基于LabVIEW的模糊温度控制系统设计16233.docx

基于LaabVIIEW的的模糊控控制系统统设计摘要本文以LLabVVIEWW为开发发环境进进行设计计模糊控控制器，将将设计出出的模糊糊控制器器应用到到温度控控制系统统中，实现了了在有干干扰作用用的情况况下对烤烤箱温度度的控制制，取得得较好的的控制效效果。关键词：虚拟仪仪器 模糊控控制 热电偶偶AbsttracctThiss paaperr iss deesiggn iissuue iis tthe usee off LaabVIIEW fuzzzy conntrool, thrrouggh tthe dessignn off fuuzzyy coontrrol prooceddurees tto cconttroll thhe pplannt (oveen) temmperaaturre. Finnallly, it commes turre cconttroll thhe ttempperaaturre oof oovenn evven if theere hass diistuurb.Keywwordds: 1引言虚拟仪器器（LaabVIIEW），就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义虚拟面板，测控功能由软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统的控制面板，以多种形式表达输出结果，利用计算机强大的软件功能实现数据的运算、分析、处理和保存，利用IO接口设备完成信号采集、测量与控制。模糊控制制的基本本思想是是利用计计算机来来实现人人的控制制经验，而而这些经经验多是是用语言言表达的的具有相相当模糊糊性的控控制规则则。因为为引入了了人类的的逻辑思思维方式式，使得得模糊控控制器具具有一定定的自适适应控制制能力，有有很强的的鲁棒性性和稳定定性，因因而特别别适用于于没有精精确数学学模型的的实际系系统。本文将模模糊控制制的基本本思想应应用到基基于虚拟拟仪器的的温度控控制系统统中。通过过热电偶偶测量烤烤箱实际际温度，与与给定值值比较。当测量温度与设定温度之间存在较大的偏差(e6)时，定时器产生占空比较大的脉冲序列，全力加热。当系统温度与设定温度之间偏差小于6摄氏度，采用模糊控制算法。模糊控制器根据误差和误差变化率，经过模糊推理输出脉冲序列的占空比的大小,经过固态继电器控制烤箱电源得通断,从而实现对烤箱温度的控制。2系统组组成模糊控制器执行器AAAAAAAA电烤箱向热电偶给定值输出量图1 温温度控制制系统框框图2.1 硬件组组成传感器：热电偶偶；信号调理理电路： SCC-23345信信号调理理箱，SSCC-TC002热电电偶调理理模块；温度信号号采集：DAQQ多功能能数据采采集卡PPCI660144；执行器：DAQQ多功能能数据采采集卡上上的定时时/计数数器，固固态继电电器；对象：电电烤箱。2.2温温度测量量1数据采采集热电偶有有三个较较为突出出的优点点：其一一，测量量精度高高。因热热电偶直直接与被被测对象象接触，不不受中间间介质的的影响；其二，测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）；其三， 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。根据正、负负极用材材料的不不同，热热电偶分分为B、EE、J、KK、R、SS、T、YY型。采用用的是KK型热电电偶，其其正极为为镍铬合合金，负负极为镍镍硅合金金。与其其它类型型的热电电偶相比比，K型型热电偶偶的线性性较好，使使用方便便，因而而在工业业测量中中被广泛泛使用。而实际工工作中，热热电偶的的自由端端（冷端端）是在在室温下下，为了了得到正正确烤箱箱温度，在在查分度度表时，要要将室温温对应的的热电偶偶的热电电势考虑虑进去，这这就是冷冷端补偿偿。2信号调调理测温元件件热电偶偶产生的的是低电电压信号号，它需需要进一一步的放放大、过过滤以及及线性化化等处理理本文文采用SSCC-TC002热电电偶调理理模块，通过SCC-23345屏屏蔽盒与与数据采采集卡相相连。SCCC-TCC02热热电偶调调理模块块工作原原理图如如图2所所示。图2SSCC-TC002热电电偶调理理模块工工作原理理图SCC-TC002接受受三个信信号：TTC+ ，TCC- ，和和GNDD 。TTC+是是热电偶偶的正极极和TCC-是热热电偶负负极 。接接地端子子连接到到AIGGND的的E系列列DAQQ装置。热电偶冷端信号和传感器信号测量的分别由E系列数据采集设备从X和X+8通道获得，其中X为0到7取决于操作者插TC02在SCC-2345的哪个插槽。SCC-TC002热电电偶调理理模块的的工作电电路由两两部分组组成，一一部分与与热电偶偶连接，内内部具有有1000倍的放放大器和和滤波器器，将热热电势放放大，滤滤波；另另一部分分是用热热敏电组组测量室室温的电电路，用用公式算算出室温温，对热热电偶冷冷端补偿偿。3数据处处理利用Laabviiew程程序中多多通道数数据采集集子VII将检测端端数据和和冷端数数据两个个通道的的数据（第X通道和和X+88通道）采采集到数数组中，再经过IIndeex AArraay把数数组分离离开，然然后分别别处理。3.1 热电电偶检测测到的数数据处理理第X通道道采集上上来的数数据从数数组输出出并且取取平均值值（取平平均值是是为了消消除随机机误差），这这个数值值就是热热电偶此此时的电电压值，把把这个数数乘10000（因因为采集集上来的的电压信信号的单单位是伏伏特，而而K型热热电偶的的分度表表中的电电压是毫毫伏），然然后再除除1000，(因因为热电电偶调理理模块里里有一个个1000倍的放放大电路路)把结结果输入入到分段段子程序序中，进进行分段段子程序序处理。由于热电电偶的温温度与电电压的关关系是非非线性的的，为了了把它分分段线性性化，所所以就把把温度分分成若干干段，认认为在每每段里，温温度和电电压的关关系是线线性的，可可以用公公式算出出当时电电压所对对应的温温度值。分分段的依依据就是是K型热热电偶的的分度表表，见表表2.11表1：KK型热电电偶分度度表T（）0102030405060708090E（mVV）0.00000.39970.79981.20031.61122.02232.43372.85523.26673.6882T（）100110120130140150160170180190E（mVV）4.09974.50094.92205.32285.73356.13396.54406.94417.34407.7339T（）200210220230240250E（mVV）8.13388.53398.94409.34439.744710.1153热电偶测测温的部部分，将将检测到到的温度度以电压压值的方方式传到到计算机机，这就就需要把把电压值值转换成成温度，转转换成温温度才便便于观测测和显示示。以10为单位位，根据据分度表表（参见见下表11），分分出122个等分分的温度度段，然然后进行行分段线线性化，把把采集到到的电压压分段，在在每一段段内，采采用线性性插值的的方法计计算，利利用以下下公式：经过分段段子程序序进行处处理后，输输出的数数值是烤烤箱温度度相对室室温的差差值。热热电偶信信号处理理子程序序使用了了一个ccasee结构，见见图3：图3热电电偶信号号处理子子程序3.2 利用热热敏电阻阻测量室室温进行行冷端补补偿第X+88通道采采集上来来的数据据从数组组输出并并且取平平均值，把把这个数数值输入入到公式式子程序序中，经经过公式式子程序序进行处处理后，输输出的数数值就是是室温。热敏电阻阻的部分分，利用用冷端转转换模块块是根据据SCCC-TCC02说说明中所所给出的的公式：T（）=TK-2733.155RT是热热敏电阻阻的欧姆姆值通过公式式编辑器器，直接接输入公公式转换换得出温温度值。由于采用用的K型型热电偶偶的线性性度较好好，为了了程序的的简化，把把热电偶偶的温度度和室温温的差值值和室温温直接相相加，结结果就是是烤箱的的温度。4 模糊糊控制器器设计模糊控制制的实现现要经过过5个步步骤：4.1确确定模糊糊控制器器的输入入、输出出语言变变量系统误差差及其变变化率作作为模糊糊控制器器的输入入变量，以u作为输出变量作为模糊控制器输出，模糊控制器是双输入单输出型。4.2模模糊化。用模糊语语言变量量E、EEC、UU来描述述偏差、偏偏差变化化率及输输出。因因为烤箱箱不能进进行降温温的操作作，烤箱箱温度如如果大于于给定值值，只能能不加热热自然降降温，所所以只考考虑误差差为正情情况。把把6摄氏度度分为77个档，即：正很小，正小，正中小，正中，正中大，正大，正很大，记为E=PVS,PS，PMS, PM，PMB，PB，PVB7档，E的论域为0, +1, +2, +3,+4,+5,+6。同理：误差变化化率分成成7档，即：负大大，负中中，负小小，零，正小小，正中中，正大大的模模糊子集集为：EC=NB, NMM, NNS, ZO, PSS, PPM, PB，量化ECC的论域域为-3, -2, -11, 00, +1, +2, +33,输出变量量U也分为77个档，即：正很小，正小，正中小，正中，正中大，正大，正很大，记为U=PVS,PS，PMS, PM，PMB，PB，PVB7档，U的论域为0, +1, +2, +3,+4,+5,+6。量化因子分别为，则Ke=1，Kec=1，Ku =0.1。误差隶属度、误差的变化率隶属度和控制量隶属度分别如表2、表3和表4所示表2 误误差隶属属度 E变量0123456PVB0.40.71PB0.40.710.7PMB0.40.710.7PM0.40.710.7PMS 0.40.710.7PS0.710.7PVS10.7表3误差差的变化化率隶属属度E变量-3-2-10123PB0.10.40.81.0PM0.20.71.00.2PS0.51.00.5ZR0.51.00.5NS0.70.81.00.5NM0.81.00.70.5NB1.00.80.40.1表4 控控制变量量隶属度度 U变量0123456PVB0.40.71PB0.40.710.7PMB0.40.710.7PM0.40.710.7PMS 0.40.710.7PS0.710.7PVS10.74.3 形成模模糊规则则表系统的温温度达到到稳定，要要经过振振荡，超超调，回回调，反反复调试试，才能能做到。温温度达到到稳定的的过度过过程，可可以分为为四个阶阶段，如如图4：图4 系系统温度度响应曲线线0-阶段段：>00 <<0 表示的的物理意意义是：系统温温度未达达到给定定温度，系系统正在在升温，相相差大时时，占空空比应较较大，相相差小时时，占空空比减小小甚至为为0，考考虑系统统的滞后后，应提提前停止止加热。-阶段：<0 <00 表表示的物物理意义义是：系系统温度度超过到到给定温温度，系系统正在在升温，超超调，停停止加热热，占空空比为00。-阶段：<0 >00 表表示的物物理意义义是：系系统温度度超过到到给定温温度，系系统正在在降温，超超调，停停止加热热。-阶段：>0 >00 表表示的物物理意义义是：系系统温度度未达到到给定温温度，系系统正在在降温，应应该加热热，相差差大时占占空比大大。根据模糊糊变量的的赋值表表、模糊糊变量的的赋值表表、输出出变量uu的赋值值表和对对系统物物理意义义的分析析，为负负值的时时候，表表示的物物理意义义是正处处于升温温的过程程中；为为正值的的时候，表表示的物物理意义义是正处处于降温温的过程程中；为为零的时时候，表表示的物物理意义义是的温温度没有有变化。这这样可以以根据系系统当时时的温度度与给定定温度的的差值（）和系统正处于升、降温状态（）来确定此时此刻输出多大的占空比。控制决策表的规律不难得出.如表5所示表5 模模糊控制制规则表表 EEPVSPSPMSPMPMBPBPVBPBPVSPVSPVSPSPMSPMPMBPMPVSPVSPSPMSPMPMBPBPSPVSPSPMSPMPMBPBPVBZRPVSPSPMSPMPMBPBPVBNSPVSPMSPMPMPMBPBPVBNMPVSPMPMPMBPBPVBPVBNBPVSPMBPBPBPVBPVBPVB4.4 确定模模糊决策策表模糊控制制器采用用Mammdanni 推推理算法法, 最大大隶属度度法为解解模糊策策略得模糊控控制量查查询表，如如表6所所示。表6 模糊控控制量查查询表EUE0123456-30122344-20122344-10234455002345561034555620455566304556665温度控控制通过模糊糊控制输输出占空空比，控控制定时时器产生生占空比比可调脉冲冲序列，经经过固态态继电器器控制烤烤箱电源源得通断断，从而而实现对对烤箱温温度的控控制。温温度控制制响应曲曲线如图图5。6结论本文将模模糊控制制的基本本思想应应用到基基于虚拟拟仪器的的温度控控制系统统中。通过过热电偶偶测量烤烤箱实际际温度，与与给定值值比较。当测量温度与设定温度之间存在较大的偏差(e6)时，定时器产生占空比较大的脉冲序列，全力加热。当系统温度与设定温度之间偏差小于6摄氏度，采用模糊控制算法。模糊控制器根据误差和误差变化率，经过模糊推理输出脉冲序列的占空比的大小,经过固态继电器控制烤箱电源得通断,从而实现对烤箱温度的控制。