伺服壓力機(jī)模糊智能控制算法研究

何彥忠，王興松，陳 靜

（1．東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2．力信（江蘇）能源科技有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212132）

自從美國數(shù)學(xué)家維納于20世紀(jì)40年代創(chuàng)立控制論以來，自動(dòng)控制理論經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩個(gè)重要發(fā)展階段。在處理復(fù)雜系統(tǒng)控制問題時(shí)，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于復(fù)雜性所帶來的問題總是力圖突破舊的模式以適應(yīng)社會(huì)對(duì)自動(dòng)化提出的新要求。世界各國控制理論界也都在探索建立新一代的控制理論，以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。近年來，把傳統(tǒng)控制理論與模糊邏輯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法等人工智能技術(shù)相結(jié)合，充分利用人類的控制知識(shí)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制，逐漸形成了智能控制理論的雛形。

1985年，IEEE在紐約召開了第一屆智能控制學(xué)術(shù)會(huì)議，集中討論智能控制的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等問題，標(biāo)志著這一新的體系的形成。雖然智能控制體系的形成只有三十幾年的歷史，理論還遠(yuǎn)未成熟，但已有的應(yīng)用成果和理論發(fā)展都表明智能控制正成為自動(dòng)控制的前沿學(xué)科之一。概括地說，智能控制具有以下基本特點(diǎn)：

（1）應(yīng)能對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)（如非線性、快時(shí)變、復(fù)雜多變量、環(huán)境擾動(dòng)等）進(jìn)行有效的全局控制，并具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力；

（2）定性決策和變量控制相結(jié)合的多模態(tài)組合控制；

（3）其基本目的是從系統(tǒng)的功能和整體優(yōu)化的角度來分析和綜合系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，并應(yīng)具有自組織能力；

（4）同時(shí)具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過程，人的知識(shí)在控制中起著重要的協(xié)調(diào)作用，系統(tǒng)在信息處理上既有數(shù)學(xué)運(yùn)算，又有邏輯和知識(shí)推理。

模糊控制是一類智能控制的形式。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)雖然有著極高的計(jì)算速度和極大的存儲(chǔ)能力，但卻不能完成一些人看起來很簡單的任務(wù)。一個(gè)很重要的原因是模糊決策和推理的能力，模糊控制正是試圖模仿人的這種功能。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，塑性加工、粉末成形、難成形材料成形、復(fù)雜形狀零件成形、復(fù)合成形以及高精度成形等的需求日益強(qiáng)烈[1]。在“綠色制造”（Green Manufacturing）的概念已成為制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要趨勢(shì)的今天[2]，傳統(tǒng)壓力機(jī)的性能已不能滿足變革中成形工藝的要求。為此，出現(xiàn)了伺服壓力機(jī)，其在汽車零件、電子零件等高精度、難成形零件加工領(lǐng)域中，有著廣泛的應(yīng)用前景[3-5]。伺服壓力機(jī)主要用于拉深、沖裁、彎曲和冷鍛等生產(chǎn)線及試模壓力機(jī)[6]。采用數(shù)控技術(shù)，可控制滑塊行程和加工曲線以提高加工效率；在進(jìn)行反饋控制后系統(tǒng)精度得到大幅提高；還可對(duì)滑塊的輸出力和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制；這不但更節(jié)能[7-8]；而且改善了壓力機(jī)的工作環(huán)境，降低了振動(dòng)和噪聲[9]，為拓展新的成形加工工藝和模具制造方法提供了廣闊前景。

隨著科技的發(fā)展，伺服電機(jī)的控制方式也更加先進(jìn)、高效、精確，日漸向智能化方向發(fā)展[10-11]。研究表明，采用自適應(yīng)控制技術(shù)，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)，可以進(jìn)一步精確地控制壓力機(jī)滑塊的位置和速度，滿足生產(chǎn)加工工藝對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)曲線的要求[4,12-13]。在實(shí)際生產(chǎn)中將會(huì)獲得很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，體現(xiàn)綠色制造中的節(jié)能、降噪的先進(jìn)思想[14]。

智能壓力機(jī)是具有感知、決策、執(zhí)行功能的壓力機(jī)裝備，由開關(guān)磁阻伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝備的工作機(jī)構(gòu)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行整機(jī)控制。開關(guān)磁阻伺服電機(jī)通過角位移傳感器和電流傳感器的感知，對(duì)運(yùn)動(dòng)和壓力進(jìn)行智能數(shù)控。智能壓力機(jī)的組成是開關(guān)磁阻伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)PLC、觸摸屏通過網(wǎng)絡(luò)連接伺服電機(jī)控制器，連接互聯(lián)網(wǎng)。

1 智能壓力機(jī)硬件系統(tǒng)

伺服壓力機(jī)，主要由機(jī)械系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)組成，可通過直接驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)來控制滑塊行程[4]。圖1所示為實(shí)驗(yàn)用伺服壓力機(jī)，其由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和曲柄壓力機(jī)構(gòu)成。

圖1 伺服壓力機(jī)

如圖2所示，系統(tǒng)采用MCX314運(yùn)動(dòng)控制卡、PCL-818控制卡等組成一反饋控制系統(tǒng)。

2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

圖2 控制系統(tǒng)框圖

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，其性能的優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、模糊規(guī)則、合成推理算法，以及模糊決策方法等因素，應(yīng)總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和操作經(jīng)驗(yàn)，從穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)定精度等各方面來考慮。

2.1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)

如圖3所示，根據(jù)控制要求，模糊控制器采用二輸入三輸出的形式。

圖3 伺服控制系統(tǒng)框圖

采用位置偏差E和位置偏差變化率Ec作為模糊算法的輸入變量，PID控制器的三個(gè)參數(shù)KP，KI，KD作為輸出。利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊規(guī)則表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。輸出變量為PID參數(shù)KP，KI，KD。

2.2 論域及相關(guān)參數(shù)的確定

隸屬度函數(shù)采用Z形、S曲線形和三角形隸屬度函數(shù)。根據(jù)模糊控制的基本原理與本系統(tǒng)的特性將E和Ec的論域定義為[-1,1]。E的隸屬關(guān)系如圖4所示。

圖4 的隸屬度函數(shù)

2.3 參數(shù)調(diào)整原則及模糊規(guī)則的建立

模糊控制設(shè)計(jì)的核心是根據(jù)已有技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)[15-17]，結(jié)合位置誤差和誤差變化率的大中小各種狀態(tài)，建立合適的模糊控制規(guī)則表。比例系數(shù)KP的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，比例控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。積分系數(shù)KI的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，積分控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。微分系數(shù)KD的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，微分控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分成正比關(guān)系。

2.4 模糊推理規(guī)則

由模糊控制規(guī)則整定輸出量是一個(gè)模糊集合，需將其轉(zhuǎn)換成精確值后輸出。采用面積中心法（centroid）根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度，計(jì)算出輸出量的精確值。圖5為MATLAB控制工具箱中KP，KI，KD輸出曲面圖。

圖5 KP，KI，KD 輸出曲面

3 滑塊位置實(shí)驗(yàn)研究

3.1 方案實(shí)施

伺服壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)：在伺服壓力機(jī)無負(fù)載的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為受控對(duì)象。

3.2 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

在給定階躍信號(hào)為1000脈沖的時(shí)候，分別采用模糊PID控制器和線性PID控制器，其階躍響應(yīng)曲線如圖6所示。

本文中線性PID控制器的控制周期T=0.005s，模糊PID控制器的控制周期T=0.016s。

以上實(shí)驗(yàn)分別就線性PID和模糊PID控制進(jìn)行研究。雖然線性PID具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)算量小的特點(diǎn)；而模糊PID結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)算時(shí)間較長。但是如表1所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，模糊PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)性能明顯優(yōu)于線性PID控制系統(tǒng)。

采用模糊PID參數(shù)自整定控制，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快、調(diào)節(jié)精度提高、穩(wěn)態(tài)性能變好，具有較強(qiáng)的魯棒性，抗干擾能力明顯優(yōu)于線性PID控制器。

圖6 伺服壓力機(jī)位置控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

表1 控制結(jié)果比較

3.3 正弦跟隨實(shí)驗(yàn)

以正弦信號(hào)作為控制量，分別采用模糊PID控制器和線性PID控制器進(jìn)行跟隨控制，得到控制伺服系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)曲線（圖7）。

圖7 模糊PID與線性PID控制器正弦信號(hào)響應(yīng)曲線

圖8所示為模糊PID與線性PID控制器正弦信號(hào)響應(yīng)誤差曲線?？梢杂^察到在系統(tǒng)較為穩(wěn)定的情況下，線性PID由于結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)算時(shí)間較短的優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)控制環(huán)境變化的時(shí)候模糊PID器整體表現(xiàn)比較穩(wěn)定，而線性PID控制器整體控制誤差較大。

圖9為模糊算法得到的PID參數(shù)值，可以看到在模糊PID控制器中KP，KI，KD三個(gè)參數(shù)隨著誤差量的變化在不停的變化調(diào)整，以適應(yīng)系統(tǒng)的變化。

4 結(jié)論

本文在智能控制的框架下，對(duì)模糊模型與基本控制算法、非線性系統(tǒng)的模糊建模與控制、模糊預(yù)測控制、模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析等方面進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述和分析。

圖8 模糊PID與線性PID控制器正弦信號(hào)響應(yīng)誤差曲線

圖9 模糊PID控制器參數(shù)隨誤差變化曲線

基于模糊PID理論的控制器，其響應(yīng)快、超調(diào)小，較好地解決了線性PID控制中存在的超調(diào)量和快速響應(yīng)之間的矛盾，受系統(tǒng)參數(shù)突變的影響比較小，控制精度高，且有較強(qiáng)的魯棒性，抗干擾能力也較線性PID控制器有所提高。可以用于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。