基于LabVIEW的灰水模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.引言

目前，我國(guó)火力發(fā)電廠除灰方式主要采用水力除灰。煤灰中含有的活性氧化鈣等堿性物質(zhì)與沖灰水接觸后，會(huì)溶于水中造成灰水pH值升高超標(biāo)，治理的方法普遍采用加酸中和。由于中和過(guò)程的嚴(yán)重非線性、時(shí)間延遲及非參數(shù)模型使得采用常規(guī)的控制技術(shù)如PID對(duì)pH值進(jìn)行精密控制難以取得理想效果，而對(duì)于這種非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)滯大、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，采用模糊控制的方式可以取得較好的效果[1]。

虛擬儀器是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的新一代虛擬測(cè)控儀器，它利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種表達(dá)形式輸出檢測(cè)結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，由I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、丈量與調(diào)理。LabVIEW是一個(gè)基于圖形化編程的高效的專為科學(xué)家和工程師設(shè)計(jì)的虛擬儀器開發(fā)工具。這里以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，利用模糊邏輯工具箱快速、方便地設(shè)計(jì)出電廠灰水pH模糊控制系統(tǒng)。

2.工藝流程及控制原理

系統(tǒng)采用工控機(jī)控制方式，將采集到的灰水pH2信號(hào)和流量信號(hào)送進(jìn)工控機(jī)，工控機(jī)再根據(jù)所設(shè)定的pH值控制范圍計(jì)算出所需加酸量，并將其轉(zhuǎn)換為4～20mA的調(diào)節(jié)信號(hào)送給信號(hào)轉(zhuǎn)換器，以控制電磁計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)加酸量的調(diào)整，從而達(dá)到灰場(chǎng)排水pH2值合格的目的。工藝流程及控制原理見圖1。

圖1系統(tǒng)工藝流程及控制原理

3.軟件設(shè)計(jì)

工控機(jī)上運(yùn)行虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行模糊控制，并顯示監(jiān)測(cè)灰水的瞬時(shí)流量和pH瞬時(shí)值。模糊控制器是整套系統(tǒng)的核心，下面重點(diǎn)先容基于LabVIEW平臺(tái)的模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.1軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW及其模糊邏輯工具箱

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）開發(fā)的專為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)表達(dá)設(shè)計(jì)的圖形化編程環(huán)境，面向測(cè)試工程師而非專業(yè)程序員，編程非常方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。

LabVIEW的模糊邏輯工具箱（FuzzyLogicforGToolkit）用于設(shè)計(jì)基于規(guī)則的模糊控制器[2]，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楫a(chǎn)業(yè)過(guò)程控制及專家系統(tǒng)。它由4個(gè)子VI組成：

①模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)VI（FuzzyLogicControllerDesignVI）

它是一個(gè)在LabVIEW環(huán)境下獨(dú)立運(yùn)行的VI，由模糊隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則庫(kù)編輯器和輸進(jìn)輸出性能測(cè)試三部分組成。它提供了友好的人機(jī)交互界面，用戶可以直觀方便地設(shè)計(jì)各種滿足不同要求的模糊邏輯控制器。通過(guò)該VI設(shè)計(jì)好的模糊控制器，保存于后綴名為fc格式的數(shù)據(jù)文件中，用以被控制系統(tǒng)調(diào)用。

②加載模糊控制器VI（LoadFuzzyController）

該VI作為一個(gè)圖形功能模塊應(yīng)用于框圖程序中，并同模糊控制器VI連接。在程序開始運(yùn)行時(shí)，它將存于后綴名為fc的數(shù)據(jù)文件中的控制參數(shù)加載到模糊控制器VI中。

③模糊控制器VI（FuzzyController）

該VI是模糊控制器在LabVIEW中的實(shí)現(xiàn)者。它應(yīng)用于LabVIEW的框圖程序中，讀取模糊控制器參數(shù)后，輸出相應(yīng)的結(jié)果。每個(gè)控制器輸進(jìn)量最多為四個(gè)，輸出量為一個(gè)。

④測(cè)試模糊控制器VI（TestFuzzyControl）

主要用來(lái)測(cè)試模糊控制器的基本性能。

3.2模糊控制器的設(shè)計(jì)

一個(gè)典型的模糊控制器的實(shí)現(xiàn)需要解決以下題目：（1）模糊化，即隸屬度函數(shù)的設(shè)定，包括隸屬度函數(shù)的個(gè)數(shù)、外形、位置分布、相互重疊程度等;（2）控制規(guī)則的確定;（3）模糊算法;（4）反模糊化[3]。

模糊控制器采用“二輸進(jìn)一輸出”模式設(shè)計(jì)，輸進(jìn)變量為灰水pH2值檢測(cè)值與合格灰水pH給定值的偏差e和偏差的變化率ec，輸出變量為變頻器頻率的調(diào)整值u，對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言分別為E、EC和U。輸進(jìn)輸出變量的變化范圍通過(guò)特定的映射規(guī)則映射到[-3，3]區(qū)間上，分屬于模糊集合｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，7個(gè)模糊子集分別記為NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB。隸屬度函數(shù)采用常用的三角形函數(shù)，用模糊邏輯工具箱中的模糊隸屬函數(shù)編輯器可以很方便的設(shè)置各個(gè)語(yǔ)言變量及其隸屬函數(shù)。

總結(jié)工程職員的技術(shù)常識(shí)和實(shí)際操縱經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況，整理出語(yǔ)言控制規(guī)則表，如表1所示。運(yùn)用模糊規(guī)則庫(kù)編輯器輸進(jìn)模糊控制規(guī)則，對(duì)于每一條規(guī)則的加權(quán)值都設(shè)置為缺省值1。整個(gè)模糊推理過(guò)程采用的是常用的Max-Min法，往模糊化的方法是重心法。

　　表1模糊語(yǔ)言控制規(guī)則表

3.3模糊控制器的測(cè)試及仿真

LabVIEW是一個(gè)虛擬儀器的圖形化開發(fā)平臺(tái)，它提供了大量的輸進(jìn)輸出儀器面板，以及各種函數(shù)和信號(hào)發(fā)生器，可以很方便地輸進(jìn)輸出各種數(shù)據(jù)和產(chǎn)生不同的模擬信號(hào)，而且它還有附加的各類軟件包，如磁盤治理、自動(dòng)測(cè)試、控制與仿真、信號(hào)處理、圖形獲得與處理、數(shù)值分析工具等，可對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。也可利用模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)VI的輸進(jìn)輸出性能測(cè)試功能和測(cè)試模糊控制器VI，直觀地觀察不同偏差和偏差變化率所得到的輸出是否達(dá)到所需要求，驗(yàn)證控制規(guī)則是否正確可靠，進(jìn)而對(duì)模糊控制器進(jìn)行修改和完善。測(cè)試完畢后將數(shù)據(jù)保存后綴名為fc格式的數(shù)據(jù)文件中。

3.4系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

將設(shè)計(jì)好的模糊控制器通過(guò)加載模糊控制器VI和模糊控制器VI應(yīng)用于LabVIEW的框圖程序中，并根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的儀表控制前面板和后臺(tái)框圖程序，圖2所示為主要框圖程序。設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，通過(guò)曲線形象的顯示pH和流量的實(shí)時(shí)狀態(tài)，而且還具有查詢歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，聲光報(bào)警提醒，打印報(bào)表等功能，還可以利用LabVIEW將控制界面發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2系統(tǒng)程序框圖

4.結(jié)論

基于LabVIEW的灰水模糊控制系統(tǒng)充分利用了LabVIEW的開放性和圖形化編程方式，發(fā)揮出了模糊控制魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的控制效果。LabVIEW是一種功能極為強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)工具，以它為平臺(tái)，可以方便、靈活的開發(fā)出功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)。利用LabVIEW模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)的模糊控制器無(wú)須建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯性、非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力,而且，設(shè)計(jì)過(guò)程非常方便快捷，能快速地應(yīng)用到基于LabVIEW開發(fā)的各種產(chǎn)業(yè)過(guò)程控制及自動(dòng)化軟件中，為高效率開發(fā)模糊控制系統(tǒng)提供了新的途徑。

參考文獻(xiàn)

　　[1]肖丙雁.模糊控制機(jī)理在處理寶鋼電廠沖灰水上的應(yīng)用[J].寶鋼技術(shù)，2002，2：44-46.

　　[2]FuzzyLogicforGToolkitReferenceManual[EB].NationalInstruments,1997.

　　[3]張建民，王濤，王忠禮等.智能控制原理及應(yīng)用[M].北京：冶金產(chǎn)業(yè)出版社，2003.