基于LabVIEW的灰水模糊控制系统的设计

1.引言

目前，我国火力发电厂除灰方式主要采用水力除灰。煤灰中含有的活性氧化钙等碱性物质与冲灰水接触后，会溶于水中造成灰水pH值升高超标，治理的方法普遍采用加酸中和。由于中和过程的严重非线性、时间延迟及非参数模型使得采用常规的控制技术如PID对pH值进行精密控制难以取得理想效果，而对于这种非线性、强耦合、时滞大、难以建立精确数学模型的系统，采用模糊控制的方式可以取得较好的效果[1]。

虚拟仪器是基于个人计算机的新一代虚拟测控仪器，它利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种表达形式输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、丈量与调理。LabVIEW是一个基于图形化编程的高效的专为科学家和工程师设计的虚拟仪器开发工具。这里以LabVIEW为开发平台，利用模糊逻辑工具箱快速、方便地设计出电厂灰水pH模糊控制系统。

2.工艺流程及控制原理

    系统采用工控机控制方式，将采集到的灰水pH2信号和流量信号送进工控机，工控机再根据所设定的pH值控制范围计算出所需加酸量，并将其转换为4～20mA的调节信号送给信号转换器，以控制电磁计量泵的转速，实现加酸量的调整，从而达到灰场排水pH2值合格的目的。工艺流程及控制原理见图1。

图1 系统工艺流程及控制原理

3.软件设计

工控机上运行虚拟仪器系统进行模糊控制，并显示监测灰水的瞬时流量和pH瞬时值。模糊控制器是整套系统的核心，下面重点先容基于LabVIEW平台的模糊控制器的设计过程。

3.1软件开发平台LabVIEW及其模糊逻辑工具箱

LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）开发的专为数据采集、仪器控制、数据分析与数据表达设计的图形化编程环境，面向测试工程师而非专业程序员，编程非常方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。

LabVIEW的模糊逻辑工具箱（Fuzzy Logic for G Toolkit）用于设计基于规则的模糊控制器[2]，主要应用领域为产业过程控制及专家系统。它由4个子VI组成：

①模糊逻辑控制器设计VI（Fuzzy Logic Controller Design VI）

它是一个在LabVIEW环境下独立运行的VI，由模糊隶属函数编辑器、模糊规则库编辑器和输进输出性能测试三部分组成。它提供了友好的人机交互界面，用户可以直观方便地设计各种满足不同要求的模糊逻辑控制器。通过该VI设计好的模糊控制器，保存于后缀名为fc格式的数据文件中，用以被控制系统调用。

②加载模糊控制器VI（Load Fuzzy Controller）

该VI作为一个图形功能模块应用于框图程序中，并同模糊控制器VI连接。在程序开始运行时，它将存于后缀名为fc的数据文件中的控制参数加载到模糊控制器VI中。

③模糊控制器VI（Fuzzy Controller）

该VI是模糊控制器在LabVIEW中的实现者。它应用于LabVIEW的框图程序中，读取模糊控制器参数后，输出相应的结果。每个控制器输进量最多为四个，输出量为一个。

④测试模糊控制器VI（Test Fuzzy Control）

主要用来测试模糊控制器的基本性能。

3.2 模糊控制器的设计

一个典型的模糊控制器的实现需要解决以下题目：（1）模糊化，即隶属度函数的设定，包括隶属度函数的个数、外形、位置分布、相互重叠程度等;（2）控制规则的确定;（3）模糊算法;（4）反模糊化[3]。

模糊控制器采用“二输进一输出”模式设计，输进变量为灰水pH2值检测值与合格灰水pH给定值的偏差e和偏差的变化率ec，输出变量为变频器频率的调整值u，对应的模糊语言分别为E、EC和U。输进输出变量的变化范围通过特定的映射规则映射到[-3，3]区间上，分属于模糊集合｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，7个模糊子集分别记为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB。隶属度函数采用常用的三角形函数，用模糊逻辑工具箱中的模糊隶属函数编辑器可以很方便的设置各个语言变量及其隶属函数。

总结工程职员的技术常识和实际操纵经验，并结合实验情况，整理出语言控制规则表，如表1所示。运用模糊规则库编辑器输进模糊控制规则，对于每一条规则的加权值都设置为缺省值1。整个模糊推理过程采用的是常用的Max-Min法，往模糊化的方法是重心法。

         　　表1 模糊语言控制规则表

3.3 模糊控制器的测试及仿真

LabVIEW是一个虚拟仪器的图形化开发平台，它提供了大量的输进输出仪器面板，以及各种函数和信号发生器，可以很方便地输进输出各种数据和产生不同的模拟信号，而且它还有附加的各类软件包，如磁盘治理、自动测试、控制与仿真、信号处理、图形获得与处理、数值分析工具等，可对真实系统进行仿真。也可利用模糊逻辑控制器设计VI的输进输出性能测试功能和测试模糊控制器VI，直观地观察不同偏差和偏差变化率所得到的输出是否达到所需要求，验证控制规则是否正确可靠，进而对模糊控制器进行修改和完善。测试完毕后将数据保存后缀名为fc格式的数据文件中。

3.4 系统的实现

将设计好的模糊控制器通过加载模糊控制器VI和模糊控制器VI应用于LabVIEW的框图程序中，并根据系统需要实现的功能设计相应的仪表控制前面板和后台框图程序，图2所示为主要框图程序。设计完成的系统具有友好的人机界面，通过曲线形象的显示pH和流量的实时状态，而且还具有查询历史数据，进行大量的数据存储，声光报警提醒，打印报表等功能，还可以利用LabVIEW将控制界面发布到网络上，实现远程监控。

图2 系统程序框图

4.结论

基于LabVIEW的灰水模糊控制系统充分利用了LabVIEW的开放性和图形化编程方式，发挥出了模糊控制鲁棒性强、动态响应好的特点，在实际应用中取得了较好的控制效果。LabVIEW是一种功能极为强大的虚拟仪器开发工具，以它为平台，可以方便、灵活的开发出功能强大、性能优良的控制系统。利用LabVIEW模糊逻辑工具箱设计的模糊控制器无须建立被控对象数学模型，对被控对象的时滞性、非线性和时变性具有一定的适应能力, 而且，设计过程非常方便快捷，能快速地应用到基于LabVIEW开发的各种产业过程控制及自动化软件中，为高效率开发模糊控制系统提供了新的途径。

         参考文献

         　　[1]肖丙雁.模糊控制机理在处理宝钢电厂冲灰水上的应用[J].宝钢技术，2002，2：44-46.

         　　[2]Fuzzy Logic for G Toolkit Reference Manual[EB].National Instruments, 1997.

         　　[3]张建民，王涛，王忠礼等.智能控制原理及应用[M].北京：冶金产业出版社，2003.