李定軍

 

關鍵詞：模糊控製
；LabVIEW；NI DAQ設備

 

　　自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)理(li)論(lun)經(jing)過(guo)一(yi)個(ge)多(duo)世(shi)紀(ji)的(de)發(fa)展(zhan)
，正(zheng)由(you)經(jing)典(dian)控(kong)製(zhi)理(li)論(lun)，現(xian)代(dai)控(kong)製(zhi)理(li)論(lun)向(xiang)智(zhi)能(neng)控(kong)製(zhi)理(li)論(lun)發(fa)展(zhan)。人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)包(bao)括(kuo)推(tui)理(li)，學(xue)習(xi)和(he)聯(lian)想(xiang)，是(shi)采(cai)用(yong)非(fei)數(shu)學(xue)式(shi)的(de)方(fang)式(shi)
，將(jiang)人(ren)的(de)思(si)維(wei)模(mo)型(xing)化(hua)
，並(bing)通(tong)過(guo)計(ji)算(suan)機(ji)來(lai)模(mo)仿(fang)。目(mu)前(qian)計(ji)算(suan)機(ji)已(yi)充(chong)分(fen)體(ti)現(xian)了(le)人(ren)類(lei)左(zuo)腦(nao)的(de)邏(luo)輯(ji)推(tui)理(li)功(gong)能(neng)，正(zheng)向(xiang)右(you)腦(nao)的(de)模(mo)糊(hu)處(chu)理(li)方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan)。模(mo)糊(hu)控(kong)製(zhi)作(zuo)為(wei)近(jin)代(dai)控(kong)製(zhi)理(li)論(lun)中(zhong)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)語(yu)言(yan)規(gui)則(ze)與(yu)模(mo)糊(hu)推(tui)理(li)的(de)高(gao)級(ji)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)和(he)新(xin)穎(ying)技(ji)術(shu)
，是(shi)智(zhi)能(neng)控(kong)製(zhi)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)分(fen)支(zhi)
，近(jin)來(lai)發(fa)展(zhan)迅(xun)速(su)
，應(ying)用(yong)廣(guang)泛(fan)，效(xiao)果(guo)顯(xian)著(zhu)，引(yin)人(ren)關(guan)注(zhu)。

　　在zai我wo們men日ri常chang生sheng活huo中zhong，經jing常chang有you一yi些xie概gai念nian沒mei有you固gu定ding的de標biao準zhun，不bu能neng簡jian單dan地di用yong對dui或huo錯cuo，真zhen或huo假jia來lai評ping判pan，而er要yao用yong到dao一yi些xie不bu精jing確que的de詞ci句ju來lai描miao述shu
，比bi如ru，年nian輕qing
、好、漂(piao)亮(liang)。這(zhe)些(xie)概(gai)念(nian)會(hui)因(yin)為(wei)判(pan)斷(duan)對(dui)象(xiang)變(bian)化(hua)而(er)改(gai)變(bian)判(pan)斷(duan)標(biao)準(zhun)，所(suo)以(yi)是(shi)模(mo)糊(hu)的(de)。在(zai)人(ren)們(men)的(de)工(gong)作(zuo)經(jing)驗(yan)中(zhong)，往(wang)往(wang)也(ye)存(cun)在(zai)了(le)許(xu)多(duo)模(mo)糊(hu)的(de)東(dong)西(xi)。例(li)如(ru)，煉(lian)鋼(gang)時(shi)需(xu)要(yao)的(de)鋼(gang)水(shui)顏(yan)色(se)、沸騰情況等模糊信息。1965年美國加州大學L.A.Zadeh教授最早提出了模糊這一概念
，並用數學方式進行分析。

　　通常，對於一個論域E中討論的集合A={a,b,c}

，對於論域中的任意元素x，可用特征函數表示是否屬於A：

           　　　　　　　　　　　　　　　　　（式1）

　　式1用1和0來表示元素屬於集合的真假，然而若是一個模糊的集合，比如說衣服是否漂亮，裏麵的元素a,b,c這3件衣服單純用漂不漂亮表示顯然不能更具體表征元素的性質。模糊集合把特征函數的0和1這兩個值，擴展到0到1之間的整個區間中，以隸屬度μA（0≤μA≤1）來表示元素屬於集合A的程度，比如衣服漂亮的程度。這樣，設三件衣服的漂亮程度分別為0.3，0.8和0.5

，該模糊集合A可表示為A：{(a,0.3),(b,0.8),(c,0.5)}。而隸屬度函數可寫成：

                          　　　　　　　　　　 （式2）

　　可見模糊集合在多數情況下更能反應元素的特性，特征函數實際上就是隸屬度函數的一個特例。

兩個元素之間的某種聯係，可以用關係R來表示，通常R用二元邏輯1和0表示元素之間是否存在此關係。比如，a對b存在指定關係R
，則稱為aRb
，否則為 。關係有時也可以模糊表示，當元素a對於b不完全滿足某指定關係R，卻也沒有完全不滿足時
，它們之間的關係可以用0到1區間的某一值表示
，即是一種隸屬度的表示法。對於論域E中的兩個集合A={a,b}；B={c,d}
，指定一種關係R
，它們所有元素之間的關係可以用關係矩陣表示： 。如果集合是模糊集合，關係更加模糊化
，還需考慮元素對所在集合的隸屬度。集合 A對應到B的關係表達式為A○R=B
，通過線性代數和模糊數學理論可以根據集合A
，B求出關係R。

　　suizhekejidefazhan，xianchangbeikongduixianghekongzhitiaojianbiandefuza，kaolvyinsuzengduo，erduiyukongzhixingnengyaoqiuquezhujiantigao。tongchangfuzadexitonghennanduikongzhiliangshejijingquedesuanfa
，xiangyaojueduijingquebiandebukeneng
，xuyaozaijingquehefuzajianzhaodaopingheng。mohukongzhijiushiyizhongpinghengdekongzhishouduan
，zaifeixianxingfuzaxitongzhongfazhanhenkuai。

　　通常一個模糊控製係統主要由被控對象
，執行機構
，模糊控製器

，輸入輸出接口和測量裝置組成（圖1）。

                          　　　　　　  圖1 模糊控製係統

其中的核心部分模糊控製器由輸入模糊化接口，數據庫，規則庫，推理機和輸出接模糊接口五部分組成（圖2）。

                                   　　圖2 模糊控製器

　　根gen據ju實shi際ji需xu要yao，模mo糊hu控kong製zhi器qi可ke以yi有you幾ji個ge輸shu入ru和he輸shu出chu。首shou先xian是shi模mo糊hu化hua，輸shu入ru的de信xin號hao和he需xu要yao輸shu出chu的de信xin號hao根gen據ju專zhuan家jia經jing驗yan劃hua分fen為wei語yu言yan描miao述shu的de模mo糊hu子zi集ji，並bing將jiang其qi論lun域yu分fen級ji離li散san化hua


，最zui後hou把ba模mo糊hu子zi集ji中zhong的de元yuan素su對dui應ying到dao量liang化hua等deng級ji上shang
，可ke畫hua出chu隸li屬shu度du函han數shu。這zhe些xie輸shu入ru輸shu出chu信xin號hao的de隸li屬shu度du函han數shu存cun入ru推tui理li機ji中zhong的de數shu據ju庫ku，而er規gui則ze庫ku裏li存cun放fang的de是shi基ji於yu專zhuan家jia知zhi識shi或huo熟shu練lian人ren員yuan長chang期qi經jing驗yan形xing成cheng的de直zhi覺jiao推tui理li的de語yu言yan規gui則ze表biao達da式shi。這zhe些xie模mo糊hu規gui則ze由you一yi係xi列lie關guan聯lian詞ci連lian接jie而er成cheng，如ruif―then
；or等，這些規則實際說明了數據庫中輸入和輸出這兩組模糊子集的關係R。推tui理li機ji通tong過guo模mo糊hu數shu學xue的de算suan法fa解jie模mo糊hu方fang程cheng，可ke以yi算suan出chu各ge種zhong輸shu入ru狀zhuang態tai下xia對dui應ying的de輸shu出chu響xiang應ying值zhi。這zhe樣yang解jie模mo糊hu並bing輸shu出chu實shi際ji控kong製zhi信xin號hao或huo控kong製zhi等deng級ji，用yong以yi作zuo用yong於yu被bei控kong對dui象xiang。

　　美國國家儀器公司（簡稱NI）提供了在LabVIEW中使用的模糊控製工具包Fuzzy Logic，可幫助工程師結合NI數據采集設備快速有效地搭建一個模糊控製器，並省去很多硬件邏輯電路。

安裝NI光盤Tookit Software中的LabVIEW PID Control Tookit，即可在LabVIEW中生成該工具包。安裝完成後打開一個新的VI
，右擊程序框圖，在Functions Palette上選擇Control Design&Simulation
，即可看到Fuzzy Logic工具包，該工具包由3個VI組成（圖3）。安裝工具包後，可以使用LabVIEW創建.fc格式的文件。.fc文件是NI自定義的一種文件格式
，用於仿真模糊控製器推理機中的知識庫。

          　　　　　　　　　　圖3 Fuzzy Logic工具包

　　創建一個.fc文件步驟如下：打開一個新的VI，在任務欄依次點擊Tools――Control Design and Simulation――Fuzzy Logic Controller Design…，接著在彈出的 Fuzzy Logic Controller Design對話框的狀態欄上點擊File――New
，即打開了一個新的.fc文件（圖4）。

                     　　　  圖4 Fuzzy Logic Controller Design

　　接著彈出一個Fuzzy Set Editor對話框（圖5），這是仿真模糊推理器中的數據庫。工程師可根據專家經驗繪製出輸入和輸出量的隸屬函數圖，繪製完成後點擊Quit；接著彈出Rulebase Editor對話框（圖6），這是仿真模糊推理器的規則庫。工程師根據實際情況將製定好的規則寫入，完成後點擊Quit；最後點擊File――Save
，給出保存位置和文件名，一個.fc文件就創建完成了。

                        　　　　　　 圖5 Fuzzy Set Editor

                           　　　　　圖6 Rulebase Editor

　　.fc文件使用工具包Fuzzy Logic中的Load Fuzzy Controller.vi加載

，該VI加載後將數據傳送到Fuzzy Controller.vi中。Fuzzy Controller.vi接收輸入信號（最多可接受4維輸入），根據.fc文件進行模糊推理，並計算出合適的輸出信號值（圖7）。工具包中的另一個VI是Test Fuzzy Controller.vi，它可以通過手動輸入算出輸出響應值，已到達調試.fc文件中規則和隸屬度函數的目的。

　　構建完知識庫後
，LabVIEW會結合計算機代替硬件電路進行模糊推理計算，節約了成本。模糊控製的精度和輸入輸出的信號是否精確也密切相關。硬件方麵，NI的數據采集(DAQ)卡不但和LabVIEW兼容性好，性能穩定
，而且選擇範圍很廣，工程師總是可以根據自己的精度等需求選擇到合適的采集卡。

                                 　　圖7 模糊控製器軟件部分

　　卓zhuo越yue的de性xing能neng
，精jing確que的de采cai集ji，如ru果guo需xu要yao還hai可ke以yi進jin行xing軟ruan硬ying件jian的de信xin號hao調tiao理li。準zhun確que的de信xin號hao送song到dao軟ruan件jian搭da建jian的de模mo糊hu控kong製zhi器qi係xi統tong，算suan出chu輸shu出chu響xiang應ying值zhi，再zai由youNI DAQ設備準確地輸出信號，一個強大的模糊控製器就這樣完成了。