（机械制造及其自动化专业论文）高档数控珩磨机自适应控制系统研究.pdf

硕 ：学伊论文 摘要 近年来，珩磨技术已成为发动机气缸套、汽缸体孔以及工程机械中重要的液 压缸等精密偶件孔加工必不可少的工艺技术。但是，国产珩磨机无论在加工精度、 制造水平、控制方式等方面，与国外珩磨机相比，存在很大差距，整体珩磨工艺 技术水平较低。目前国内市场上精密高效数控珩磨机床几乎全部为国外品牌所垄 断，所以设计开发并制造高档数控珩磨机，对满足国内机械行业对珩磨技术越来 越高的要求具有很重要的意义。 由于计算机技术、通讯技术、电液控制技术、机械加工工艺的飞速发展，使 得将自适应控制技术应用在珩磨技术上，成为可能。在机械加工过程中，无法预 先考虑加工余量不一致、工件材质不均匀性、刀具磨损、切削力变化等因素产生 的加工影响，因此加工质量无法满足厂家越来越高的要求。而在实际操作过程中， 很难精确计算出有些机械系统的数学模型，这又给加工过程精确控制增加难度， 而模糊自适应控制技术正好可以解决以上难题。所以，发展珩磨机模糊自适应控 制系统成为一种趋势。 本文主要根据数控珩磨机床往复运动系统和进给运动系统的工作特点，在建 立数学模型的基础上，研究珩磨机的自适应模糊控制方法，并在理论上论证模糊 控制方法满足高档数控珩磨机的控制要求；应用v b 编程语言设计数控珩磨机自 适应控制系统，实现对数控珩磨机加工过程的自适应控制和显示当前珩磨机床运 动状态参数；运用动态链接库技术实现v b 调用m a t l a b 复杂算法；在西门子 0 e m 环境下，将设计的专用控制界面嵌入到8 4 0 d 数控系统中，并实现设计界面 与n c k p l c 之间的通讯和对数控珩磨机床的操作和监控。 关键词：珩磨机；模糊控制：8 4 0 d ；动态链接库；自适应控制系统 高档数托：珩磨机自适应拧制系统研究 abstr act l nr e c e n ty e a r s ，h o n i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m ee s s e n t i a lt e c h n o l o g yi ne n g i n e c y l i n d e rl i n e r ，c y l i n d e rb l o c kh o l e sa n dc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ，h y d r a u l i cc y l i n d e r s a n do t h e r p r e c i s i o nc o u p l i n g h o l ec u t t i n gp r o c e s s i n g h o w e v e r ，c o m p a r e d w i t h f o r e i g nh o n i n gm a c h i n e ，t h e r ei s ab i gg a pa n dal o w e rl e v e lo fo v e r a l lh o n i n gp r o c e s s a td o m e s t j ch o n i n gm a c h i n ei nt e r m so fp r e c i s i o nm a c h i n i n g ，t h em a n u f a c t u r i n gl e v e l a n dt h ec o n t r o lm o d e aj m o s ta l jf o r e i g nb r a n d sm o n o p o i yt h ep r e c i s ea n de m c i e n t c n c h o n i n gm a c h i n ei nt h ed o m e s t i cm a r k e t ，s of o rc a t e rt ot h em o r ea n dm o r eh i g h e r r e q u i r e m e n t si nh o n i n gt e c h n o l o g yt om e e tt h ed o m e s t i cm a c h i n e r yi n d u s t r y ，t h e a c t u a lo c c u r r e n c eo ft h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r eo ft o p g r a d ec n c h o n i n gm a c h i n eh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i n c a n c e h i g h e n dc n ch o n i n g m a c h i n ei nt h ec o u r s eo ft h e i rw o r k ， m a c h i n i n g p a r a m e t e r s ( s u c ha sar e c i p r o c a t i n gs p i n d l es p e e d ，s p i n d l es p e e d ，f e e df b r c e ) m o r e a r t i f i c i a l l y s e tt h e s ep a r a m e t e r si s r e l a t i v e l yl a r g ei m p a c to n t h eq u a l i t yo ft h e w o r k p i e c e ，h o n i n gm a c h i n ea d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nc h a n g e si nt h es i z eo f t h ea p e r t u r e ，t h ed i f f 色r e n c eo ft h eq u a l i t yo ft h ew o r k p i e c e ， h o n i n gp a r a m e t e r s a u t o m a t i c a l l ym a k et h ea p p r o p r i a t ea d j u s t m e n tt or e d u c et h eh u m a ni m p a c tf a c t o r ，t o i m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o c e s s i n go ft h ew o r k p i e c e t h e r e f o r e ，t h e r ei sat r e n dt o d e v e l o p m e n to ft h eh o n i n gm a c h i n ef b z z ya d a p t i v ec o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n g t ot h ec h a a r a c t e r i s t i c so fr e c i p r o c a t i n gm o t i o no fc n ch o n i n g m a c h i n ea n dt h ef e e dm o t o rs y s t e m ，s t u d yh o n i n gm a c h i n ea d a p t i v ef u z z yc o n t r o l m e t h o do nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n da r g u m e n ti nt h e o r yt h a tf u z z y c o n t r o lm e t h o dc a nm e e tt h eh i g h - e n dc n ch o n i n gm a c h i n ec o n t r o l sr e q u i r e m e n t s d e s i g nc n ch o n i n gm a c h i n ea d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mi nv bp r o g r a m m i n gl a n g u a g et o a c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r o lo fc n c h o n i n gm a c h i n ep r o c e s s i n g ，a n dd i s p l a yt h ec u r r e n t s t a t eo fm o t i o no fh o n i n gm a c h i n ep a r a m e t e r s a c h i e v et ov bc a l lm a t l bc o m p l e x a l g o r i t h m si nu s eo fd y n a m i cl i n kl i b r a r yt e c h n 0 1 0 9 y i ns i e m e n so e me n v i r o n m e n t ， t h ed e s i g no fad e d i c a t e di n t e r f a c ee m b e d d e di n t ot h e8 4 0 dc n cs y s t e m ，a n da c h i e v e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ed e s i g no fh ei n t e r f a c ea n dt h en c k p l c ，i tc a no p e r a t e a n dm o n i t o rc n ch o n i n gm a c h i n et 0 0 1 k e y 、7 ，o r d s ：h o n i n gm a c h i n e ；f u z z yc o n t r o l ；8 4 0 d ；d y n a m i cl i n kl i b r a r y ；a d a p t i v e c o n t r o ls y s t e m 硕1 学 论文 插图索引 图2 1 珩磨头工作示意图5 图2 2 电夜伺服位置控制系统框图6 图2 3 珩磨机往复位置控制系统传递函数框图8 图2 4 珩磨机往复位置控制系统传递函数9 图2 5 珩磨机进给系统阀控缸传递函数9 图2 6 模糊控制器结构图1 0 图2 7 隶属函数编辑器1 3 图2 8 模糊规则编辑器1 4 图2 9 往复运动模糊控制数学模型15 图2 1 0 进给运动模糊控制数学模型1 5 图2 1 l f i s 嵌入模糊逻辑控制器1 5 图2 1 2 往复运动系统常规控制仿真曲线1 5 图2 1 3 往复运动系统模糊控制仿真曲线1 6 图2 1 4 进给系统常规控制仿真曲线1 6 图2 15 进给系统模糊控制仿真曲线1 6 图3 1 数控珩磨机系统结构图1 8 图3 2 控制界面功能模块19 图3 3 用户主界面2l 图3 4 用户登录流程图2 l 图3 5 用户臀陆界面2 1 图3 6 密码修改界面2 2 图3 7 控制界面2 2 图3 8 参数设置界面2 3 图3 9 状态显示界面2 3 图3 1 0 故障信息界面2 4 图3 1 1 r s 2 3 2 用户参数界面2 4 图3 12 r 参数界面2 5 图3 1 3 刀具补偿界面2 5 图3 1 4 零点漂移界面2 5 图3 15 用户表2 6 图3 16 查询表2 6 图3 17 a d 0 控件的p r o p e r t yp a g e s g e n e r ai 对话框2 7 图3 1 8 创建新数据源对话框2 8 图3 1 9 0 d b cmic r o s o f ta c c e s s 安装对话框2 8 i i i 高档数控珩麝机自适应托潍l j 系统研究 图4 1 s ln u m e r i k8 4 0 d 硬件结构3 1 图4 2 r e g i e 初始化文件部分内容3 3 图4 3 顺序控制界面示意3 3 图4 4 h 中的接口示意图一3 4 图4 5 n e w 对话框3 7 图4 6 m f c a p p w in z a r d 对话框3 7 图4 7 新工程信息对话框一3 8 图4 8 v c + + 6 0 集成开发环境3 8 图4 9 0 e m b s p l6 文件夹内容4 6 图4 1 0 sr c 文件夹4 6 图4 1 1 语言动态链接库目录4 7 图4 1 2 n c k 变量和数据模块4 8 硕 j 学伊论文 附表索引 表2 1 模糊控制规则表1 4 表4 1 标准模块和窗体4 5 表4 2 程序模块4 5 表4 3 域服务的命令5 0 表4 4 传递状态的含义5 0 表4 5 命令表51 v 硕 ：学f 论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于国家“高档数控机床与制造装备”科技重大专项。编号： 2 0 l o z x 0 4 0 0 0 1 1 8 l 。 1 2 课题研究背景与意义 珩磨是对工件表面进行光整和精整的超精加工方法。珩磨的加工原理是利用安装于 珩磨头圆周e 的若干条油石，由涨开机构将油石沿径向涨开，使其压向工件孔壁以便产 生一定的面接触，同时使磨头作旋转和往复运动( 工件不动) ，由此而实现对孔的低速磨 削【1 1 。按加工的表面可分为内圆珩磨，外圆珩磨、平面珩磨、锥面珩磨等：按加工表面 的微观结构可分为普通珩磨、平项珩磨和激光珩磨等【2 】。在珩磨工艺的摩擦副中，圆柱 面的配合最多，例如，各种发动机的缸体，汽车制动泵，油泵，油缸，阀体等。而在圆 柱面的配合中，需要珩磨的就是内孔。所以应用范围最广泛，占绝大多数的珩磨工艺就 是内圆珩磨。 珩磨加工的优点是：( 1 ) 加工精度高，工件经珩磨后，尺寸精度、形位精度均能提高， 表面粗糙度可达r a o 8 r a 0 2 u m ，有的甚至低于r a 0 0 2 5 u m ，( 2 ) 表面质量好，珩磨加工面 具有交叉网纹，有利于润滑油的见。：存及油膜的保持，并有较高的表面支承率( 孔与轴的 实际接触面积与两者间的配合面积之比) ，因而能承受较大的载荷，耐磨损，从而延长 了使用寿命等。( 3 ) 加工范围较广，珩磨主要用于加工各种圆柱形孔( 包括光孑l 、轴向或 径向问断表面孔、通孔、盲孔和多台阶孔) ，还能加工圆锥孔、椭圆形孔、余摆线孔等【3 j 。 在机械行业中，珩磨加工技术是很重要的一种加工工艺。近年来，珩磨己发展为发 动机汽缸套、汽缸体孔以及工程机械中重要的液压缸等精密偶件孔加工必不可少的工艺 技术。通过良好的珩磨工艺，在发动机方面，大大缩短了跑和时间，减少了燃料消耗， 避免了孔的拉毛划伤；在液压偶件孔方面，它通过工作表面均匀的油膜，大大提高了偶 件间的配合精度，增强密封性能，提高液压系统的稳定性与功率增长。珩磨工艺质量直 接影响汽缸套、汽缸体、液压缸等关键基础件的使用寿命，决定了发动机的大修时间、 油耗和尾气排放以及液压系统的稳定性与可靠性。随着工程技术领域对发动机运行机理 的深入研究，对珩磨工艺技术提出了更高的要求，由2 0 世纪7 0 年代以前单纯追求珩磨工 艺获得内壁尺寸高精度的尺寸公差和形位公差，发展到当今在控制尺寸精度和形位公差 的同时，更注重控制珩磨网纹的微观结构，( 如网纹石墨裸露率、表面金属折皱、波峰 与波谷形态等) 。目前，珩磨加工由原来的修配型发展到生产自动加工型，并由汽车、 高档数控开j 摩机向适应拧制系统研究 摩托车缸体、缸套珩磨发展到冰箱、空调器、医疗器械、石油机械领域上的各类连杆、 齿轮、轴承、人造关节、抽油泵等各种零件上，甚至对冷拔钢管可进行直接珩磨加工。 在珩磨机的技术水平方面，目前，国内在发动机气缸套、汽缸体以及工程机械液压 系统等制造业中，普遍采用珩磨加工技术，但主要依赖于进口高精度珩磨机进行最后一 道工序的高精度珩磨。国产珩磨机无论在加工精度、制造水平、还是控制方式等方面， 与国外珩磨机相比，存在很大差距，整体珩磨工艺技术水平比较低；国内对珩磨加工技 术的研究，仍然局限于对珩磨头制作以及砂条选材研究等较低层；另外，国内对珩磨工 艺参数的研究几乎是空白，对珩磨加工要求控制的参数也仅有r a 、r z 、t p s k 等少数几 组，根本无法满足现代工业，尤其是快速发展的汽车工业的技术要求。目前，中国市场 上精密高效数控珩磨机床几乎全部为国外品牌所垄断。 1 3 自适应控制技术在数控机床上的应用现状 早在5 0 年代末期，由于飞行控制的需要，美国麻省理工学院( m i t ) 的w h i t a k e r 教授 提出了模型参考自适应控制的方法，并且试图利用这种方法来解决飞行器的自动驾驶问 题【4 j 。自7 0 年代，由于计算能力的飞速提高和对控制理论的更深刻的研究，自适应的许 多基本问题都得到了解决，到现在为止，自适应控制在工程领域和非工程领域都得到了 成功的应用，而且自适应的思想已经成为信号处理、网络通信等其他相关学科研究中必 不可少的重要基础。我国白8 0 年代以来对自适应控制的应用做了大量的工作，在许多大 型的工矿企业中运用了这种先进的控制方法，并取得了良好的经济效益【5 】。 模型参考自适应控制系统( m r a c ) 主要经历了4 个发展阶段。第一阶段是基于局部 参数最优化的设计方法。最初是使用性能指标极小化的方法设计m r a c ，这个方法是由 w h i t a k e r 等人于1 9 5 8 年在麻省理工学院首次提出来的，命名为m i t 规则。接着 d r e s s b e r ，p r i c e ，p e a r s o n 等人也提出了不同的设计方法1 6 】。这个方法的主要缺点是不能确保 所设计的自适应控制系统的全局渐进稳定；第二个阶段是基于稳定性理论的设计方法。 b u t c h a n 和s h a c h c l o t h 、p a r k s 、p h i l l i p s o n 等人首先提出用李亚普洛夫稳定性理论设计 m r a c 系统的方法。在选择最佳的李亚普洛夫函数是时，l a u d a u 采用了波波夫超稳定理 论设计m r a c 系统：第三阶段是理想情况( 即满足假定条件) m r a c 系统趋于完善的过程。 美国马萨诸塞大学的m o n o p o l i 提出一种增广误差信号法，当按雅克比稳定性理论设计自 适应律时，利用这种方法就可以避免出现输入量的微分信号，而仅由系统的输入输出便 可调整控制其参数1 7 j ；第四阶段是向实际应用靠拢阶段，主要目标是减少假定条件、去 掉增广误差信号、减少可调参数、提高系统的鲁棒性和克服系统干扰掣8 1 。 自适应控制技术在机床上的应用很广泛。速度伺服系统的质量和性能在很大程度上 影响数控机床的质量和性能，为避免c n c 的模拟输出电压上发出的干扰使电机产生颤动 和速度死区，采用模型参考自适应控制( m r a c ) 的控制方式对该伺服系统进行控制， 2 硕f “孚： 矗论文 可以得到比较满意的控制效果【9 1 。交大昆机与以色列o m a t 公司的合作，成功地将单元 软硬件混合式a c m 系统集成安装在其公司产品t h m 4 6 8 0 卧式加工中心的8 4 0 d 系统上， 经过大量工件切削对比试验，其切削效率提高了约3 3 。a c m 机床负载量化控制以及对 刀具、主轴的安全保护功能，使得操作者能放心最大限度的满负荷使用机床，而不会对 机床造成伤害【1 0 】。在一般数控机床的实际加工生产中，加工过程中所需要的信息( 刀具 运动轨迹、切削速度、进给速度) 都是编程确定的，但是在程序编制中，往往无法预先 考虑实际加工时出现的一些因素( 加工余量不一致、工件材质不均匀性、刀具磨损、切 削力变化) 对加工过程产生的影响，需要在实际加工过程中进行修正，所以应用自适应 控制技术对其进行控制。其试验结果是，无自适应控制时，加工余量变化会引起切削力 大小的变化；采用自适应控制后，切削力变化大为减小，工件表面跳动也大大减小，从 而实现数控铣削加工过程的自适应控制1 1 。在并联机床上，由于并联机床是一个高度非 线性、强耦合性、变参数的的复杂系统，所以其加工过程中负载的不断变化以及被控系 统的未建模部分等，使得刀具按照预定空问轨迹运动会有较大的误差。一些非线性控制 方法，如非线性前馈补偿方法、计算力矩方法等，一般要求较精确的动力学模型，并且 控制结构复杂，实现起来成本很高。而自适应控制方法克服以上缺点，可以使机床在运 动和负载变化情况下，能够准确的跟踪希望的轨迹i l2 l 。在该方法中，为了减小系统的跟 踪误差以及保证系统的稳定性能，采用非线性自适应控制器，其仿真实验表明自适应控 制补偿了系统的参数变化，同时消除了实际加工的外力扰动，系统的稳定性和鲁棒性很 好【13 1 。 近年来，自适应控制技术在珩磨技术上的应用也在不断向前发展。控制系统也由传 统的机一电一液压控制向数字行程控制，甚至是向c n c 发展。控制系统为珩磨机的关键 技术，各公司都投入大量的人力、物力进行研究和开发，更新换代，因此各公司的控制 系统义有所不同。可编程数字行程控制系统为目前使用最广泛的控制器，可自动控制旋 转速度、行程速度、粗珩进给、精珩进给，可故障报警，并可遥控调节，包括遥控调节 珩磨油石磨耗补偿、进给速度和扭矩。另一类为远程行程调节系统，可设定和修改机器 数据，用于设定上下反向点、上下预停点、最大行程、参照点、短行程范围等，另外还 可以对错误信息报警。也有采用脉冲尺c p 3 0 0 7 控制往复行程，而用一个数字阀控制行程 速度和反向冲击。采用c n c 作为控制器还是近几年的事，按传统的珩磨理论和思路似乎 珩磨机采用c n c 作为控制器是大材小用。然而，随着现代c n c 技术的发展，计算机的功 能越来越强大同时价格越来越便宜，而工件的精度要求越来越高。三轴联动c n c 控制系 统控制砂条进给、主轴行程和往复速度、主轴转速等。控制系统采用专用先进珩磨过程 程序一次可存1 0 0 个程序。c n c 控制可保持上下往复与旋转速度按一定曲线比例，往复 行程的重复精度可达o 2 5 m m ，使网纹更稳定，减少了对工人操作经验的依赖。 珩磨机的传统控制方式为开关型液压控制方式，是迄今为止用得最多的控制方式。 它通过电磁驱动或手动驱动来实现液流的通、断和流动方向的控制，从而实现被控制对 3 高档数挖矸j 磨机自适应j 窄制系统研究 象的力、速度及方向的控制。但是这种方式无法实现液流流量、压力的连续的按比例的 控制，同时响应时间比较长、精度差、换向时的冲击比较大，因此在许多场合下不宜采 用。第一次世界大战期间，由于以飞机、火炮等军事装各为对象的控制系统，要求快速 响应、高精度等高性能指标，在这个背景下迅速发展了电液伺服控制。这种控制方式可 根据输入信号( 如电流) 的大小连续、按比例地改变液流的流量、压力和方向，克服开关 型控制的缺点，实现高性能控制的要求。近年来，由于计算机技术、通讯技术、电液控 制技术、机械加工工艺的飞速发展，使得将自适应控制技术应用在珩磨技术上，成为可 能。在机械加工过程中，无法预先考虑加工余量不一致、工件材质不均匀性、刀具磨损、 切削力变化等因素产生的加工影响，因此加工质量无法满足厂家越来越高的要求。而在 实际操作过程中，很难精确计算出有些机械系统的数学模型，这又给加工过程精确控制 增加难度，而模糊自适应控制技术正好可以解决以上难题。所以将模糊自适应控制技术 应用在高精度数控加工设备上，成为一种趋势1 1 4 d6 l 。 1 4 研究内容 本文的主要研究内容如下所述： ( 1 ) 在研究珩磨机往复运动系统和进给运动系统的工作机理和结构的基础上，建立 往复运动系统和进给运动系统的数学模型，珩磨机控制系统采用模糊控制方法，并在 m a t l a b 环境下仿真，得到的结论符合珩磨机床控制系统的设计要求。 ( 2 ) 设计珩磨机自适应控制系统。该部分主要应用v b 语言设计了珩磨机专用控制界 面，并对控制界面的各功能模块做了详细的阐述。详尽说明了数据存储应用到的数据库 技术。 ( 3 ) 在西门子8 4 0 d 数控系统o e m 环境下，研究珩磨机控制界面的嵌入。o e m 软件提 供顺序控制框架，在此框架下，利用系统提供的标准模块和窗体对新设计的窗体界面进 行定义，使新设计窗体界面嵌入到8 4 0 d 数控系统。 ( 4 ) 要使嵌入的控制界面能控制数控珩磨机正常工作，还须利用o e m 提供的d d e 接口实现控制界面与数控系统中信息的实时交换，即实现二者之间的通讯。 ( 5 ) 在v c 抖的集成开发环境中运用m f c 创建语言动态链接库，动态链接库技术帮助 v b 语言对m a l l ，a b 复杂算法的调用。 1 5 本章小结 本章主要介绍了课题来源、课题研究背景与意义，珩磨技术在机械行业的发展现状 和自适应控制技术在机床上的应用现状，最后介绍了本文的研究内容。 4 硕士学化论文 第2 章珩磨机往复运动和进给系统数学模型建立及仿真 往复运动和进给运动是珩磨机床的两个主运动，如图2 1 所示。在珩磨头引进工件 后，往复运动和主旋运动组合形成切削运动，珩磨油石的膨胀形成进给运动和切削力。 具体的珩磨加工过程为，主轴电机带动珩磨头以一定的转速旋转形成主运动之一，同时 液压油缸带动珩磨头在缸孔内作上下往复直线运动形成主运动之二。在主运动进行的过 程中，控制系统控制液压回路使珩磨头在缸孔内涨紧，并且按照加工工艺要求，实时调 整涨紧液压力，使珩磨头涨紧压力维持在预制值。珩磨机的主轴往复运动和进给运动都 由液压伺服系统实现，电压比例阀控制液压缸的进出油，使珩磨头的往复运动按照预先 设置的轨迹运动，使珩磨头涨紧液压力保持一定。 珩 图2 1 珩磨头工作示意图 2 1 珩磨机往复运动系统与进给系统数学模型的建立 2 1 1 往复运动控制系统数学模型建立 液压伺服位置控制系统一般由电液伺服阀、指令信号源、伺服放大器，液压执行器 ( 本文为液压缸) 和反馈传感器组成，如图2 2 所示。执行器的输出由反馈传感器连续测量， 并与指令输入信号进行比较。两者之差即误差信号被放大器放大，产生的信号加给伺服 阀，使执行器产生纠正动作，从而使带动负载的输出信号与指令信号的要求相一致1 刀。 5 高档数控珩磨机自适应控制系统研究 负载 图2 2 电傻伺服位置控制系统框图 ( 1 ) 电液伺服阀：电液伺服阀是电液伺服控制系统的关键元件，其作用是利用微弱 的电气信号去控制功率较大的液压输出( 压力和流量) 。一般将电液伺服阀视为一个振荡 环节。其数学模型为： 一器2 忐 陋- ， 式中 吃一伺服阀固有频率，阳d s ： 彘一伺服阀阻尼系数； k 一伺服阀的静态流量增益，( 聊3 ，s ) m ，计算式：k = q 厶： q v 伺服阀的额定流量， 一一伺服阀的额定输入电流，么。 对于伺服阀参数，根据制造厂提供的电液伺服阀的说明书可知： 伺服阀固有频率：q 2 5 0 0 朋d 几： 伺服阀阻尼系数：彘= o 8 5 ； 额定电流为：厶= 3 0 0 刚； 额定流量为：q = 8 0 三m i n ： 额定压力为：以26 3 坳口。 由以上参数可以求得伺服阀的静态流量放大系数： k 。= q v | l ，= 4 4 4 4 吣秆| | a 因此可得电液伺服阀的数学模犁为： 啪) = 丁鼍 s z u 萏) 5 0 0 z5 0 0 ：- + s + l 6 ( 2 - 2 ) 硕 学位论文 ( 2 ) 伺服放大器：伺服放大器由加法器和信号放大器组成，其作用是接收指令信 号与反馈信号并加以比较，得出误差信号后放大成具有一定驱动功率的控制电流加到电 液伺服阀的线圈上。一般可以将伺服放大器视为一个比例环节。其数学模型为： ，= k 。u ( 2 3 ) 或 耶) = k a u ( s ) ( 2 4 ) 式中 ，一放大器的输出电流，彳； k 。一伺服放大器增益，爿y ，其数值待定； u 一输入的电压信号，y 。 ( 3 ) 液压缸及惯性负载：液压缸通常可以视为一个积分加二阶振荡环节少其传递函 数为：刚沪蠢 ih 式中一液压缸固有频率，阳d s ； 彘一液压缸阻尼系数； b 一液压缸增益，k 圳：l 爿，1 c 朋2 。 液压缸固有频率可以利用下式计算： 。 式中肛一液压油的体积弹性模量，一般取值为：7 0 0 脚口； 巧一液压缸两腔的总容积，m 3 ； ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 脚，一负载和液压缸可动部分的总质量，堙； 彳一液压缸无杆腔有效作用面积，历2 。 在本课题中的液压缸，取5 5 4 4 7 ，彘= o l5 ，可以得出液压缸的传递函数为： 高档数挖珩磨机门适应控制乐统研宄 鳅沪一 亿7 ， ( 4 ) 反馈传感器：其作用是把执行器( 液压缸或液压马达) 的输出( 位移、速度、加速 度或力) 信号转换成可以与指令信号作比较的反馈信号。本课题使用液压缸作为执行器， u f = k f x 式中一位移反馈信号，y ： ( 2 8 ) 巧一传感器的位移电压转换系数，y m ； x 一油缸的输出位移，所。 由于采用光栅尺作为位置反馈元件，反馈元件输入到控制器的信号是脉冲信号而非 模拟信号，故在这里定反馈传感器的传递函数为： g ( s ) = 1 矿册。 ( 5 ) 确定伺服放大器增益： 系统的开环增益为：k = 心k b 巧； 代入各数值，有：k = 疋4 4 4 4 o 0 4 0 6 l = 18 0 4 3 k 删j 根据劳斯一霍尔维茨稳定判别条件：2 磊嘶2o 3 ，k 应小于2 磊，即 k 2 彘纯，取：k = 0 2 5 魄2 13 6 2 删瓜，有e = 0 7 5 5 彳y 。 综上所述，可以得到珩磨机往复运动控制系统的数学模型框图及其传递函数，如图 2 3 、2 4 所示： 图2 3 珩磨机往复位置控制系统传递函数框图 8 硕 ：学f 一论文 图2 4 珩磨机往复位置控制系统传递函数 2 1 2 珩磨机进给运动数学模型的建立 珩磨机往复运动和进给运动的液压伺服控制系统的工作原理和结构相同，根据 ：述 推导过程可得出和往复运动系统相似的进给运动系统的传递函数，如图2 5 所示。 2 2 智能模糊控制 图2 5 珩磨机进给系统阀控缸传递函数 随着科学技术的迅猛发展，对自动控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性和 适应能力的要求越来越高，对大多数复杂的被控对象，采用传统的控制方式往往难以收 到满意的控制效果。而模糊控制综合了专家的经验，具有不依赖被控对象的精确数学模 型，设计简单、便于应用、抗干扰能力强、响应速度快、易于控制和掌握，对系统参数 的变化有较强的鲁棒性等特点，在经典控制理论和现代控制理论难以应用的场合发挥了 很大的作用【18 1 。 在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统。其中，有的参数 未知或缓慢变化；有的存在滞后和随机干扰；有的无法获得精确的数学模型。模糊控制 器是一种近年来发展起来的新型控制器，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂 系统的控制，其目的是提高系统的鲁棒性、容错性和解决具有严重的非线性和不确定系 统的控制问题。模糊控制同传统控制的不同在于，它不依赖于被控对象的数学模型，而 是在总结经验操作的基础上实现自动控制的一种手段，它根据人工控制规则组织控制决 9 高档数挖珩磨机自适| 立控制系统研究 策表，然后由该表决定控制量的大小，这种控制方法简单实用，符合人们的逻辑思维， 在工业现场获得了很好的应用【1 9 2 。 2 2 1 模糊控制基本原理 一、模糊控制器结构 其结构如图2 6 所示： 图2 6 模糊控制器结构图 模糊控制器由以下四部分组成： ( 1 ) 规则库( i f - t h e n 规则集) ，它将专家语言描述的成功控制经验量化； ( 2 ) 推理机( 也成模糊推理模块) ，它模仿专家的决策，对怎样能最好的控制对 象的知识做出解释和应用； ( 3 ) 模糊化接口，用于将控制器的输入转换成一种信息，推理机能够容易激活， 应用一些规则； ( 4 ) 反模糊化接口，将推理机的推理结果转换成过程的实际输入。 二、选择模糊控制器的输入和输出 模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策 的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。 三、将控制知识装到模糊控制器的规则库【2 2 - 2 3 】 模糊控制规则是模糊控制的核心，因此如何建立模糊规则也就成为一个十分关键的 问题。模糊控制规则库是一系列“i f t h e n ”型的模糊条件句所构成。条件句的前件为 输入和状态，后件为控制变量。输出即为控制量，它一般比较容易确定。输入量选什么 以及选几个则需要根据要求来确定，输入量比较常见的是误差e 和它的误差变化率e s 。 四、知识的模糊化 在模糊控制系统中，控制器的输入值、输出值是有确定数值的清晰量，而在进行模 糊控制时，模糊推理过程是通过模糊语言变量进行的，在清晰量和模糊量之间有一定的 对应关系。这种把物理量的清晰值转换成模糊语言变量值的过程称为清晰量的模糊化。 这部分作用是将输入的精确量转换成模糊化量。其中输入量包括外界的参考输入，系统 的输出或状态等。模糊化的具体过程如下： ( 1 ) 首先对这些输入量进行处理将其转化为模糊控制器要求的输入量。例如，常见 1 0 硕十学位论文 的情况是e = r y 和e = d e d t ，其中r 表示参考输入，y 表示系统输出，e 表示误差。有时为 了减小噪声的影响，常常对e 进行滤波后再使用，例如可取e = ( s t s + 1 ) e 。 ( 2 ) 将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自论域范围。 ( 3 ) 将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊 量，并用相应的模糊集合来表示。 五、模糊推理 推理是根据一定的原则，从一个或几个已知判断引伸出一个新判断的思维过程。一 般说来，推理都包含两个部分的判断，一部分是己知的判断，作为推理的出发点叫做前 提( 或前件) 。由前提所推出的新判断，叫结论( 或后件) 。 推理的形式也是多种多样的，有直接推理和间接推理。只有一个前提的推理称为直 接推理，有两个或两个以上前提的推理称为间接推理。间接推理依据认识的方向，可分 为演绎推理、归纳推理和类比推理等。演绎推理是前提与结论之间有蕴含关系的推理。 演绎推理中最常用的形式是假言推理，有肯定式和否定式两类。其一般形式为 肯定式： 大前提( 规则)若x 是a ，则y 是b 小前提( 己知证据) x 是a 结论：v 是b 否定式： 大前提( 规则)若x 是a ，则y 是b 小前提( 已知证据) y 不是b 结论：x 不是a 模糊推理又称为模糊逻辑推理，是指己知模糊命题( 包括大前提和小前提) ，推出新 的模糊命题作为结论的过程。可见，模糊推理是一种近似推理。 六、反模糊量化 模糊推理的结果一般都是模糊值，不能直接用来作为被控对象的控制量，需要将其 转换成一个可以被执行机构所实现的精确量，这个过程称为反模糊化或者解模糊过程， 或称为解模糊判决，它可以看作由模糊空间到清晰空间的种映射。解模糊的目的是根 据模糊推理的结果，求得能反映控制量的实际分布。这里介绍一种常用方法一重心法， 重心法是指模糊集隶属函数曲线同基础变量轴所围面积的重心对应的基础变量值为清 晰值的方法【2 4 1 。 输出量隶属函数为连续变量的情况可用下式表示： “警 i “( 材) 幽 z f 。：互l 一 n l “ n ( “) 幽 m m ( 2 9 ) 鬲梢数羚珩嚣利l 臼迹雨! 臻制糸统石7 7 其中，“为清晰化的输出量，“为输出变量；为模糊集隶属函数，m i n 为 清晰化值的下限，m a x 为清晰化值上限。 输出函数的隶属函数为单点集时，其计算公式可表示为： 上 矿：翌竺 ( 2 - 1 0 ) “：，二! l z 。l u j “ 其中p 为单点集数。 2 2 2 m a t l a b s i m ，小k 简介 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套高性能数值计算和可视化软件。它 集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的 用户环境。m a t l a b 强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础，由各个领域的专家 学者相继开发了m a t l a b 工具箱。模糊逻辑工具箱就是其中一个。 s i m u l i n l ( 是m a t l a b 中的一种可视化仿真工具，是一种基于m a t l a b 的框图设计 环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用与线性系统、非线 性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。它包括很多专业工具箱，它使用图 形化的系统模块对系统进行描述，每个模块像实验室中的一台仪器，其实质是进行数学 变换。模块是仿真的基石，这些模块相连构成系统，可以对动态系统进行描述、编程、 求解，运行结果可以用图形显示出来，整个仿真过程非常简洁、方便、直观。s i m u l i n k 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率 系统，即系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，s i m u l i n k 提 供了一个建立模型方块图的图形用户接口( g u i ) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标 操作就能完成任务，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系 统的仿真结果f 2 5 】。 s i m u l i n k 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各 种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，s i m u l i n k 提供了 交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 2 2 3 模糊控制器的设计 1 、模糊控制器输入、输出变量的论域 在本系统的模糊控制中，选取模糊控制器为二维的，即误差信号e 和误差变化信号e s 作为模糊控制器的输入变量，输出变量为伺服放大器的控制变量u 。 模糊控制器的输入变量偏差、偏差变化的实际范围称为这些变量的基本论域。有关 论域选择的问题，一般选偏差论域的n 6 ，选偏差变化论域的m 6 ，选择控制量的论域 1 2 硕士学位论文 的2 芝6 。这是因为语言变量的取值多半选为7 个( 或8 个) ，这样能保障模糊集论域中所含 元素个数为模糊语言值的二倍以上，确保模糊集能较好的覆盖论域，避免出现失控现象。 值得指出的是，并不是论域中元素的个数越多越好，虽然元素的数量增多，可以提高控 制精度，但是它同时受到计算机字长的限制。 所以在该模糊控制系统中取e ，e s 的论域均为【6 ，6 】，其模糊子集都为 ( n l ，n m ，n s ，z o ，p s ，p m ，p b ) 。u 的论域为【一6 ，6 】，模糊子集为 1 0 0 传递终止，出现错误代码 砷 j 学j 芝论文 4 4 2 4 程序激活( p r o g r a mi n v o c a t i o n ) 当程序已经存储在n c p l c 中时，为了激活程序( p i 服务，使程序开始执行任务) ， 需用到i m cc o