基于模糊理論的多CPU智能弧壓調(diào)高系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉曉東 李亞榮 楊寶清

（大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028）

在自動(dòng)化生產(chǎn)中，等離子數(shù)控切割已成為機(jī)械加工的重要手段之一。等離子切割是以高溫、高速的等離子弧為熱源，將被切割的金屬或非金屬局部熔化同時(shí)以高速氣流將熔化的金屬或非金屬吹走而形成狹窄切口［1］。其中等離子電源用來產(chǎn)生切割用電壓，為恒流特性。當(dāng)割炬與被切割工件間的距離發(fā)生變化時(shí)，電阻也隨之變化，等離子電源需要調(diào)整輸出電壓以保持恒定的輸出電流。由于實(shí)際待切割工件可能存在高低不平、薄厚不一的情況，為了保證切割質(zhì)量必須保證割炬到被切割工件間的高度恒定，因此需要具有良好性能的自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)。

由于現(xiàn)有的調(diào)高控制器多為開關(guān)量控制方式，存在定位精度低、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。為改善調(diào)高系統(tǒng)的調(diào)整精度與響應(yīng)速度，本文提出了一種多CPU控制的智能弧壓調(diào)高系統(tǒng)，并且利用模糊控制理論實(shí)現(xiàn)了弧壓調(diào)高的閉環(huán)模糊控制。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)是不要求建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)響應(yīng)快、精度高?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)控制能力強(qiáng)、控制精度高等特點(diǎn)。

1 智能弧壓調(diào)高控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與功能分配

等離子數(shù)控切割機(jī)的弧壓調(diào)高位置控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由主、從兩個(gè)單片機(jī)組成。主單片機(jī)主要完成實(shí)時(shí)位置、速度信號(hào)的檢測和處理、位置模糊控制運(yùn)算、讀取控制數(shù)據(jù)，生成PWM信號(hào)控制直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作、與從單片機(jī)進(jìn)行串行通信等功能。主控單片機(jī)采用C8051F500單片機(jī)，由于C8051F500具有較快的運(yùn)行速度，足以實(shí)現(xiàn)數(shù)控切割機(jī)弧壓調(diào)高的位置控制。從單片機(jī)采用AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)顯示和鍵盤操作。

整個(gè)系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃?個(gè)環(huán)節(jié):位置信號(hào)檢測環(huán)節(jié)、位置模糊控制環(huán)節(jié)、電動(dòng)機(jī)PWM伺服驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)、從單片機(jī)控制液晶顯示環(huán)節(jié)、CPU間數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié)以及基本量控制環(huán)節(jié)等。

（1）位置信號(hào)檢測環(huán)節(jié) 切割過程中，初始位置信號(hào)ps是由數(shù)控主機(jī)（相當(dāng)于上位機(jī)）給定，而實(shí)際位置信號(hào)pf是由位置信號(hào)檢測環(huán)節(jié)獲得并實(shí)時(shí)地反饋給主單片機(jī)。

（2）位置模糊控制環(huán)節(jié) 調(diào)高控制系統(tǒng)的核心任務(wù)是調(diào)高位置控制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其好壞直接決定整個(gè)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量和效率。本文采用模糊控制理論實(shí)現(xiàn)調(diào)高系統(tǒng)的數(shù)字化控制。

（3）電動(dòng)機(jī)PWM伺服驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié) 單片機(jī)通過控制PWM信號(hào)的占空比發(fā)出控制指令來改變直流電動(dòng)機(jī)上的平均電樞電壓的大小，改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)位置伺服控制。

（4）從單片機(jī)控制液晶顯示環(huán)節(jié) 系統(tǒng)在完成控制功能的同時(shí)需要良好的人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)顯示狀態(tài)參數(shù)與設(shè)定控制參數(shù)。一些重要參數(shù)如弧壓、高度信息等，通過從單片機(jī)在液晶顯示屏上顯示。其中實(shí)際弧壓在起弧后開始自動(dòng)顯示，并在整個(gè)工作過程中一直處于動(dòng)態(tài)跟蹤顯示狀態(tài)。

（5）CPU間數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié) 本系統(tǒng)各CPU之間的信息交換均采用串行通訊的方式完成［2］。

（6）基本量控制環(huán)節(jié) 系統(tǒng)基本量控制是調(diào)高系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，主要包括:初始定位控制，調(diào)高系統(tǒng)接收單片機(jī)的起弧指令后首先依照設(shè)定的定位高度完成初始定位后，調(diào)高系統(tǒng)才開始自動(dòng)控制等離子起弧;接收數(shù)控主機(jī)的命令控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)對(duì)系統(tǒng)的總體控制，如自動(dòng)/手動(dòng)信號(hào)切換控制、數(shù)控系統(tǒng)起弧信號(hào)發(fā)布等;限位控制，當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)割槍上升或下降到達(dá)上限位或下限位時(shí)實(shí)現(xiàn)行程開關(guān)的閉合控制等。

2 弧壓調(diào)高系統(tǒng)模糊控制策略

由于影響弧壓調(diào)高系統(tǒng)性能的主要因素具有時(shí)變性和不確定性，在研究了模糊控制算法優(yōu)點(diǎn)［3］的基礎(chǔ)上，確定了弧壓智能調(diào)高模糊控制策略。系統(tǒng)利用閉環(huán)控制原理，采用高度位置偏差e、高度位置偏差變化率c的雙輸入與控制量u單輸出的二維控制模型。e為切割機(jī)的割炬距工件的設(shè)定位置與實(shí)際位置的偏差，e=ps－pf;c為割炬位置偏差變化率;u為控制量［4］。原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，輸入位置偏差e和位置偏差變化率c的精確量通過模糊化后得到輸入模糊量E和C，再將其作為模糊控制器的二維輸入，經(jīng)過模糊推理輸出模糊控制量U，最后將其反模糊化為精確控制量u。

由于切割機(jī)弧壓調(diào)高不適合采用在線推理的模糊控制器，本系統(tǒng)采用控制表查詢方式，即事先根據(jù)數(shù)控切割機(jī)的位置控制規(guī)則和模糊集隸屬度函數(shù)，利用模糊推理合成算法離線獲得控制表數(shù)據(jù)寫入C8051F500主單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，然后在控制輸出時(shí)按照不同的位置偏差和位置偏差變化率（速度）等級(jí)，通過查表方式求得控制量。

2.1 模糊化

位置偏差E論域等級(jí)劃分為:X={－6，－5，－4，－3，－2，－1，－0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。在論域X上采用8個(gè)模糊語言變量:E={NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，其中 PB（正的大位置偏差）、PM（正的中位置偏差）、PS（正的小位置偏差）、PO（正的零位置偏差）、NO（負(fù)的零位置偏差）、NS（負(fù)的小位置偏差）、NM（負(fù)的中位置偏差）、NB（負(fù)的大位置偏差）。

定義隸屬函數(shù)，本文根據(jù)實(shí)際控制情況采用在各模糊語言變量對(duì)應(yīng)的離散論域直接對(duì)隸屬度賦值的方法，這樣做的好處是簡單而且實(shí)用。位置偏差E的隸屬函數(shù)賦值如表1所示。

同樣得到位置偏差變化率C等級(jí)劃分Y={－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}在論域Y上采用7 個(gè)模糊語言變量:C={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。控制量U的等級(jí)劃分Z={－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}，在論域Z上采用 7 個(gè)模糊語言變量:Z={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。偏差變化率C與控制量U的隸屬函數(shù)賦值分別如表2、3所示。

表1 位置偏差E的隸屬函數(shù)賦值表

表2 位置偏差變化率C的隸屬函數(shù)賦值表

表3 控制量U的隸屬函數(shù)賦值表

2.2 模糊控制規(guī)則

控制規(guī)則的建立主要依據(jù)是能夠快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置調(diào)整，并且沒有穩(wěn)態(tài)誤差?？偨Y(jié)技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立模糊控制規(guī)則如表4所示。

表4 模糊控制規(guī)則表

2.3 模糊推理和解模糊化

模糊控制規(guī)則集可以表示為一個(gè)模糊關(guān)系R:

其中Ei、Cj、Uij是定義在位置偏差、偏差變化和控制量論域X、Y、Z上的模糊集。

當(dāng)某時(shí)刻的偏差與偏差變化率的模糊值分別取E和C，根據(jù)以上模糊關(guān)系進(jìn)行合成運(yùn)算得到相應(yīng)的控制量模糊值U:

按照式（1）、（2）可根據(jù)模糊推理合成法則算出相應(yīng)的控制量，并采用最大隸屬度方式進(jìn)行解模糊化。系統(tǒng)采用離線計(jì)算方式，并經(jīng)反復(fù)調(diào)試、修改，得到一個(gè)控制量的查詢表存放在C8051F500中。實(shí)時(shí)控制時(shí)系統(tǒng)根據(jù)采樣得到的位置偏差ei和位置偏差變化率cj，查控制表就可以獲得輸出控制量uij。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

弧壓調(diào)高控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。主程序包括系統(tǒng)初始化、工作模式選擇、初始高度設(shè)定、系統(tǒng)調(diào)高控制等幾個(gè)部分。其中，調(diào)高控制器的模糊控制運(yùn)算與查詢程序流程圖如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)研究

基于文獻(xiàn)［5］給出的數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)對(duì)象，利用本文模糊控制策略，運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行了系統(tǒng)建模仿真研究。為了便于對(duì)比研究傳統(tǒng)控制方法與模糊控制方法的情況，將系統(tǒng)整定后得到的仿真結(jié)果同時(shí)輸出于圖5中。只要經(jīng)過反復(fù)調(diào)整和實(shí)驗(yàn)，本文提出的基于模糊理論的控制方案行之有效，獲得了較快的系統(tǒng)響應(yīng)，沒有超調(diào)量，可以用于等離子數(shù)控切割機(jī)，并且模糊查詢表也便于實(shí)時(shí)控制與實(shí)現(xiàn)。

將上述控制策略應(yīng)用于大連重工HONEYBEE（小蜜蜂）等離子數(shù)控切割機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用模糊控制算法進(jìn)行調(diào)高控制后，實(shí)現(xiàn)了等離子電弧切割最佳域的控制，弧壓調(diào)高位置控制精度可達(dá)到±0.3 mm，系統(tǒng)的調(diào)整速度明顯加快，切割得到的鋼板表面粗糙度較好，掛渣變少。

4 結(jié)語

本文介紹了基于多CPU控制的智能弧壓調(diào)高系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用基于模糊理論的弧壓調(diào)高控制策略，實(shí)現(xiàn)弧壓調(diào)高的數(shù)字控制，并且具有鍵盤輸入、數(shù)據(jù)顯示、自動(dòng)采集測量、參數(shù)智能控制等功能，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。用切割200 mm×200 mm鋼板多次實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，結(jié)合等離子切割機(jī)設(shè)定割槍水平運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，自動(dòng)弧壓跟蹤精度可達(dá)到±0.3 mm，靜態(tài)性能得到了改善，切割質(zhì)量得到明顯提高，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］孔德杰，張光先，喬立強(qiáng)，等.數(shù)控等離子切割技術(shù)在我國的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電焊機(jī)，2005，35（1）:6 －7，38.

［2］李萍.基于多CPU的油井作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2010，37（2）:44 －47.

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