模糊算法補償溫度變化對液壓機壓力的影響

賀永森，陳江

（合肥合鍛智能制造股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230601）

0 引言

目前在國內常見的液壓機中，比例壓力閥調壓方式與手動調壓方式相比操作簡單，精確度高。與伺服閥調壓方式相比節省成本，抗污染性好。因而在國內的液壓機系統中廣泛使用。

然而，比例壓力閥調壓方式在使用過程中受到液壓油溫度影響比較大，隨著油箱油溫增高會使液壓油粘度降低。即使液壓機設置相同的壓力，在不同的油溫下液壓機產生的壓力也不相同。液壓機壓力會隨著液壓油溫度的增高而減小。這種情況會導致生產出的工件品質不穩定，極端情況下如果壓力過大會造成工件撕裂，壓潰，如果壓力過小則會造成工件成形不完全。針對這種情況大多數廠家采用的是手動補償的方法，在油箱溫度變化后手動增加或減小壓力設置值來補償壓力機的壓力誤差。這種方法需要現場操作人員有足夠豐富的現場經驗而且需要隨時根據現場溫度做調整，操作起來很繁瑣，效果也不是很好。

由于液壓機本身系統復雜很難量化的分析出不同溫度下對應的補償量，因此本文提出了一種基于模糊控制理論的自動溫度補償方案。通過溫度傳感器取得液壓機油箱的溫度值與溫度標準值的偏差e，用模糊控制器對e 進行處理得到一個補償值u，將補償值u 與液壓機原來的設置值疊加輸出給比例閥，即可減小溫度引起的液壓機壓力的偏差。

1 系統結構設計

液壓機使用西門子S7-1500 系列PLC 組建控制系統。液壓機油箱溫度采樣使用PT100 鉑電阻接入AI 4×RTD/TC 2-/3-/4-wire HF 模擬量輸入模塊。比例閥控制則使用AQ 2×U ST 模擬量輸出模塊。液壓系統使用的比例閥為Atos 公司的RZMO-TERS-PS-010 型比例閥。

由于液壓機大部分工作時間是處于常溫下，因此溫度標準值取常溫25℃。如圖1 所示，通過油箱溫度傳感器取得油箱實際溫度信號，通過模擬量輸入模塊轉化濾波，得到油箱溫度的實際值。用油箱溫度的實際值減去溫度標準值得到溫度誤差e。然后將溫度誤差值e 送入模糊控制器進行處理，通過模糊化、模糊推理和去模糊化將得到一個最終的壓力補償值。最后將得到的壓力補償值加入到壓力設置值中來調節比例閥開口大小從而修正控制系統壓力。

圖1 壓力補償模糊控制結構圖

2 設計論域與模糊規則表

在做模糊化處理時要考慮模糊集不能劃分過多，否則會加重PLC 的運算負擔，但也不能過少，否則精度不夠。本例中對溫度誤差e 分為7 個模糊集{負大（NB）、負中（NM）負小（NS）、零（Z0）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）}。e 為負值表示溫度低于標準值25℃，此時液壓油粘度大于25℃時的油液粘度，系統壓力會偏高；e 為正值則相反，表示系統壓力偏低。根據經驗取溫度誤差e 的論域為{-20，-10，-5，0，10，20，35}，其中-20 對應NB，對應液壓機允許使用的最低溫度5℃。35 對應PB，對應液壓機能夠使用的最高溫度60℃。隸屬度取1。同樣將補償值u 分為7 個模糊集{負大（NB）、負中（NM）負小（NS）、零（Z0）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）}。u 為負表示將減小系統壓力。u 為正表示將增大系統壓力。補償值u 的論域取{-6，-2，-1，0，4，6，10}。取量化因子0.05，則-6 對應NB，對應5℃時系統壓力設置值需減0.3。0.5 對應PB，對應60℃時系統壓力設置值需增加0.5。

溫度誤差e 和補償值u 使用三角形隸屬度函數，隸屬度函數如圖2 和圖3 所示。

圖2 e 的隸屬度函數曲線圖

圖3 u 的隸屬度函數曲線圖

偏差e 和補償值u 對應的賦值表如表1 所示。

表1 e 和u 的賦值表

3 模糊規則的制定

溫度偏差e 和壓力補償值u 的模糊規則可以這樣描述：若溫度偏差e 負大，則壓力補償值u 負大；若溫度偏差e 負中，則壓力補償值u 負中；若溫度偏差e 負小，則壓力補償值u 負小；若溫度偏差e 為零，則壓力補償值u 為零；若溫度偏差e 正小，則壓力補償值u 正小；若溫度偏差e 正中，則壓力補償值u 正中；若溫度偏差e 正大，則壓力補償值u 正大；根據溫度變化與補償值之間的關系可以得到模糊關系集合R。

表2 模糊控制規則表

按上述規則可以得到溫度偏差與壓力補償值的模糊關系R，補償值u 即為模糊控制的輸出，u 可由偏差矩陣e 和模糊關系矩陣R 合成得到。

4 反模糊化

通過模糊推理得到一個隸屬函數，再對其進行反模糊化處理，以期最后得到一個精確的值來疊加入比例法的控制值。采用了加權平均法來實現數據的反模糊化。

5 PLC 程序設計

根據上述模糊規則可以完成模糊運算程序的編制。本例使用西門子TIA Portal 編制控制程序。使用SCL 語言建立模糊規則的FB塊，然后在OB1 組織塊中進行調用。FB 塊程序如下：FUNCTION_BLOCK "模糊規則"

6 現場測試

將上述程序加入到現場一臺400t 液壓機程序及進行測試，根據現場實際情況修改輸入和輸出的模糊集，在沒有加入補償時液壓機油溫從20℃升高到45℃時壓力減小約0.3MPa，在加入補償程序后，壓力誤差減小至0.1MPa。

7 總結

本文在手動補償的基礎上提出了一種使用模糊算法對液壓機油液溫度進行處理，從而減小油溫對液壓機壓力產生的影響的方法。通過實驗證明是有效的，可以使得液壓機壓力精度得到了提升，工人操作得到了簡化。具有在液壓機行業推廣應用價值。