【正文】 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 37 圖 模糊 控制邏輯測試 界面 如圖 ， 在模糊控制器里一個 （ E， EC） 組合輸入只 產(chǎn)生一個 U 的 輸出 ， 在測試過程中注意： E 的 輸入開關(guān) 只 能有一個 處于 打開狀態(tài)，其他關(guān)閉，因為在溫度控制系統(tǒng)運行時在同一個循環(huán)內(nèi) 只會。 在模糊控制器 的 輸出由 7 個 條件結(jié)構(gòu)控制 U的 7 個 論域輸出，在 7 個 條件 結(jié)構(gòu) 中設(shè)置真常量，7 分 真常量連接到 7 個 布爾燈上。 圖 模糊 控制器 復(fù)雜程序 在 測試 模糊 控制器邏輯時省略模糊化 接口 程序，直接在前面板中設(shè)置 7*7 的 布爾開關(guān)控制， 模糊 控制器中 E 和 EC 的 論域判斷 相應(yīng) 的條件結(jié)構(gòu)。為了 達到 仿真的效果，加上 4 個 隨機數(shù) 函數(shù) 制造 模擬 溫度采集時 同一 測點溫度值的波動情況 ， 使得在仿真時波形圖表的顯示更加真實。 圖 溫度 值仿真輸入 如果 要模擬環(huán)境溫度的升高，通過調(diào)節(jié) 4 個 溫度測點使得 程序計算 的均值升高，這樣要同時調(diào)節(jié) 4 個 旋鈕，操作 不方便 。所以 對 實驗系統(tǒng)進行 仿真 設(shè)計， 在 確定外圍設(shè)備能正常工作 后 ，去除外圍設(shè)備，從 程序 的角度 測試 溫度控制系統(tǒng)的邏輯。 使用“ 寫入電子表格 ” VI來 實現(xiàn)存儲功能 ， 該 VI 的 輸入有文件路徑和存儲內(nèi)容，存儲內(nèi)容包含時間、溫度均值和 超限 情況字符串，將三種存儲的內(nèi)容用 格式化 值 函數(shù)格式化成 字符串?dāng)?shù)據(jù)，再使用創(chuàng)建數(shù)組 函數(shù) 將三種不同 的 內(nèi)容組合成一個 數(shù)組 再輸入到寫入電子表格 VI的二維數(shù)組 輸入端口。正常情況下該程序處于 待機 狀態(tài)。 圖 溫度 均值存儲程序 （ 2） 溫度 均值超限信息存儲，這個功能 不僅 要存儲 數(shù)值 類型的數(shù)據(jù)，還有表達當(dāng)前 發(fā)生超溫的情況 ， 所以使用如圖 所示 程序。 （ 1）實時 溫度數(shù)據(jù)存儲，在 系統(tǒng) 運行中將系統(tǒng)采集和分析后的每個溫度均值進行存儲 ，以 excel 表格的形式 存儲 。如圖 所示 ，與輸出控制相同的原理 使用 條件 結(jié)構(gòu)、 仿真信號和 DAQ 助手來 控制 NI Elvis面板 上的相應(yīng)端口輸出電壓驅(qū)動蜂鳴器 ， 仿真信號 固定 為 5V的 直流信號。 與 測點故障警報 一樣 ， 溫度 均值超限警報也有布爾警示燈的顯示，還有 字符串 顯示功能。 即使 同時發(fā)生 多處 故障，測點異常顯示的字符串顯示控件上 會 將所有的故障 測點 和故障 類型 以文字信息的形式顯示。 如圖 所示 ，在前面板 還 放置了一個測點 異常 顯示的字符串顯示控件，當(dāng)測點發(fā)生故障時，該顯示控件會以文字信息顯示對應(yīng)測點的異常情況。 （ 1） 測點 故障 警報 ，在 上述 溫度數(shù)據(jù) 分析中 的 均值計算中已經(jīng)闡述了測點故障的判斷。 由清晰化 輸出 u 來控制仿真信號產(chǎn)生電壓為 u 的直流 信號 ，直流信號輸入到 DAQ助手 中， DAQ 助手 會控制 NI Elvis 實驗板 上的相應(yīng)端口 產(chǎn)生 電壓 為 u 的直流信號，從而 對 風(fēng)扇和發(fā)熱電阻實現(xiàn)電壓為 u 的 直流 供電 。 如圖 所示 ， 設(shè)置 兩個條件結(jié)構(gòu) 分別 控制兩種溫控設(shè)備， 在 條件 結(jié)構(gòu)真 條件框里設(shè)置一個仿真信號發(fā)生器，設(shè)置仿真信號為直流，將 清晰化 后的控制器輸出 u 連接 到對應(yīng)的仿真信號的 偏移量 端口。 在 前面板中還設(shè)置有 兩個數(shù)值顯示控件，其分別顯示對應(yīng)的設(shè)備的供電電壓， 以此 確定 相應(yīng) 溫控設(shè)備的工作 載荷狀態(tài) 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 30 圖 模糊控制 結(jié)果輸出程序 輸出控制 如圖 經(jīng)過 模糊控制 器的 模糊推理， 得到 的結(jié)果控制相應(yīng)的 U 的 輸出值， 再經(jīng)過輸出清晰化運算得到升溫設(shè)備和降溫設(shè)備對應(yīng)的供電電壓值。不同的是其比例因子 Ku 為 3。 便得到模糊控制器的 u 輸出也就是風(fēng)扇驅(qū)動電壓值。所以在程序中 u 的輸出應(yīng)設(shè)置為 {0， 3， 6， 9}，那么比例因子 Ku 為 3。 （ 4）輸出清晰化，通過比例因子 Ku 將 U 對應(yīng)的 7 個數(shù)值轉(zhuǎn)換成實際 u 的輸出。 7 個“或”函數(shù)的輸出連接到 7 個對應(yīng)的條件結(jié)構(gòu)，這里的 7 個條件結(jié)構(gòu)控制U的輸出，在條件結(jié)構(gòu)里分別放置 7 個真常量，而且還分別放置了對應(yīng)的輸出量（ 3，2， 1， 0， 1， 2， 3） 7 個不同的 DBL 常量值。 49 個可能結(jié)果中，每個結(jié)果對應(yīng)的 U的論域 {3， 2， 1， 0， 1， 2， 3}中的其中一個。綜上所述，從誤差 e上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 29 和誤差變化率 ec 的輸入到最后會控制 49 個條件結(jié)構(gòu)的其中一個，從而 49 個真常量中有且僅有一個真常量 能夠輸出。那么兩組論域判斷程序各 7 種可能情況，結(jié)合起來，對于 E 和 EC 的輸入就有 49 種可能情況。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 28 圖 E 和 EC 所屬 論域判斷程序 在兩組論域判斷的條件結(jié)構(gòu)中 的真條件框里都分別放置一個真常量。 其余的 5 個論域都是進行相等比較，其比較結(jié)果分別控制五個條件結(jié)構(gòu)。所以要設(shè)計程序，當(dāng)誤差取整后的數(shù)值大于 3 時將其歸入論域 3 中，相同道理 誤差取整后的數(shù)值小于 3 時將其歸入論域 3。 使用最近取整函數(shù)對誤差進行取整運算 ， 經(jīng)過取整函數(shù)的運算輸出分別與 3， 2，1， 0， 1， 2， 3 六個整數(shù)進行相等比較 ， 比較的結(jié)果分別控制六個條件結(jié)構(gòu) 。在模糊查詢 表中 E 被分成 {3， 2， 1， 0， 1， 2， 3}六個論域，在程序中首先要判斷輸入 E 屬于哪個論域。然后根據(jù)模糊查詢表的規(guī)則設(shè)計模糊規(guī)則運算器。該部分程序框圖如圖 所示。誤差變化率的數(shù)值也要在前面板標(biāo)簽為“誤差變化率”的數(shù)值顯 示控件中顯示。在程序中將均值減去期望溫度值，其得數(shù)在前面板標(biāo)簽為“ 誤差 ” 的數(shù)值顯示控件顯示。所以在前面板調(diào)用一個旋鈕數(shù)值輸入控件，設(shè)置其改變范圍為 0~40。 圖 溫度 最大值 所在 測點判斷程序 （ 4）最大值與最小值的差，在最大值與最小值運算的程序中已經(jīng)得出 4 個測點溫度值的最大值與最小值，設(shè)計程序?qū)⒌玫降淖钪到Y(jié)果進行相減就可以得到 4 個測點的不同溫度數(shù)據(jù)的最值差了，同樣在前面板使用數(shù)值顯示控件顯示。每種情況會單獨發(fā)生，使用連接字符串函數(shù)將 8 個情況對應(yīng)的字符串常量連接起來 ， 在前面板的字符串顯示控件中顯示 。在最后一級的判斷條件結(jié)構(gòu)中放置相應(yīng)的字符串常量。 如圖 所示，在程序中使用“ 冒泡法 ” 的語言編程原理，將多個條件結(jié)構(gòu)嵌套形成一個多級別的判斷程序。 最值所在測點程序設(shè)計 ， 盡管我們能直觀的比較 4 個測點的溫度數(shù)據(jù)，在很短的時間內(nèi)知道哪個測點的溫度相對高點或地點。 如圖 所示。由上一步可以得到 2 個最大值和 2 個最小值，然后最大值和最大值；最小值和最小值之間再進行比較。所以程序中使用了 4 個最值比較函數(shù)。 使用 ， 最大值和最小值比較函數(shù) 。 （ 2）各個測定溫度值與均值的差值計算，把每個測點采集到的溫度值分別減去均值，在前面板的相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示控件中顯示出來。 均值 計算程序 如圖 所示 。 如圖 所示，當(dāng)判斷某測點發(fā)生故障后，在對應(yīng)的條件結(jié)構(gòu)里的真常量將會輸出到均值運算模塊里的對應(yīng)的條件結(jié)構(gòu)，當(dāng)該條件結(jié)構(gòu)接收到對應(yīng)的真常量信號，將在對應(yīng)測定采集到的溫度值隔離使其輸出為零，并且將用來加法運算得 到被除數(shù)的常量 1 也隔離。 如圖 所示，一共有 8 個比較函數(shù)和 8 個條件結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng) 4 個溫度傳感器測點的 8 種可能故障情況，每個測點有兩種情況。用戶可以根據(jù)旋鈕選擇 溫度異常的界限來判定溫度傳感器電路是否故障。 在前面板中設(shè)置兩個數(shù)值輸入旋鈕 控件 ， 設(shè)置標(biāo)簽分別為 “異常上限”，“異常下限”。由于在均值計算的過程中涉及到測點所在溫度傳感器電路故障的情 況，所以 該部分內(nèi)容包括測點故障判斷及錯誤數(shù)據(jù)隔離程序設(shè)計。 溫度 采集的信息在前面板的顯示如圖 所示 。盡管輸出信號為以攝氏度為單位的溫度數(shù)值信號，但是其數(shù)據(jù)類型不能用于運算，要用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具“ DBL”將其分別轉(zhuǎn)換為雙精度浮點數(shù)信號。由于 DAQ 輸出的單線信號包含的 4 個溫度信息不同要將其分開來 。 圖 為 DAQ 的程序框圖，圖 為 DAQ 采集程序參數(shù)設(shè)置。單擊“確定”。 在“通道設(shè)置”中選擇添加新的通道。在支持的物理通道列表中選擇儀器與信號連接的物理通道“ ai1”上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 21 并單擊“完成”。選擇“采集信號”，在子菜單中選擇“模擬輸入”。 只要調(diào)用 DAQ 助手函數(shù)并設(shè)置該函數(shù)的參數(shù)就可以得到單位為攝氏度的溫度值。當(dāng)溫度超過設(shè)置的警報值時，系統(tǒng)輸出 5V 電壓驅(qū)動蜂鳴器 。 最為外圍的聲音警報裝置 ， 選用的 是 NI 試驗室中的蜂鳴器拾音器電路模塊。從模糊控制器得到的輸出 U的論域中的負數(shù)部分 {3， 2， 1， 0}對應(yīng)的是發(fā)熱電阻的供電電壓 {9V， 6V， 3V， 0V}。通過系統(tǒng)編程，將輸出 U 的變化轉(zhuǎn)換為風(fēng)扇電壓的變化，從而改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，達到不同降溫效果。 風(fēng)扇、發(fā)熱電阻、蜂鳴器 在試驗系統(tǒng)中選用 12V的直流電腦風(fēng)扇作為降溫裝置 ， 通過控制直流風(fēng)扇的供電電壓可以控制其轉(zhuǎn)速 。 計算機為普通的臺式機，其主板上有 PCI 插槽。 模擬和數(shù)字觸發(fā)； NIMCal校準(zhǔn)技術(shù)提高了測量精度； 采用高精度 M系列提高測量精度、分辨率和敏感度。； 32位計數(shù)器。 表 PCI6251介紹 項目 內(nèi)容 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 20 參數(shù) 16 位分辨率， 1 MS/s (多通道 ), MS/s (單通道 ), 16 路模擬輸入， +10V。也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。 NI ELVIS 專為教學(xué)目的而設(shè)計，在單個緊湊的組成結(jié)構(gòu)中集成了多種常用的儀器。實驗?zāi)K中還帶有集成的信號放大器， P16 端口的信號經(jīng)信號放大器 ，從 P18 端口輸出測量信號。 圖 熱敏電阻電路實驗?zāi)K 熱敏電阻電路實驗?zāi)K 中， P15 端口接 +5V， P17 端口接地 ， 形成的 +5V 電源供電作為外部激勵電壓 。這種材料的導(dǎo)電機理是相當(dāng)復(fù)雜的。他的各種用途都是基于這種特性。 NTC（負溫度系數(shù)）熱敏電阻是一種熱敏性半導(dǎo)體電阻器，其電阻值隨著溫度的升高而下降，電阻溫度系數(shù)在 2%/k~6%/k 范圍內(nèi)，約為金屬電阻溫度系數(shù)的 10倍。 系統(tǒng) 實驗設(shè)備 熱敏電阻電路 在該溫度控制系統(tǒng)的試驗中使用的溫度傳感器為 NTC熱敏電阻。由于該設(shè)計沒有針對特定應(yīng)用，所以沒有強調(diào)特定的外圍設(shè)備。 表 模糊查詢表 U EC 3 2 1 0 1 2 3 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 LabVIEW 的溫度控制系統(tǒng)研究 18 E 3 3 3 3 3 2 0 0 2 3 3 3 3 2 0 0 1 2 2 2 2 0 1 1 0 2 2 1 0 1 2 2 1 1 1 0 2 2 2 2 2 0 0 2 3 3 3 3 3 0 0 2 3 3 3 3 模糊控制器的工作過程： 模糊控制器每次運算都會更新新的輸入數(shù)據(jù)誤差 e 和誤差變化率 ec； 把 e 和 ec 轉(zhuǎn)換為 E 和 EC 從而進行邏輯推理； E 和 EC 為語言值，要將其轉(zhuǎn)換為整數(shù)值； 模糊控制器根據(jù)模糊查詢表進行模糊推理得到模糊輸出量 U的有限整數(shù)； 模糊控制器的輸出 U也是語言值，被控對象接受到的是實際的控制量 u，要將 U轉(zhuǎn)換為 u。 其規(guī)則庫矩陣表如表 所示。 規(guī)則庫的生成沒有沒有明確的推導(dǎo)公式 ，都是 使用長期以來從事該方面的研究經(jīng)驗從而確定其規(guī)則 。應(yīng)用自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法對控制過程的樣本數(shù)據(jù)進行分析和聚類，生成和在線優(yōu)化較完善的控制規(guī)則。這種方法通過用模糊語言描述被控過程的輸入輸出關(guān)系來得到過程的模糊模型，進而根據(jù)這種關(guān)系來得到控制器的控制規(guī)則。這種方法通過對控制專家的經(jīng)驗進行總結(jié)描述來生成特定領(lǐng)域的控制規(guī)則原型，經(jīng)過反復(fù)的試驗和修正形成最終的規(guī)則庫。 規(guī)則庫 模糊控制規(guī)則就是根據(jù) E 和 EC 的輸入確定相應(yīng)的 U 的輸出，在規(guī)則庫里 E 和EC 的組合對應(yīng)一個確定的 U，不同的 E 和 EC 組合所對應(yīng)的 U 可能相同， 規(guī)則庫可以用矩陣表的形式表達。 檔級少 ， 控制邏輯簡單 ， 控制過程 中可能會出現(xiàn)振蕩或超調(diào) ， 控制精度不高 ，但是其控制器的搭建方便簡單明了。 可以將 E、 EC 和 U 劃分為 {“正大（ PB）”，“正中（ PM）”，“正?。?PS）”，“零（ ZO）”，“負?。?NS）”，“負中（ NM）”，“負大（ NB）”