李有文 余建華 胡 琳
(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 長(zhǎng)治046011)
近年來(lái),工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程使用大量切削液,使得處理切削液的費(fèi)用占到了零件總加工成本的14%~17%,切削液還會(huì)直接污染車間環(huán)境、危害工人健康。本系統(tǒng)利用壓縮氣體和液體作為冷卻介質(zhì),解決了切削液的污染問(wèn)題,在提倡綠色環(huán)保的今天,推廣噴霧冷卻系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
噴霧實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。溫度控制器可以根據(jù)建工需要事先設(shè)置相關(guān)需控制的溫度,再由溫度傳感器采集相關(guān)加工工件的溫度,將溫度傳輸給溫度控制器,溫度控制器將設(shè)置溫度和采集溫度進(jìn)行比較,根據(jù)模糊控制規(guī)則,由溫度控制器輸出相應(yīng)的控制量分別對(duì)氣體流量和液體流量進(jìn)行相應(yīng)配比,氣體和液體在霧化噴頭處進(jìn)行混合噴出。模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)相關(guān)的控制環(huán)節(jié)有太精確的把控,在整個(gè)過(guò)程中可以實(shí)時(shí)根據(jù)溫度傳感器的信號(hào)來(lái)改變相應(yīng)的輸出變量,使得工件可以在一個(gè)穩(wěn)定的加工環(huán)境中進(jìn)行加工,既提高了加工的精度,也解決了加工過(guò)程中溫度變化引起的應(yīng)力集中溫度問(wèn)題。同時(shí)使用的冷卻介質(zhì)都是無(wú)污染的氣體和液體,也解決了切削液的處理問(wèn)題。
圖1 噴霧實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)
整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是溫度控制的實(shí)現(xiàn)。該控制器設(shè)計(jì)了鍵盤輸入,可以通過(guò)鍵盤輸入加工過(guò)程中需要的恒定溫度并顯示,加工過(guò)程中由溫度傳感器(熱電偶)來(lái)進(jìn)行工件溫度的實(shí)時(shí)采集,并由A/D轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)交由單片機(jī)處理;單片機(jī)將采集信號(hào)和輸入信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,再結(jié)合模糊控制規(guī)則,將偏差值和偏差變化量進(jìn)行量化、模糊化,經(jīng)過(guò)推理得出所需要的輸出變量;D/A的作用是將輸出的變量轉(zhuǎn)換成模擬控制量,再經(jīng)由觸發(fā)電路和功率調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行相應(yīng)的放大,去控制氣體和液體比例電磁閥的輸出。該系統(tǒng)還設(shè)置了環(huán)境溫度的采集,主要作用是進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償,讓該系統(tǒng)可以適應(yīng)更多的環(huán)境。溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
圖2 溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
模糊控制不局限于系統(tǒng)輸入和輸出量是對(duì)應(yīng)的確切的數(shù)學(xué)關(guān)系,它的設(shè)計(jì)可以利用設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)描述輸入和輸出,同時(shí)在過(guò)程之中可以根據(jù)控制規(guī)則改變輸入和輸出的關(guān)系,令整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化。這也使得模糊控制器的設(shè)計(jì)不能用數(shù)學(xué)來(lái)解析模型??刂破魉惴ǖ脑O(shè)計(jì)主要分為4個(gè)步驟:模糊控制器結(jié)構(gòu)的確定、相關(guān)參數(shù)的模糊化處理、模糊規(guī)則的建立、最終輸出量的反模糊化輸出。
模糊控制的結(jié)構(gòu)主要根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求來(lái)確定,這也是模糊控制器的靈活之處。采集溫度和輸入溫度的對(duì)比得到偏差信號(hào)E,再根據(jù)前后偏差信號(hào)的對(duì)比可以得出偏差變化量EC。根據(jù)兩個(gè)值確定該系統(tǒng)可以采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)。
根據(jù)溫度控制器根據(jù)設(shè)計(jì)要求,偏差e基本論域初設(shè)為[-12,12],由于升溫速率不快,偏差變化ec基本論域?yàn)椋郏?2,12];模糊論域參考Mamdani模糊控制理論,模糊論域E和EC統(tǒng)一設(shè)為[-6,6],U設(shè)為[-6,6];量化因子為Ke=6/12=1/2,Kec=6/12=1/2。模糊論域E、EC、U分別具有一定的變化范圍,將該變化范圍分別定義為模糊集上的論域,可以定義為13個(gè)等級(jí):
根據(jù)模糊控制系統(tǒng)的建立方法,采用語(yǔ)言描述的形式,輸出及輸入的模糊子集的描述分別為:
根據(jù)模糊規(guī)則可以將偏差E和EC分成兩頭大、中間小,考慮溫度偏差大時(shí)可以快速逼近設(shè)定值,偏差較小時(shí)可以使控制效果變得精確、細(xì)膩;同時(shí)采用三角形和梯形函數(shù),便于離線計(jì)算。輸出U采用Z型和S型函數(shù),使得輸出數(shù)據(jù)過(guò)渡變得平滑。
確定模糊控制規(guī)則表時(shí)只需要調(diào)整相關(guān)參數(shù),使得系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)性能達(dá)到最佳即可,這也是模糊控制的特點(diǎn)之一,可以由設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出。根據(jù)系統(tǒng)輸出相應(yīng)關(guān)系,利用偏差和偏差變化趨勢(shì)調(diào)節(jié),可推出控制過(guò)程的所有控制規(guī)則如表1所示。
表1 模糊控制規(guī)則表
采用Mamdani模糊控制方法來(lái)設(shè)計(jì)本文的模糊溫度控制器,確定了它的量化因子、模糊規(guī)則、隸屬函數(shù)、比例因子等相關(guān)參數(shù),通過(guò)模糊推理,最終計(jì)算出相應(yīng)的輸出量,得出模糊溫度控制器最終的輸入、輸出關(guān)系表(表2)。
表2 輸入、輸出關(guān)系表
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括6個(gè)模塊:?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)初始化模塊、所需溫度的輸入模塊、加工工件的溫度采集模塊、相關(guān)溫度值的處理模塊、環(huán)境溫度采集模塊和模糊控制算法模塊。6個(gè)模塊整合在一起的系統(tǒng)流程如圖3所示。
圖3 主程序流程圖
本文運(yùn)用模糊控制作為控制方式,以單片機(jī)作為核心控制芯片,設(shè)計(jì)了模糊溫度控制器。通過(guò) MATLAB/Simulink平臺(tái)對(duì)模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,也驗(yàn)證了模糊規(guī)則設(shè)計(jì)的實(shí)用性與合理性。
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