林劍輝

北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083

1965年，美國數(shù)學(xué)家Zadeh創(chuàng)立了模糊理論，并將其應(yīng)用到控制工程中，最近十年來，模糊控制系統(tǒng)成功應(yīng)用的實(shí)例層出不窮，模糊控制已經(jīng)成為現(xiàn)代智能控制理論中重要的分支[1-3]。我校針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的就業(yè)需求，已在本科生教育中單獨(dú)開設(shè)了模糊控制這一課程。

根據(jù)牛津英語詞典的解釋，“模糊(fuzzy)”一詞的含義為“朦朧的，不精確的，不合乎邏輯的，不明白的”。但實(shí)際上，模糊系統(tǒng)是一個(gè)被精確定義的系統(tǒng)，模糊控制也是一種被精確定義的特殊的非線性控制[4]。對(duì)于本科教學(xué)而言，字面上的“模糊”與本質(zhì)上的“精確”是造成學(xué)生基本概念混淆的主要原因之一。

筆者通過多年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，要幫助學(xué)生深入掌握模糊控制中“模糊”一詞的真正含義，除了對(duì)模糊控制的基礎(chǔ)理論—模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行深入系統(tǒng)地講解，讓學(xué)生加深對(duì)理論概念的理解之外，重點(diǎn)在于通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)加深學(xué)生對(duì)模糊控制的感性認(rèn)識(shí)，并通過實(shí)踐引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性。

仿真模擬在模糊控制的實(shí)踐教學(xué)中具有重要地位。利用各種仿真軟件，引導(dǎo)學(xué)生自行完成系統(tǒng)分析，參數(shù)優(yōu)化，綜合總結(jié)等具體教學(xué)環(huán)節(jié)，便于學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)更深入地理解模糊控制的工作原理。在原有教學(xué)模式中，通常采用Matlab/Simulink為主要的仿真平臺(tái)[5]，但該平臺(tái)存在明顯的不足：很難與硬件設(shè)備連接構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。而NI公司推出的虛擬儀器平臺(tái)LabVIEW是一種面向儀器測控的圖形化編程語言，配合數(shù)據(jù)采集卡或其他外部設(shè)備，可以非常方便地構(gòu)建一套以計(jì)算機(jī)為核心的測控系統(tǒng)，在當(dāng)前測控行業(yè)，包括模糊控制系統(tǒng)中都有著較為廣泛的應(yīng)用[6]。因此，筆者在教學(xué)過程中，探索性地引入LabVIEW平臺(tái)為模糊控制課程的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在教學(xué)過程中更好地把理論與實(shí)踐相結(jié)合，以進(jìn)一步提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

筆者以電液位置伺服系統(tǒng)的模糊控制設(shè)計(jì)為例，探討模糊控制課程教學(xué)中LabVIEW的應(yīng)用。

1 LabVIEW中的模糊邏輯功能

LabVEIW提供了模糊邏輯功能模塊，包括模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)VI(Fuzzy Logic Controller Design VI)，模糊控制器加載VI(Load Fuzzy Controller VI)，模糊控制器VI(Fuzzy Controller VI)等[7]。

其中模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)VI是實(shí)現(xiàn)模糊控制的主要部分，由模糊集合編輯器、模糊規(guī)則編輯器和輸入輸出性能測試三部分組成，其主要功能是提供定義和修改模糊控制中的各參數(shù)，包括隸屬函數(shù)、控制規(guī)則、解模糊方法、推理方法及其他相關(guān)參數(shù)，并可通過性能測試模塊對(duì)以上參數(shù)設(shè)定進(jìn)行仿真測試。系統(tǒng)提供的隸屬函數(shù)除了傳統(tǒng)的三角形、梯形、Z型、S型等隸屬函數(shù)外，還可由用戶自行定義；用戶通過該VI可以直觀方便地設(shè)計(jì)各種滿足不同要求的模糊邏輯控制器。在設(shè)計(jì)好模糊控制器后，將其保存于后綴名為.fc格式的數(shù)據(jù)文件中，以備控制系統(tǒng)調(diào)用。

2 電液位置伺服系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制總框圖

電液位置伺服系統(tǒng)主要用于解決位置跟隨的控制問題，其根本任務(wù)是通過液壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被控量對(duì)給定量的及時(shí)和準(zhǔn)確跟蹤，并且要求其具有較高的控制精度。電液位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是衡量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試水平的重要指標(biāo)。整套系統(tǒng)由電信號(hào)處理裝置和液壓元件組成，各元件的動(dòng)態(tài)性能相互影響，相互制約，而且系統(tǒng)本身包含顯著的非線性特性，致使其動(dòng)態(tài)性能相當(dāng)復(fù)雜[8,9]。因此，電液位置伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真在控制理論教學(xué)中具有較為典型的代表性。

首先，針對(duì)電液位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)其模糊控制系統(tǒng)(如圖1所示)。

圖1 電液位置伺服模糊控制系統(tǒng)框圖

其中，模糊控制器是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，包括輸入、輸出變量的模糊化(即模糊子集隸屬度函數(shù)的設(shè)定)，模糊規(guī)則的設(shè)定等。

2.2 輸入、輸出變量模糊化

本示例采用雙輸入單輸出方式，選擇偏差E和偏差變化率EC作為控制器的輸入，控制量U為輸出。取E，EC的模糊子集為{ENB, ENM, ENS, EZO, EPS, EPM,EPL}，它們的論域?yàn)閧-9, -6, -3, 0, 3, 6, 9}，U的模糊子集為{UNB, UNM, UNS, UZO, UPS, UPM, UPL}，論域?yàn)閧-4.5, -3, -1.5, 0, 1.5, 3, 4.5}。選用三角函數(shù)為隸屬度函數(shù)，將輸入、輸出量模糊化(如圖2所示)。

圖2 輸入、輸出變量隸屬度設(shè)計(jì)界面

2.3 模糊控制規(guī)則制定

根據(jù)電液位置伺服控制系統(tǒng)的控制規(guī)律，結(jié)合控制專家經(jīng)驗(yàn)及模糊控制器設(shè)計(jì)思想，總結(jié)得到表1所示的模糊邏輯控制規(guī)則表。

表1 模糊邏輯控制規(guī)則表

再將以上控制規(guī)則表輸入模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)VI中(如圖3所示)，即形成模糊規(guī)則。

圖3 模糊控制規(guī)則輸入界面

2.4 仿真程序

圖4 模糊電液位置伺服系統(tǒng)仿真界面

圖5 模糊電液位置伺服系統(tǒng)仿真程序圖

在設(shè)定好輸入、輸出變量隸屬度及模糊控制規(guī)則后，存盤生成.fc文件，即可開始建立電液位置伺服控制系統(tǒng)的仿真模擬。該仿真模擬系統(tǒng)包括前面板顯示部分(如圖4所示)和后面板程序部分(如圖5所示)。

3 仿真分析

在“Simulation Parameters”框中設(shè)置仿真參數(shù)項(xiàng)(由設(shè)置參數(shù)函數(shù)將仿真參數(shù)傳給仿真程序)，在其中可以設(shè)計(jì)仿真開始、終止時(shí)間、仿真最大最小步長和仿真算法等參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用模糊控制與普通閉環(huán)控制相比較的教學(xué)方法。圖6左圖為普通閉環(huán)電液位置控制系統(tǒng)仿真結(jié)果，右圖為采用模糊控制后的電液位置伺服系統(tǒng)仿真結(jié)果。從兩個(gè)結(jié)果比較可以看出，采用模糊控制策略后，系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量變小，響應(yīng)時(shí)間變短，整體性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用普通閉環(huán)控制的系統(tǒng)。通過結(jié)果對(duì)比，有利于學(xué)生加深模糊控制的感性與理性認(rèn)識(shí)，理解模糊控制核心所在。

圖6 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

4 結(jié)束語

模糊控制理論發(fā)展迅速，它具有便于與其他智能控制方法聯(lián)合使用的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代智能控制中占有重要地位。為了提高本科模糊控制教學(xué)效果，在實(shí)踐教學(xué)中引入LabVIEW仿真模擬，并與普通閉環(huán)控制進(jìn)行比較，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)模糊控制的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)模糊控制的理論理解，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新精神，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，從而了取得良好的教學(xué)效果。

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