噴霧冷卻系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計(jì)

李有文 余建華 胡 琳

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治046011）

0 引言

近年來，工業(yè)生產(chǎn)過程使用大量切削液，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。

1 冷卻系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

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)是不需要對相關(guān)的控制環(huán)節(jié)有太精確的把控，在整個(gè)過程中可以實(shí)時(shí)根據(jù)溫度傳感器的信號來改變相應(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，也解決了加工過程中溫度變化引起的應(yīng)力集中溫度問題。同時(shí)使用的冷卻介質(zhì)都是無污染的氣體和液體，也解決了切削液的處理問題。

圖1 噴霧實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

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，可以通過鍵盤輸入加工過程中需要的恒定溫度并顯示，加工過程中由溫度傳感器（熱電偶）來進(jìn)行工件溫度的實(shí)時(shí)采集，并由A／D轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號交由單片機(jī)處理；單片機(jī)將采集信號和輸入信號進(jìn)行對比，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

3 模糊溫度控制器算法設(shè)計(jì)

模糊控制不局限于系統(tǒng)輸入和輸出量是對應(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)來描述輸入和輸出，同時(shí)在過程之中可以根據(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)來解析模型。控制器算法的設(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。

3.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)確定

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比得到偏差信號E，再根據(jù)前后偏差信號的對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)。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)模糊化處理

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：

3.3 模糊規(guī)則建立

根據(jù)模糊控制系統(tǒng)的建立方法，采用語言描述的形式，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)過渡變得平滑。

3.4 模糊控制規(guī)則表確定

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調(diào)節(jié)，可推出控制過程的所有控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

3.5 輸出量的反模糊化

采用Mamdani模糊控制方法來設(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

4 模糊溫度控制器的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括6個(gè)模塊：單片機(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

5 結(jié)語

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 MATLAB／Simulink平臺對模糊控制系統(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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