專利名稱：：無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于測(cè)量和控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及無線遠(yuǎn)程測(cè)量技術(shù)、虛擬測(cè)量技術(shù)和模糊控制技術(shù)的一種無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法及裝置。
背景技術(shù)：
：無線遠(yuǎn)程測(cè)量技術(shù)的提出和發(fā)展與實(shí)際需求有密切的關(guān)系。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，生產(chǎn)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，同時(shí)需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備及其狀態(tài)參數(shù)的數(shù)量也越來越大，采用傳統(tǒng)的布置明線的監(jiān)測(cè)方法，布線成本極高。而且線纜出現(xiàn)問題時(shí)，需要進(jìn)行耗時(shí)費(fèi)力的檢査(參見"潘云，劉文紅，楊建.基于PC機(jī)與單片機(jī)的遠(yuǎn)程多點(diǎn)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng).《儀器儀表學(xué)報(bào)》，2004，25(4):471473"、"安曉斌.氣田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及無線傳輸遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究.《西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》，2005，31(i):9CT93"、"謝煒，瞿坦，姜新等.基于嵌入式系統(tǒng)的環(huán)保數(shù)據(jù)的采集與無線發(fā)送.《微機(jī)發(fā)展》，2005，15(1):68~70"和"楊桂艷，黃煒.浮標(biāo)式無線遠(yuǎn)程水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì).《計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究》，2005，11:149150"等文獻(xiàn)中的報(bào)導(dǎo))，此外在許多現(xiàn)場(chǎng)條件下，如高腐蝕性環(huán)境、機(jī)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)等，根本就不允許或者無法布置線纜。遠(yuǎn)程測(cè)量技術(shù)利用無線通信的方式傳輸數(shù)據(jù)和控制指令，無線布置線纜，可以解決上述問題。遠(yuǎn)程測(cè)量技術(shù)因其在惡劣復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性、布置的低成本及良好的保密性，在實(shí)際中得到越來越廣泛的應(yīng)用。典型的遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)主要包括3個(gè)子系統(tǒng)，即狀態(tài)參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)和中心處理子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的采集一般由基于嵌入式設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)完成，采集的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器進(jìn)行緩存。無線通信子系統(tǒng)是把數(shù)據(jù)傳送到控制中心的信道。為了適應(yīng)不同的環(huán)境條件以及成本要求，通信子系統(tǒng)的構(gòu)成有多種方案，如射頻技術(shù)、Bluetooth技術(shù)、802.11無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及紅外技術(shù)等。中心處理子系統(tǒng)主要由中心處理工作站以及相應(yīng)的軟件構(gòu)成，是整個(gè)遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)的最上層，管理人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，做出相應(yīng)決策。在"楊樂平，李海濤，肖相生.《LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用》.北京電子工業(yè)出版社，2001."和"劉君華.《基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì).》北京電子工業(yè)出版社，2003."等文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)虛擬測(cè)量技術(shù)是采用虛擬儀器完成實(shí)際測(cè)'量任務(wù)的技術(shù)。虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)或工作站配備功能強(qiáng)大的應(yīng)用軟件、低成本的硬件，完成傳統(tǒng)儀器功能的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)。虛擬測(cè)量技術(shù)代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測(cè)量系統(tǒng)到以軟件為中心的測(cè)量系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變。以軟件為主的測(cè)量系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)的計(jì)算、顯示和網(wǎng)絡(luò)等功能。利用虛擬測(cè)量技術(shù)，可以完全根據(jù)需求組建測(cè)量系統(tǒng)，而不用再受功能固定的傳統(tǒng)儀器的限制。軟件是虛擬儀器中最重要的組成部分，集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替。各功能軟件利用圖形化方式設(shè)計(jì)形象逼真的圖形用戶界面，可以在計(jì)算機(jī)顯示器上生成與傳統(tǒng)儀器相似的面板，實(shí)現(xiàn)與用戶的交互，方便用戶操作控制；利用底層的硬件驅(qū)動(dòng)程序通過串口、并口、PCI、GPIB等總線方式實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的訪問；利用自身的分析處理方法，完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理操作。軟件提供的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是模塊化。在開發(fā)大的工程時(shí)，通常會(huì)將一個(gè)系統(tǒng)分成幾個(gè)部分，而這種分割利用軟件非常容易實(shí)現(xiàn)。'模糊控制技術(shù)是一種無需系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的控制技術(shù)。在經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論中，分別以傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。這兩種理論都需要確定對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。但是，實(shí)際的控制對(duì)象可能因多種原因而難于建立精確的數(shù)學(xué)模型。因而，為了能合適地描述被控對(duì)象以及減小對(duì)對(duì)象模型的依賴程度，模糊控制理論就應(yīng)運(yùn)而生(參見"吳曉莉等.《Matlab輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì).》西安電子科技大學(xué)出版社，2002"和"王雪.《智能軟計(jì)算及其應(yīng)用》清華大學(xué)研究生講義，2006"等文獻(xiàn)的報(bào)導(dǎo))。作為一種無需被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的控制語言,模糊控制在許多方面表現(xiàn)出極為優(yōu)越的性能1.模糊控制是以人對(duì)被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器，不需要被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，特別適合于不確定分布參數(shù)系統(tǒng)\強(qiáng)非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜或根本就無法建立復(fù)雜的被控對(duì)象的控制問題。2.模糊控制的控制機(jī)理容易被接受。模糊控制直接來源于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，采用類似于人類語言的控制規(guī)則和控制策略，容易被人們所接受。3.控制規(guī)律間的模糊聯(lián)接，使得控制器在相互矛盾的控制規(guī)則中找到折中的選擇，使之更符合實(shí)際情況。4.模糊控制采用了模糊集概念和模糊聯(lián)接，系統(tǒng)中的干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果影響較小，使系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)。5.魯棒性好。在一般性的控制問題中，模糊控制效果在快速性和魯棒性等方面都優(yōu)于常規(guī)控制器。6.構(gòu)造容易。用計(jì)算機(jī)等來構(gòu)造模糊控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)無異，模糊控制算法用軟件來實(shí)現(xiàn)。模糊控制主要涉及測(cè)量信息的模糊化、推理機(jī)制和輸出模糊集的精確化。測(cè)量信息的模糊化是將實(shí)測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為在該語言變量相應(yīng)論域內(nèi)不同語言值的模糊子集。推理機(jī)制使用數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，它的作用是根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)信息來決定模糊控制的輸出子集。模糊集的精確化計(jì)算是將推理機(jī)制得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為一個(gè)清晰、確定的輸出控制量的過程?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，自動(dòng)化程度和集成度越來越高，需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象也越來越多?；跓o線通信的測(cè)量系統(tǒng)因其良好的柔性、高可靠性和低構(gòu)建成本，正逐漸引起工業(yè)界的高度重視。生產(chǎn)全球化背景下競爭的加劇要求企業(yè)能迅速響應(yīng)市場(chǎng)的需求，采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行儀器設(shè)備的開發(fā)，可大大縮短研發(fā)周期，降低系統(tǒng)成本，并提供良好的柔性和擴(kuò)展性。采用模糊控制技術(shù)可以避開控制對(duì)象的精確建模，而且很多情況下與對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)更為符合，控制器的設(shè)計(jì)更直觀簡便，提高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。目前上述技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，但綜合應(yīng)用這些技術(shù)構(gòu)建完整的監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)道卻很少。為此本發(fā)明綜合運(yùn)用上述技術(shù)，構(gòu)建一種基于虛擬儀器的無線遠(yuǎn)程測(cè)量和模糊控系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)以無線通信的方式發(fā)送到控制中心，控制中心利用虛擬儀器技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并提供用戶交互界面，同時(shí)在虛擬儀器內(nèi)利用模糊控制技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出控制指令，通過無線通信將控制指令發(fā)送到遠(yuǎn)程設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法及裝置，其特征在于，所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法是通過嵌入式系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并利用無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，在控制中心利用虛擬儀器提供用戶交互界面，接受無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，根據(jù)模糊控制系統(tǒng)的模糊推理規(guī)則給出相應(yīng)的控制指令發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)的設(shè)備。所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法的步驟如下-1)嵌入式系統(tǒng)的傳感器采集監(jiān)測(cè)對(duì)象狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)；2)A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器測(cè)得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；3)微處理器對(duì)轉(zhuǎn)化得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理操作；4)嵌入式系統(tǒng)與外部無線網(wǎng)絡(luò)連接，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；5)控制中心的虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)通信接口，接收嵌入式系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并通過用戶界面顯示；6)虛擬儀器采用模糊控制算法，利用模糊推理規(guī)則對(duì)接收的嵌入式系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理決策，得到控制指令-，7)控制指令由虛擬儀器再通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到相應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)；8)最后嵌入式系統(tǒng)根據(jù)接收到的指令驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備，執(zhí)行指令。所述嵌入式系統(tǒng)的微處理器對(duì)轉(zhuǎn)化得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理利用嵌入式系統(tǒng)中微處理器的運(yùn)算能力，對(duì)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)算法進(jìn)行簡單的濾波和均值方差等統(tǒng)計(jì)量計(jì)算。所述嵌入式系統(tǒng)與外部無線網(wǎng)絡(luò)的連接嵌入式系統(tǒng)通過無線網(wǎng)卡接入802.11無線網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。所述無線網(wǎng)卡根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的接口特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的選擇，有時(shí)還需要自行開發(fā)網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序-，所述嵌入式系統(tǒng)與控制中心之間的數(shù)據(jù)交換應(yīng)制定握手協(xié)議，才能完成數(shù)據(jù)包的解析。所述握手協(xié)議為選擇TCP/IP協(xié)議作為通信協(xié)議。一種無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制裝置，其特征在于，該裝置是嵌入式系統(tǒng)通過連接的外部無線網(wǎng)絡(luò)與控制中心虛擬儀器無線連接；所述嵌入式系統(tǒng)，是用于完成對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括微處理器模塊、存儲(chǔ)器模塊、輸入輸出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、指令執(zhí)行模塊以及無線網(wǎng)卡模塊。其中前3個(gè)模塊是基本模塊，普通的商業(yè)嵌入式系統(tǒng)都滿足要求，后3者是針對(duì)具體應(yīng)用而加入的外設(shè)模塊。所述控制中心虛擬儀器，用于建立接收嵌入式系統(tǒng)發(fā)送對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象狀態(tài)參數(shù)的處理數(shù)據(jù)(設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù))、模糊控制系統(tǒng)采用模糊控制算法得到控制指令并發(fā)送、以及人機(jī)交互界面的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)；實(shí)現(xiàn)了TCP/IP和UDP等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，可以很方便地使用這些協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；所述虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)包括美國NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE;所述數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊；其中傳感器模塊對(duì)實(shí)際測(cè)量對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，信號(hào)調(diào)理模塊根據(jù)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的去噪、濾波等處理，A/D轉(zhuǎn)換模塊將傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。所述虛擬儀器平臺(tái)需要自行編寫代碼實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，或利用Matlab軟件提供的模糊控制工具箱，通過提供的編程接口，調(diào)用Matlab中的模糊控制程序，實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。所述模糊控制系統(tǒng)包括將嵌入式系統(tǒng)的測(cè)量信息經(jīng)過模糊器模糊化、利用知識(shí)庫的模糊集、模糊算子及模糊規(guī)則和運(yùn)算法則進(jìn)行推理運(yùn)算，得到控制指令，通過反模糊器將推理機(jī)制得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為一個(gè)清晰、確定的輸出控制本發(fā)明的有益效果是與采用PID等方法進(jìn)行控制的傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)一般是通過線纜連接傳輸數(shù)據(jù)和控制指令，利用硬件實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)處理；本發(fā)明具有以下特點(diǎn)無需線纜連接，系統(tǒng)柔性好、可靠性高、成本低；采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行儀器設(shè)備研發(fā)，可大大縮短研發(fā)周期，降低系統(tǒng)成本，并提供良好的柔性和擴(kuò)展性。采用模糊控制技術(shù)可以避開控制對(duì)象的精確建模，而且很多情況下與對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)更為符合，控制器的設(shè)計(jì)更直觀簡便，提高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。圖1是無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制結(jié)構(gòu)及流程框圖。圖2是監(jiān)控目標(biāo)示意圖。圖3是控制中心虛擬儀器界面示意圖。圖4是模糊控制系統(tǒng)組成部分示意圖。圖5是小球位置坐標(biāo)系及控制過程中某時(shí)刻小球的位置和運(yùn)動(dòng)方向示意圖。圖6是小球位置的模糊隸屬度函數(shù)。圖7是小球速度的模糊隸屬度函數(shù)。圖8是電機(jī)控制電壓的模糊隸屬度函數(shù)。圖9是電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制電路。具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出一種無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法及裝置。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明予以說明。圖1所示是無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制結(jié)構(gòu)及流程框圖。該裝置是嵌入式系統(tǒng)通過連接的外部無線網(wǎng)絡(luò)與控制中心虛擬儀器無線連接；所述嵌入式系統(tǒng)由包括傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)采集模塊2連接至微處理器模塊及存儲(chǔ)器模塊4，微處理器模塊及存儲(chǔ)器模塊4分別和無線通信模塊3、包括輸入輸出模塊和指令執(zhí)行模塊的控制模塊5連接構(gòu)成；在無線通信模塊3中含有無線網(wǎng)卡模塊；嵌入式系統(tǒng)通過傳感器模塊、控制模塊5和監(jiān)測(cè)對(duì)象1連接。嵌入式系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)以無線方式和控制中心的虛擬儀器進(jìn)行通信；該虛擬儀器由網(wǎng)絡(luò)通信接口6、包含模糊器、模糊推理運(yùn)算、反模糊器及知識(shí)庫組成的模糊控制系統(tǒng)7及顯示界面8構(gòu)成；用戶9從顯示界面8上看到信息。無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法的步驟如下1)嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊2的傳感器CCD采集監(jiān)測(cè)對(duì)象1狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)；2)A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器測(cè)得的模擬狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)；3)微處理器、信號(hào)調(diào)理模塊采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)算法進(jìn)行簡單的濾波和均值方差等統(tǒng)計(jì)量計(jì)算，對(duì)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理操作；4)嵌入式系統(tǒng)通過無線通信模塊3的無線網(wǎng)卡模塊與外部無線網(wǎng)絡(luò)連接，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；5)控制中心的虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)通信接口6接收嵌入式系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并通過顯示界面8，向用戶9顯示模糊控制系統(tǒng)7利用模糊推理規(guī)則對(duì)接收的嵌入式系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理決策，得到控制指令；6)控制指令由虛擬儀器再通過網(wǎng)絡(luò)通信接口6發(fā)送到相應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)；7)最后嵌入式系統(tǒng)根據(jù)接收到的指令驅(qū)動(dòng)控制模塊5執(zhí)行指令，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象l進(jìn)行控制。后面結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制的實(shí)例對(duì)本發(fā)明的方法作進(jìn)一步闡述。圖2所示為監(jiān)控目標(biāo)示意圖。圖2中的背景屏幕是豎直放置的一塊白板11，一段兩端開口的直塑料管12豎直地固定在白板11上，管中放置一個(gè)黑色小球14，塑料管底部用大頭針封閉。圖5是小球位置坐標(biāo)系及控制過程中某時(shí)刻小球的位置和運(yùn)動(dòng)方向示意圖。圖中的小球14以穩(wěn)定到期望位置13為坐標(biāo)原點(diǎn)(在圖2、5中用虛線標(biāo)出)，正常情況下，小球會(huì)因重力作用穩(wěn)定在塑料管底部(如圖2的14;圖5的14'所示)。為了將小球穩(wěn)定在圖2中所示的期望位置13(在圖2、5中用虛線標(biāo)出，實(shí)際操作中是給出期望位置相對(duì)與屏幕邊緣的坐標(biāo))，在塑料管頂部放置一個(gè)吸塵器IO，利用其產(chǎn)生適當(dāng)?shù)奈?，可將小球穩(wěn)定在期望的位置13。因?yàn)槲鼔m器電機(jī)的精度較低而且管內(nèi)產(chǎn)生的氣流比較復(fù)雜，故很難建立電機(jī)和氣流的精確數(shù)學(xué)模型。因此采用模糊控制是理想的選擇。'該監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)是使塑料管中的小球基本穩(wěn)定于塑料管中的指定位置，為此必須能夠測(cè)定小球的位置才能對(duì)吸塵器電機(jī)進(jìn)行控制，使其向著期望的位置移動(dòng)。該實(shí)例中的數(shù)據(jù)采集模塊2釆用CCD傳感器測(cè)量小球14的位置。CCD釆集整個(gè)屏幕的圖像以灰度表示，對(duì)得到的灰度圖像進(jìn)行分析即可得到小球的位置。CCD采集的圖像上，背景是白板，而小球是黑色的，利用顏色的差異可以很容易判斷出小球的位置；利用前后兩幅圖像上小球位置的差值，可以判斷小球運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向并計(jì)算出其運(yùn)動(dòng)速度的近似值。CCD圖像數(shù)據(jù)的處理是通過SBC-2410X型嵌入式系統(tǒng)完成的。該嵌入式系統(tǒng)在120mmx90mm的板面上集成了64M的SDRAM、64M的NandFlash、RJ-45網(wǎng)卡、USB等設(shè)備接口(圖中未畫出)。CCD傳感器通過USB接口連接到嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行緩存，計(jì)算小球的位置及速度近似值，并判斷移動(dòng)方向。計(jì)算處理的結(jié)果(即小球當(dāng)前的位置，當(dāng)前是速度大小及運(yùn)動(dòng)方向)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心作進(jìn)一步的分析處理。嵌入式系統(tǒng)通過USB接口的無線網(wǎng)卡接入無線網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程控制中心的主機(jī)上運(yùn)行虛擬儀器程序。本實(shí)例中利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行虛擬儀器開發(fā)。LabVIEW采用圖形化編程語言，對(duì)各種常用功能組件進(jìn)行封裝，以子VI(VI即虛擬儀器)的形式進(jìn)行調(diào)用。本實(shí)例需要在控制中心的虛擬儀器中接收從嵌入式系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)，選則TCP/IP協(xié)議作為通信協(xié)議，在LabVIEW中調(diào)用TCP/IP子VI，指定嵌入式系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)的IP，即可建立基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在虛擬儀器中接收到小球的運(yùn)動(dòng)信息后，通過圖形用戶界面將信息顯示出來，圖3所示是控制中心虛擬儀器界面示意圖。在虛擬儀器界面的左半部分用于指定嵌入式系統(tǒng)的IP和端口信息，建立基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接。右半部分用于顯示小球運(yùn)動(dòng)過程中的速度和位置變化。本實(shí)例的目標(biāo)是將小球穩(wěn)定在期望的位置，為此需要根據(jù)通過CCD測(cè)量反饋得到的小球位置和速度信息，控制吸塵器電機(jī)轉(zhuǎn)速，使小球達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如前所述，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，塑料管內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)異常復(fù)雜，而且小球也不是標(biāo)準(zhǔn)球體，這些因素都導(dǎo)致無法建立該控制系統(tǒng)的精確模型，因此采用模糊控制技術(shù)'對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。模糊控制方法不需要關(guān)于控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，它是人們對(duì)被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)為基礎(chǔ)的，將控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成模糊控制算法。模糊控制方法按照包括三個(gè)部分，即測(cè)量信息的模糊化、基于模糊信息的推理機(jī)制和輸出模糊集的精確化。測(cè)量信息的模糊化是將實(shí)測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為在該語言變量相應(yīng)論域內(nèi)不同語言值的模糊子集。推理機(jī)制使用數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，它的作用是根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)信息來決定模糊控制的輸出子集。模糊集的精確化計(jì)算是將推理機(jī)制得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為一個(gè)清晰、確定的輸出控制量的過程。因此對(duì)模糊控制系統(tǒng)而言，其輸入信息和輸出的控制指令都是準(zhǔn)確值，但中間的推理過程是建立在模糊概念的基礎(chǔ)上。更詳細(xì)的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。Matl油中的Fuzzy工具箱提供了功能強(qiáng)大但使用方便的模糊控制工具，利用它可以輕松設(shè)計(jì)復(fù)雜的模糊控制系統(tǒng)。在虛擬儀器中，利用LabVIEW提供的Matlab接口，可以在LabVIEW中調(diào)用fuzzy工具箱中的指令，方便地完成模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)本實(shí)例而言，模糊控制系統(tǒng)的輸入是小球的速度信息和位置信息，系統(tǒng)輸出是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。以期望位置13為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖5所示的小球位置坐標(biāo)系。將坐標(biāo)位置絕對(duì)值的最大值歸一化到l，因此小球的位置坐標(biāo)只能在[-1，+1]之間。輸入位置信息的簡單模糊劃分是將其分為正(P)、負(fù)(N)和零(Z)，正表示在期望位置13上方某個(gè)位置區(qū)間，負(fù)表示在期望位置13下方某個(gè)位置區(qū)間，零則表示在期望位置13附近。一種具體的模糊隸屬度設(shè)計(jì)如圖6所示，采用簡單的三角隸屬度函數(shù)設(shè)置，在[-0.4，+0.4]范圍內(nèi)，都可視為在期望位置附近。設(shè)CCD圖像數(shù)據(jù)的采集周期是7，則小球速度的計(jì)算如下其中P(t)是t時(shí)刻小球以圖5所示的坐標(biāo)系確定的小球位置14，對(duì)小球速度進(jìn)行正(P)和負(fù)(N)兩種劃分，其小球速度模糊隸屬度函數(shù)如圖7所示。對(duì)輸入信息采用圖6和圖7所示的模糊隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊化后，即可進(jìn)行模糊推理。如前所述，模糊推理機(jī)制是基于人的控制經(jīng)驗(yàn)、。例如當(dāng)小球處于圖5的狀態(tài)時(shí)，小球14位于期望位置13的上方而且處于向上方運(yùn)動(dòng)的過程中，為了使小球能達(dá)到期望的位置，應(yīng)該進(jìn)行控制使得小球以很大的加速度向下運(yùn)動(dòng)，其他位置可作類似的推理。對(duì)本實(shí)例而言，在圖6、7中，作用在小球14上的可以調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力即吸塵器提供的向上的吸力。當(dāng)吸力大于重力時(shí)小球具有向上的加速度，吸力小于重力的時(shí)候小球具有向下的加速度。由于吸塵器電機(jī)電壓越大，向上吸力越大，故模糊控制系統(tǒng)的輸出即電機(jī)的控制電壓與小球運(yùn)動(dòng)的關(guān)系如下大于某個(gè)閾值的電壓控制小球向上運(yùn)動(dòng)，小于該閾值的電壓控制小球向下運(yùn)動(dòng)?？刂菩∏蛳蛏虾拖蛳碌碾妷悍謩e用P和N表示，電壓相對(duì)大小分別用大(B)、中(M〉和小(S)表示，如圖8中，PB表示較大的控制小球向上運(yùn)動(dòng)的電壓。根據(jù)該實(shí)例的具體情況，控制電壓模糊隸屬度函數(shù)?；谏鲜瞿：屯评矸椒ǎ搶?shí)例的模糊控制規(guī)則如表1所示。表1模糊控制規(guī)則表<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>模糊推理的最后一步是反樓糊化，即將模糊推理的結(jié)果轉(zhuǎn)化為一個(gè)精確值進(jìn)行輸出，從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行控制。反模糊化方法有多種，其中兩個(gè)最常用的方法是最大值平均和重力中心算法，這里采用重力中心算法。重力中心反模糊化算法過程的定義如下-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(2)其中/a力是模糊隸屬度函數(shù)。在LabV工EW中調(diào)用Matlab可以很方便地實(shí)現(xiàn)上述模糊推理過程。模糊控制系統(tǒng)的輸出是吸塵器電機(jī)的控制電壓，該控制電壓(或者說是控制指令)通過虛擬儀器與嵌入式系統(tǒng)之間的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行傳輸。嵌入式系統(tǒng)再將該控制電壓施加到吸塵器電機(jī)上控制其轉(zhuǎn)速大小。采用圖9的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。利用可編程電阻AD5242，通過編程改變滑動(dòng)變阻器抽頭的位置，控制輸出電壓值，即對(duì)3.3V電壓進(jìn)行分壓輸出。再經(jīng)過后續(xù)的功放電路進(jìn)行功率放大后，驅(qū)動(dòng)吸塵器電機(jī)。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)過IIC總線直接輸出數(shù)字量對(duì)AD5242進(jìn)行控制。綜上該模糊控制實(shí)例的控制過程為CCD傳感器反饋小球位置和速度信息，通過嵌入式系統(tǒng)以TCP/IP無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送到控制中心的虛擬儀器，虛擬儀器中調(diào)用Matlab實(shí)現(xiàn)模糊控制，控制系統(tǒng)的輸出值同樣通過TCP/IP無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)通過IIC總線與可編程電阻器連接，編程控制電阻值大小，實(shí)現(xiàn)控制電壓的輸出，再經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動(dòng)吸塵器電機(jī)，實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)控制。該實(shí)例證實(shí)，利用無線網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)和指令信息傳輸，在不知道控制對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的情況下，模糊控制算法可以對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行精確的控制。借助于虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW可以方便快捷地進(jìn)行儀器設(shè)備開發(fā)。權(quán)利要求1.一種無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法，其特征在于，所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法是通過嵌入式系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并利用無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，在控制中心利用虛擬儀器提供用戶交互界面，接受無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，根據(jù)模糊控制系統(tǒng)的模糊推理規(guī)則給出相應(yīng)的控制指令發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)的設(shè)備，執(zhí)行指令。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法，其特征在于，所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法的步驟如下1)嵌入式系統(tǒng)的傳感器采集監(jiān)測(cè)對(duì)象狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)；2)A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器測(cè)得的模擬狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；3)微處理器對(duì)轉(zhuǎn)化得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理操作；4)嵌入式系統(tǒng)與外部無線網(wǎng)絡(luò)連接，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；5)控制中心的虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)通信接口，接收嵌入式系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并通過用戶界面顯示；6)虛擬儀器釆用模糊控制算法，利用模糊推理規(guī)則對(duì)接收的嵌入式系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理決策，得到控制指令；7)控制指令由虛擬儀器再通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到相應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)；8)最后嵌入式系統(tǒng)根據(jù)接收到的指令驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備，執(zhí)行指令。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法，其特征在于，所述嵌入式系統(tǒng)的微處理器對(duì)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理利用嵌入式系統(tǒng)中微處理器的運(yùn)算能力，對(duì)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)算法進(jìn)行簡單的濾波和均值方差等統(tǒng)計(jì)量計(jì)算。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法，其特征在于，所述嵌入式系統(tǒng)與外部無線網(wǎng)絡(luò)的連接嵌入式系統(tǒng)通過無線網(wǎng)卡接入802.11無線網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法，其特征在于，所述無線網(wǎng)卡根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的接口進(jìn)行相應(yīng)的選擇，有時(shí)還需要自行開發(fā)網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法，其特征在于，所述嵌入式系統(tǒng)與控制中心之間的數(shù)據(jù)交換應(yīng)制定握手協(xié)議，才能完成數(shù)據(jù)包的解析。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法，其特征在于，所述握手協(xié)議為選擇TCP/IP協(xié)議作為通信協(xié)議。8.—種無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制裝置，其特征在于，該裝置是嵌入式系統(tǒng)通過連接的外部無線網(wǎng)絡(luò)與控制中心虛擬儀器無線連接；所述嵌入式系統(tǒng)，是用于完成對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括微處理器模塊、存儲(chǔ)器模塊、輸入輸出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、指令執(zhí)行模塊以及無線網(wǎng)P模塊，其中前3個(gè)模塊是基本模塊，普通的商業(yè)嵌入式系統(tǒng)都滿足要求，后3者是針對(duì)具體應(yīng)用而加入的外設(shè)模塊；所述控制中心虛擬儀器，用于建立接收嵌入式系統(tǒng)發(fā)送對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象狀態(tài)參數(shù)的處理數(shù)據(jù)(設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù))、模糊控制系統(tǒng)采用模糊控制算法得到控制指令并發(fā)送、以及人機(jī)交互界面的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)；實(shí)現(xiàn)了TCP/IP和UDP等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，可以很方便地使用這些協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；所述虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)包括美國NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊；其中傳感器模塊對(duì)實(shí)際測(cè)量對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，信號(hào)調(diào)理模塊根據(jù)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的去噪、濾波等處理，A/D轉(zhuǎn)換模塊將傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制裝置，其特征在于，所述虛擬儀器平臺(tái)需要自行編寫代碼實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，或利用Matlab軟件提供的模糊控制工具箱，通過提供的編程接口，調(diào)用Matlab中的模糊控制程序，實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。11.根據(jù)權(quán)利要求8所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制裝置，其特征在于，所述模糊控制系統(tǒng)包括將嵌入式系統(tǒng)的測(cè)量信息經(jīng)過模糊器模糊化、利用知識(shí)庫的模糊集、模糊算子及模糊規(guī)則和運(yùn)算法則進(jìn)行推理運(yùn)算，得到控制指令，通過反模糊器將推理機(jī)制得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為一個(gè)清晰、確定的輸出控制量。全文摘要本發(fā)明公開了屬于測(cè)量和控制
技術(shù)領(lǐng)域：
的一種無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法及裝置。該裝置是嵌入式系統(tǒng)通過連接的外部無線網(wǎng)絡(luò)與控制中心虛擬儀器無線連接構(gòu)成。所述無線遠(yuǎn)程虛擬測(cè)量的模糊控制方法是通過嵌入式系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并利用無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，在控制中心利用虛擬儀器提供用戶交互界面，接受無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，根據(jù)模糊控制系統(tǒng)的模糊推理規(guī)則給出相應(yīng)的控制指令發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)的設(shè)備。本發(fā)明具有無需線纜連接，系統(tǒng)柔性好、可靠性高、成本低；采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行儀器設(shè)備研發(fā)，可大大縮短研發(fā)周期，降低系統(tǒng)成本，并提供良好的柔性和擴(kuò)展性。文檔編號(hào)G08C17/00GK101188049SQ200710121929公開日2008年5月28日申請(qǐng)日期2007年9月18日優(yōu)先權(quán)日2007年9月18日發(fā)明者梁丁,畢道偉,晟王,雪王申請(qǐng)人:清華大學(xué)