劉成林

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

Labview在智能控制教學(xué)中的應(yīng)用*

劉成林

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

闡述智能控制課程的教學(xué)內(nèi)容，指出存在問(wèn)題。結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，旨在提高本科生關(guān)于復(fù)雜工程問(wèn)題的分析與解決能力，文章以示例法展示了Labview軟件在智能控制課程實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用。

智能控制；Labview軟件；PID控制器

一、概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，以及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能控制得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注與研究，并取得了非常廣泛的應(yīng)用[1]。隨著對(duì)本科和研究生教育的越來(lái)越高，自動(dòng)化類專業(yè)的本科或研究生階段都在培養(yǎng)計(jì)劃中增加了智能控制課程，而且本科智能控制課程教學(xué)收到了許多高校的重視。智能控制基礎(chǔ)課程是在學(xué)生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理和現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)控制理論課程之后開(kāi)設(shè)的，是對(duì)控制理論知識(shí)的進(jìn)一步提升。智能控制課程重點(diǎn)內(nèi)容包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及遺傳算法，其特點(diǎn)是：內(nèi)容豐富、交叉性強(qiáng)，概念抽象，對(duì)于本科生的教學(xué)要求為：掌握模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)應(yīng)用。作為一門(mén)基礎(chǔ)理論課程，智能控制課程的教學(xué)改革研究也引起了許多教師的關(guān)注[1-5]。

美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的Labview軟件使用圖形進(jìn)行編程，分為前面板與程序框圖兩部分，其包含的豐富的函數(shù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、顯示等，所以在信號(hào)采集、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)處理、以及自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[6]。相對(duì)于比較普及的Matlab仿真軟件[4，5]，Labview的前面板可以更形象化展示對(duì)象的特性，對(duì)控制理論的驗(yàn)證與仿真實(shí)驗(yàn)更具有虛擬仿真效果[7，8]。結(jié)合智能控制課程的特點(diǎn)，可以采用Labview設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，可以提高實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可視性、生動(dòng)性，可以采取學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)、或教師演示實(shí)驗(yàn)，均可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、改善教學(xué)效果。

文章根據(jù)作者在本科《智能控制基礎(chǔ)》課程中的教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容與存在問(wèn)題出發(fā)，對(duì)該門(mén)課程的進(jìn)行深入分析，缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對(duì)照2015版的工程教育認(rèn)證[9]，本科生的智能控制課程教學(xué)更加缺少培養(yǎng)復(fù)雜工程問(wèn)題的分析與解決能力問(wèn)題。通過(guò)利用Labview仿真軟件設(shè)計(jì)模糊PID控制器，展示了虛擬仿真軟件在智能控制中的應(yīng)用，可以推廣到學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練和教師課堂中，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與教學(xué)效果。

二、智能控制的教學(xué)內(nèi)容及存在問(wèn)題

智能控制是一門(mén)多元交叉學(xué)科，涵蓋人工智能、自動(dòng)控制、運(yùn)籌學(xué)等等。作為自動(dòng)化類本科生，在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)控制理論、計(jì)算機(jī)控制原理等基礎(chǔ)專業(yè)課程之后，學(xué)習(xí)智能控制課程，可以進(jìn)一步掌握先進(jìn)控制理論，主要學(xué)習(xí)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法三部分內(nèi)容。

（一）教學(xué)內(nèi)容

模糊控制是基于模糊集合、模糊關(guān)系、模糊推理的一種智能控制技術(shù)。模糊控制器是一個(gè)模糊推理系統(tǒng)，整體表現(xiàn)為一個(gè)非線性函數(shù)，通常由四部分組成：（1）模糊化，將精確輸入量轉(zhuǎn)換為模糊集合，即輸入量的模糊語(yǔ)言取值和相應(yīng)的隸屬度函數(shù)；（2）規(guī)則庫(kù)，根據(jù)被控對(duì)象的特性和已有的控制經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則庫(kù)（if-then-），確保完整性、一致性、交互性；（3）模糊推理，集結(jié)模糊規(guī)則庫(kù)，將輸入模糊集合映射出輸出模糊集合；（4）去模糊化，將輸出模糊集合轉(zhuǎn)換為精確輸出。在控制系統(tǒng)中，除了作為一個(gè)控制器外，模糊控制器也通常作為參數(shù)自調(diào)整器，可以實(shí)現(xiàn)非常好的控制效果。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由簡(jiǎn)單處理單元構(gòu)成的規(guī)模宏大的分布式并行處理器，從結(jié)構(gòu)和功能上模仿人類腦神經(jīng)系統(tǒng)，具有并行性和非線性等特點(diǎn)，能夠存儲(chǔ)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、并使之可用，具有自學(xué)習(xí)、任意函數(shù)逼近器、模式分類等功能。典型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括：感知器、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小腦模型連接控制器、Hopfield網(wǎng)路、柯西網(wǎng)絡(luò)等。將神經(jīng)網(wǎng)路應(yīng)用控制對(duì)象中，主要措施有：學(xué)習(xí)控制、直接逆動(dòng)態(tài)控制、神經(jīng)自適應(yīng)控制、和自適應(yīng)決策控制等。同時(shí)，還可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)造性能更好的智能控制策略。

遺傳算法主要模擬生物進(jìn)化過(guò)程中的優(yōu)勝劣汰、適者生存的自然選擇，也是一直最優(yōu)解搜索算法。遺傳算法以群體為考察對(duì)象，選擇合適的適應(yīng)度函數(shù)，通過(guò)給群體中每個(gè)個(gè)體進(jìn)行染色體編碼（即基因），并計(jì)算相應(yīng)的個(gè)體適應(yīng)度，依次采取

復(fù)制、交叉和變異三個(gè)遺傳操作步驟，產(chǎn)生出新一代的種群，并逐代重復(fù)進(jìn)行上述三個(gè)步驟。通過(guò)遺傳操作，群體不斷更新為更加適應(yīng)環(huán)境的新群體，最終達(dá)到最優(yōu)群體，通過(guò)末代群體中的最優(yōu)個(gè)體的解碼，即可得到最優(yōu)或次優(yōu)解。

創(chuàng)業(yè)型企業(yè)共享型人力資源平臺(tái)的建設(shè)是為助力建設(shè)創(chuàng)業(yè)型企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新體系，依據(jù)協(xié)同學(xué)理論，構(gòu)建多主體、多因素、共同協(xié)作、相互補(bǔ)充的共享型人力資源管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)業(yè)型企業(yè)、高校、高科技人才、教師、學(xué)生等多個(gè)利益相關(guān)者的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研深度合作，形成創(chuàng)業(yè)型企業(yè)聯(lián)盟和高校聯(lián)盟及社會(huì)高科技人才的無(wú)縫連接，以攻克高科技創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和創(chuàng)業(yè)型企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

（二）存在問(wèn)題

根據(jù)2015年公布的工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[9]，本科畢業(yè)要求強(qiáng)調(diào)了對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的分析與解決能力。

由于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法都是建立在一定的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)之上的，所以課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象。由于該課程設(shè)定的課時(shí)通常比較少，所以課堂教學(xué)主要集中于理論知識(shí)、概念和公式推導(dǎo)上，沒(méi)有增設(shè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

此外，在本科控制理論課程（包括智能控制課程）教學(xué)過(guò)程中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析的實(shí)踐教學(xué)主要通過(guò)虛擬仿真軟件（如，Matlab[4，5]、Labview等軟件[6]）。然而，大多本科生對(duì)這些仿真軟件都沒(méi)有熟練掌握，很難對(duì)將智能控制理論應(yīng)用到復(fù)雜工程問(wèn)題中進(jìn)行仿真研究與分析。

三、基于Labview的實(shí)驗(yàn)示例設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)學(xué)生的復(fù)雜工程問(wèn)題的分析與解決能力，可以通過(guò)課堂示例教學(xué)與課后實(shí)驗(yàn)習(xí)題相結(jié)合的方式來(lái)展開(kāi)。文章主要考察模糊控制PID控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，借助Labview軟件進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。文章利用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司的Labview 8.6專業(yè)開(kāi)發(fā)版和附帶的模糊邏輯工具箱（Fuzzy Control Toolkit）設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊控制器。

被控對(duì)象選取為二階動(dòng)態(tài)模型：

其中，u為輸入信號(hào)，x與y為狀態(tài)變量。采用基于狀態(tài) X的PID控制器，閉環(huán)系統(tǒng)為：

在Labview中，構(gòu)建模糊PID的仿真系統(tǒng)，其前面板如圖1所示，模糊PID系統(tǒng)的仿真程序框圖如圖2所示。

圖1 前面板

圖2 程序框圖

程序框圖中用到的主要VI有（如圖2）：

1.Fuzzy Controller VI：實(shí)現(xiàn)模糊控制器的設(shè)計(jì)與模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理。使用前必須先加載控制器的數(shù)據(jù)文件，這個(gè)文件是由Load Fuzzy Controller VI輸出的。

2.Load Fuzzy Controller VI：加載所有控制器參數(shù)和信息。使用此VI與Fuzzy Controller VI實(shí)現(xiàn)模糊控制器設(shè)計(jì)，設(shè)置數(shù)據(jù)文件的加載路徑管理等。數(shù)據(jù)文件使用.fc作為文件擴(kuò)展名。

3.加載路徑（函數(shù)）。加載控制器的數(shù)據(jù)文件需要當(dāng)前VI路徑函數(shù)、拆分路徑函數(shù)、創(chuàng)建路徑函數(shù)，如圖2中的KPcontrol.fc，KIcontrol.fc，KDcontrol.fc數(shù)據(jù)文件。

4.公式節(jié)點(diǎn)。在公式節(jié)點(diǎn)中，編寫(xiě)系統(tǒng)④的程序代碼。此外，模糊PID控制器的設(shè)計(jì)步驟如下:

（1）在Labview軟件環(huán)境下，運(yùn)行Fuzzy Logic Controller D esign模塊，在交互式界面Fuzzy Set Editor中設(shè)計(jì)輸人、輸出變量的論域及各語(yǔ)言值的隸屬函數(shù)。輸人變量e、ec的論域設(shè)為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，并進(jìn)行歸一化處理，語(yǔ)言值為：負(fù)大NB、負(fù)中NM、負(fù)小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB，對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)均為三角形；輸出變量Kp、Ki和Kd的論域?yàn)閇0，1，2，3，4，5，6]，進(jìn)行歸一化處理，語(yǔ)言值為：零、正小、正中、正大，隸屬函數(shù)也均取三角形。

（2）通過(guò)Rulebase Editor確定“IF…THEN…”形式的模糊規(guī)則，并選擇相應(yīng)的推理算法和解模糊方法等。模糊推理算法為Max-Min合成法，去模糊化方法為“最大隸屬度法”。

（3）通過(guò)I/O Characteristic對(duì)設(shè)計(jì)的模糊控制器輸出特性進(jìn)行初步測(cè)試和分析，驗(yàn)證控制規(guī)則是否完備，是否有規(guī)則沖突以對(duì)其進(jìn)行必要的修改和優(yōu)化。

（4）將設(shè)計(jì)好的模糊控制器分別保存在后綴名為KPcontr ol.fc，KIcontrol.fc，KDcontrol.fc的數(shù)據(jù)文件中，在應(yīng)用程序中調(diào)用。

執(zhí)行程序，可以得到二階系統(tǒng)的階躍相應(yīng)曲線（如圖3）、以及PID控制器三個(gè)控制增益的變化曲線（如圖4）。如圖可見(jiàn)，模糊PID控制器實(shí)現(xiàn)了控制參數(shù)的自整定，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)

穩(wěn)定，便于工程應(yīng)用。

圖3 模糊PID控制的階躍響應(yīng)曲線

圖4 模糊PID控制參數(shù)的變化曲線

通過(guò)上述示例展示，Labview軟件能夠應(yīng)用在智能控制器的設(shè)計(jì)與分析中。設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)，在前面板上模擬實(shí)際對(duì)象和觀察狀態(tài)變化曲線，在程序框圖中進(jìn)行模塊化編程，更加生動(dòng)地展示控制器的設(shè)計(jì)與分析的有效性與生動(dòng)性，能夠非常好地增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果。

四、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)本科智能控制課程的教學(xué)中缺乏實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，沒(méi)有著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，學(xué)生關(guān)于復(fù)雜工程問(wèn)題的分析與解決能力沒(méi)有得到提高，文章指出了Labview軟件在智能控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)際示例展示了Labview的具體應(yīng)用，可以推廣到本科生的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂教學(xué)中，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其復(fù)雜工程問(wèn)題的分析與解決能力。

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The teaching content of intelligent control course is stated,and existing problems are pointed out.In order to improve the undergraduates'analysis and problem-solving ability of complicated engineering problems.This paper demonstrates the application of Labview software in the practice teaching of intelligent control with instance method,combined with the author'teaching experiences.

intelligent control;Labview software;PID controller

G642

A

2096-000X（2016）23-0071-03

江南大學(xué)本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JG2015112，JG2015002）；江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程一期項(xiàng)目（PPZY2015A036）。

劉成林（1981，09-），男，漢，江蘇宿遷，博士，副教授，研究方向?yàn)槎嘀悄荏w系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。