?。?，PM（正大）。論域為-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)計完成后以.f

8、c格式存儲起來，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 在實際運行模糊控制器之前需要研究控制器輸入輸出特性，對控制器進(jìn)行優(yōu)化。LabVIEW的模糊控制器設(shè)計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)驗判斷該結(jié)果是否滿足控制要求，如果不能，則對相應(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。 圖4 程序框圖 4.軟件設(shè)計 LabVIEW是一種圖形化程序設(shè)計語言，使得程序開發(fā)過程相對容易。程序框圖部分如圖7所示：需要說明的是： 1） 程序中使用了快速開發(fā)控件（E

9、xpress Control）來完成周期測量以及直流電壓輸出。該控件是從LabVIEW7.0以后版本提供對數(shù)據(jù)采集卡的快速操作控件，使得程序開發(fā)變的更加容易。 2） 由于轉(zhuǎn)速測量信號是由電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝的一個突出葉片阻隔光電隔離傳感器產(chǎn)生，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周信號變化一個周期，所以轉(zhuǎn)速n（r/min）=60/T。 3） Fuzzy controller（模糊控制）節(jié)點的輸入變量和相應(yīng)輸入變量名在程序中必須有相同的名稱;Load Fuzzy Controller 節(jié)點載入前面的.fc文件，可以在Load Fuzzy Controller 節(jié)點的輸入控制中指出文件路徑，也可以在程序運行時指定。 4） 程序中

10、速度變化率用相鄰兩次實際速度采樣值之差來替代，比例系數(shù)K2取1/500，由于采樣時間相等，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，所以需要一個累加來確定最終的電機(jī)控制電壓。程序中通過while循環(huán)的寄存器來實現(xiàn)電壓增量的累加。 6） 電機(jī)實時轉(zhuǎn)速和給定速度在同一個實時記錄圖中顯示。 圖5 系統(tǒng)運行前面板 5 系統(tǒng)運行及結(jié)果分析 系統(tǒng)運行及前面板顯示如圖8所示。在實時記錄圖中觀察系統(tǒng)運行結(jié)果，可知該控制系統(tǒng)在給定速度突然增加或減小時的超調(diào)量小于10%，調(diào)節(jié)時間小于1s， 穩(wěn)態(tài)誤差也比較理想，并在輸入擾動時能很快恢復(fù)，對擾動有很強(qiáng)的抑制能力，具有較好的適應(yīng)性。同時也可以清楚的觀

11、察到系統(tǒng)具有一定的延遲，這是由于數(shù)據(jù)采 集，程序運行都需要一定的時間，造成控制的實時性比較差。改善的方式是使用現(xiàn)場專用控制器，在LabVIEW8中提供的項目管理功能可以非常方便的把在上 位機(jī)上設(shè)計好的程序下載到現(xiàn)場控制儀器中，以提高控制的實時性能。 6 結(jié)論 通過利用虛擬儀器軟件結(jié)合控制工具包能夠非常迅速的實現(xiàn)直流電機(jī)的模糊控制系統(tǒng)。設(shè)計中體現(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，如設(shè)計過程不必對系統(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)果中看實際控制性能比較好。 本文創(chuàng)新點： 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，并利用虛擬儀器來實現(xiàn)，使控制器設(shè)計過程簡化，易于實現(xiàn)，且方便移植。 2 利用LabVIEW8及Control Tookit設(shè)計的可視化圖形界面和控制程序?qū)崿F(xiàn)了對直流電機(jī)供電電壓的動態(tài)調(diào)整，使轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)具有超調(diào)小，調(diào)節(jié)時間短以及振蕩小的優(yōu)點。 基金資助：湖北省教育廳教學(xué)研究項目。 參考文獻(xiàn)： 1 Kevin M. Passino & Stephen Yurkovich. 模糊控制M.北京：清華大學(xué)出