基于模糊算法的連桿超聲波清洗液位控制系統

莫偉強 姜莉莉 方 強

(廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006)

汽車發動機連桿在生產過程中通常需要經過多個加工工序，其中清洗工序是非常重要卻又容易被忽略的一環。不合格的清洗容易造成生銹、加工誤差大及使用壽命短等問題。在科學加工手段快速進步的今天，產品的潔凈方式也出現新的突破。超聲波清洗就是其中較為突出的新型清潔方式，其產生效果的基礎是通過驅動電源形成高頻率諧振信號，通過換能器傳播到液體中，令液體中出現眾多直徑為50～500μm的小氣泡，振動至破裂，這個過程中會產生巨大的壓力，能夠令污垢破碎，達到良好的清洗效果。

連桿具有螺孔等難以清洗的位置，形狀復雜，外表難清洗，清潔度要求高，經實驗證明這種方式清潔連桿作用非常明顯，干凈程度能夠滿足工業需求。但是在清潔作業過程中，超聲波在儲液池洗滌劑中傳播，當到達洗滌劑的液面時會出現反射現象，造成沿著洗滌劑朝上的位置產生駐波聲場，這種情況就造成了處在波節附近的零件部位不能得到有效的清洗，也就是出現了清洗盲區[1]。根據清潔過程中不同的時間不斷變化洗滌劑的量，液面也隨著變化，從而減少不能有效清洗的零件部位，將清洗盲區減到最小。據此筆者設計了基于模糊算法的控制系統，用于實時改變連桿超聲波清洗時洗滌劑的液面高度。

1 液位系統分析和控制方案①

筆者設計的超聲波清洗液位控制系統控制的對象是儲液池中的液面高度，目的是保持液面高度在設定的數值附近，誤差不能超過10mm。在設定的系統控制下，當清洗過程受到影響，液面高度產生變化，液位能在短時間內迅速返回到設定值[2]。根據具體裝置進行分析，然后簡化其控制模型。控制結構由液位傳感器、控制器、儲液池、電磁調節閥和相關電器元件組成(圖1)。液位傳感器的作用是實時檢測儲液池的液面高度，電磁調節閥的作用是改變儲液池進水量的大小，設計控制器有一個接出變量，其作用是改變調節閥的動作。

圖1 液位控制模型結構

2 液位模糊控制器的設計

2.1 輸入和輸出模糊化

使用梯形水箱作為儲液池，將水箱內部液位的誤差設為E，其范圍是[-e，e]，誤差的變化量設為EC，其范圍是[-ec，ec]。變化量E、EC為梯形水箱控制器不可缺少的接入數值。該控制器的接出數值為電壓U，用以操作調節閥。調節閥的活動范圍，也就是電壓范圍，定為[-U，U]。

按照以上所述，設計的控制器誤差為e，理想的設定中e有一定的界限，確定它的取值，令E={-n，(-n+1)，…，0，…，(n-1)，n}為數值e的模糊子集界限。假設Ke=n/e，確定Ke為定量因素，受定量因素不同數值的作用，變量范圍[-e，e]的變化也有不同，變量范圍的大小改變，又將減少誤差的變化率。基于上述，選擇K為EC這一誤差改變率的定量因素，同時定義Kec=n/ec，由此可得控制量的定量因素Ku=u/n[3]。

由于Ku與n的乘積就是真實控制量，而n所代表的是電磁閥的電壓范圍[-U,U]的一個劃分等級，如果Ku超過一定的數值，就將使受控制的過程阻尼受到抑制；相反，Ku的值太小則會引起控制系統的反應屬性拖延滯后。考慮到具體情況，選擇n=6。初始設計的目標是二維控制器，即只有兩個要素起效果。e、ec和u這3個變量的模糊集是{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}，E、EC和U這3個變量的改變區域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}。函數對應地都選擇三角形的隸屬度式樣，經過處理，所得到的具體圖形如圖2所示。

2.2 建立控制標準

模糊控制的標準是液位情況隨著清洗過程推進而不斷改變，控制器做出相應處理時所遵循的原則。控制標準的確定是建立在無數相關專家大

圖2 e、ec和u的隸屬度函數圖

量的專業理論研究和長時間的一線工作所總結得到的經驗基礎上。書面上使用if、then、else及or等邏輯詞匯相貫串。控制標準實施命令遵循以下規律：在誤差較大的情況下，選定控制量的目的應該放在最短時間內盡可能縮小誤差[4]。相對而言，當出現誤差比較小的情況下，控制量的選定則要防止出現超調現象，減少影響，把穩定系統放在首位。

筆者所設計的控制器具有兩個接入量和一個接出量，通過現實經驗能夠總結出如下標準：

ifE=PB andEC= NB or NS or ZO

thenU= NB

按照這些語言條例可以總結出如下關系：

=RA∩RB

總的標準控制見表1。

表1 模糊控制標準

2.3 對應模糊控制的查詢

控制查詢表格表明了各條控制規則與對應輸入、輸出量的函數關系，一旦確定具體的輸入量，通過查詢表格，得出所使用的規則和推理的過程，以此對系統進行優化。

為了確定查詢表格，需要將有關于誤差e、誤差改變量ec和電壓u的3個隸屬函數，利用三角模糊理論[5]的方法，將函數量化后計算出賦值表，得到的賦值表可用于關系計算，從而確定查詢表格。查詢表格的設計按照以下原則：當出現誤差是“負大”，同時誤差的改變量也是負值時，那么這個時候誤差的改變傾向于增加。為了保證系統穩定，消除誤差增加的傾向，縮小誤差的影響，將控制量的設置定位為“負大”。同樣地在誤差是“負大”的情況，而此時誤差的改變量是正，模糊系統現在自身就已經帶有避免誤差的傾向，為了達到短時間內縮小誤差同時避免造成超調現象，應該把控制量定位在相對比較小的值。其他情形下，控制思想基本類似[6]。舉例如下：若誤差e為“負中”，即梯形水箱內此時水位較高，在這種情況下如果ec取“正小”，也就是代表此時水箱內水位有增高的趨勢，利用隸屬度最大的方法進行計算，求出輸出電壓為：

綜上所示，經過多步計算，可以推理出對應的控制查詢表格(表2)。

表2 模糊控制查詢表

3 控制系統的實現

所設計的控制系統選用三菱FX2N系列PLC來對梯形水箱內的液位進行控制，PLC利用控制電磁閥，可以調試梯形儲水箱進水量的多少，由此達到改變液位的目標。系統主要由4個構件組成，分別為電磁閥、PLC控制器、接入構件和接出構件。另外控制系統中選用投入式傳感器，放置于梯形水箱內部液體中，感應液體液面高度的改變，使用接入構件讀取液位的數值，輸入到PLC中進行處理，與控制器內已有的數值對比，根據模糊原理操作電磁閥改變液面高度[7]。經過控制計算后控制器構件會利用接出構件輸出4～20mA的電流。控制器液位控制結構如圖3所示。

圖3 控制器液位控制結構框圖

基于PLC的模糊控制，其原理是將經過量化后的因素保存在繼電器中，然后將采集得到的信號經過處理，對應于控制查詢表的原則，計算出輸出量，控制器輸出實際輸出量，繼而操作電磁閥，改變梯形水箱內部液面的高度。

按照模糊算法，給出其控制流程(圖4)。

圖4 模糊控制算法流程

4 仿真與分析

使用Matlab軟件中建模可視化模塊Simulink對筆者設計的連桿超聲波清洗液位控制系統進行模擬[8]，所得曲線如圖5所示。

圖5 連桿超聲波清洗液位控制系統響應曲線

從響應曲線中可以看出，該模糊控制器在不足10s的時間內，快速達到原先所設定的液位高度，證明控制器反應時間較短、控制準確，能滿足本課題儲液池水位操作的要求。

5 結束語

對象為液位的控制系統常常具有時滯性，而超聲波清洗因其清洗原理的特殊性對液位有特別要求。采用模糊控制通過制定合適的控制規則，解決了超聲波清洗實時自動改變液位的要求，減少了調節時間，縮小了超調量，提高了系統性能。

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