1 引言

　　傳統(tǒng)的PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高，制造技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的控制中。但它主要適用于控制具有確切模型的線性過程，而對于具有非線性、大滯后和時變不確定的系統(tǒng)，則無法達(dá)到理想的控制效果。人工智能的興起和快速發(fā)展為控制領(lǐng)域提供了全新的方法。模糊控制是人工智能控制的一個重要分支，它是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識存入計(jì)算機(jī)知識庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理決定系統(tǒng)控制量的大小。將模糊理論與PID控制策略相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)在線自適應(yīng)調(diào)整，使系統(tǒng)既具有模糊控制的靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。模糊控制器是當(dāng)前控制領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)之一，其研發(fā)的方法不盡相同。本文闡述了利用LabVIEW與MATLAB混合編程技術(shù)將MATLAB中的模糊邏輯工具箱（FIS Toolbox）與LabVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件集成，研制出模糊參數(shù)自整定PID虛擬控制器，并實(shí)現(xiàn)了對非線性系統(tǒng)的實(shí)時測控。

2 Fuzzy-PID控制策略

　　模糊參數(shù)自整定PID控制器以系統(tǒng)偏差E和偏差變化EC作為輸入，可以滿足不同時刻的E和EC對PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改，便可構(gòu)成模糊參數(shù)自整定PID控制系統(tǒng)（以下稱Fuzzy-PID控制系統(tǒng)），其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3 控制器設(shè)計(jì)

　　模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，并組建一個推理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)模糊規(guī)則。

3.1 模糊規(guī)則表的建立

              
3.2 FIS 推理結(jié)構(gòu)的編輯

　　在MATLAB中，對于FIS結(jié)構(gòu)的編輯方法有兩種，一種是直接編程，另外一種是利用FIS編輯器。本文采用FIS編輯器與Simulink相結(jié)合的方法。
　　
　　在MATLAB命令窗口中輸入Fuzzy，打開基本FIS編輯器，編輯步驟如下：

3.4 模糊控制器的設(shè)計(jì)

　　LabVIEW與MATLAB在應(yīng)用領(lǐng)域方面?zhèn)戎攸c(diǎn)不同，各有優(yōu)勢領(lǐng)域。因此，在工程中利用兩者間的混合編程優(yōu)勢互補(bǔ)，對于開發(fā)功能更為強(qiáng)大的智能化虛擬儀器具有巨大的推動作用。本文利用LabVIEW內(nèi)部集成的MATLAB Script Node實(shí)現(xiàn)兩者混合編程，完成模糊參數(shù)自整定PID的設(shè)計(jì)，控制器的設(shè)計(jì)程序如圖5所示。

 
　　Fuzzy-PID的程序框圖由一個while循環(huán)組成，在while循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)手自動切換、偏差處理、參數(shù)調(diào)整、控制器初始化、調(diào)用模型動態(tài)鏈接庫文件等功能。這個while循環(huán)每次被調(diào)用時只執(zhí)行一次。這里使用循環(huán)的目的是利用while循環(huán)的移位寄存器來保存數(shù)據(jù)。移位寄存器可用于將上一次循環(huán)的值傳遞至下一次循環(huán)，因此可以借助移位寄存器記錄程序的運(yùn)行狀態(tài)和中間結(jié)果，它們在程序再次被調(diào)用時將被用到。上圖中的移位寄存器第一個作為手動輸出的保持器保持保存手動輸出值，第二個寄存器記錄控制器的運(yùn)行狀態(tài)。兩個結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)控制器的手自動無擾動切換。

4 控制器的應(yīng)用

　　為了檢驗(yàn)Fuzzy-PID控制器的實(shí)際控制效果，本文以北京華晟A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的非線性液位過程作為被控對象，用研華公司生產(chǎn)的ADAM4000 I/O模塊將所設(shè)計(jì)的控制器與被控對象連接，構(gòu)成了具有模糊自整定PID參數(shù)的控制系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)在受到干擾作用時的控制品質(zhì)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)進(jìn)行比較。兩系統(tǒng)的控制效果如圖6所示。

　　由圖6可見，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定值或干擾發(fā)生較大的階躍變化時，F(xiàn)uzzy-PID控制系統(tǒng)的抗干擾能力、跟蹤效果、控制品質(zhì)明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制。

5 結(jié)論

　　在MATLAB環(huán)境下，使用模糊邏輯工具箱（FIS）搭建虛擬控制器的Fuzzy-PID算法，利用LabVIEW來設(shè)計(jì)人機(jī)界面、信號采集、數(shù)據(jù)處理與存儲等工程應(yīng)用中所需的其他功能，并通過運(yùn)用LabVIEW內(nèi)部所集成的“MATLAB Script Node”將LabVIEW與MATLAB混合編程，實(shí)現(xiàn)上述兩部分設(shè)計(jì)的集成，完成模糊自整定PID參數(shù)控制器的整機(jī)設(shè)計(jì)。Fuzzy-PID控制系統(tǒng)的實(shí)控結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的虛擬控制器對非線性特性較為嚴(yán)重的被控對象的控制，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力和魯棒性，其控制品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制器。