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        微小孔加工質(zhì)量和效率的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

        2014-05-10 07:47:58白羽趙亞軍
        機(jī)床與液壓 2014年23期
        關(guān)鍵詞:電火花模糊控制間隙

        白羽,趙亞軍

        (長春工業(yè)大學(xué),吉林長春130012)

        0 前言

        隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在的制造技術(shù)朝著高、精、尖方向發(fā)展。細(xì)微小孔越來越多地出現(xiàn)在人們生活的各個領(lǐng)域。微細(xì)電火花加工技術(shù)作為微小孔加工的重要手段,對小孔加工的質(zhì)量和效率提供了保障。為了進(jìn)一步提高質(zhì)量和效率,各種智能推理算法運(yùn)用到電火花加工控制系統(tǒng)中,這就使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性成為人們關(guān)注的問題。穩(wěn)定性與可控性以及觀測性都是控制系統(tǒng)的重要屬性,幾乎所有可運(yùn)行的系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成穩(wěn)定的。系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)能夠運(yùn)行的首要條件。

        本文作者分析了電火花加工進(jìn)給系統(tǒng)原理,設(shè)計(jì)了進(jìn)給系統(tǒng)的智能控制算法,并對該算法的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與驗(yàn)證。

        1 電火花加工進(jìn)給機(jī)制分析

        在電火花加工過程中,工具和工件并不直接接觸,而是靠工具和工件之間不斷地脈沖放電,產(chǎn)生局部、瞬時的高溫把金屬材料逐步蝕除掉[1]。正常加工時,工具和工件間有一放電間隙S,S過大,脈沖電壓不能擊穿間隙的絕緣工作液,此時放電狀態(tài)為空載;S過小,甚至為零,此時形成短路狀態(tài)??蛰d將會降低電火花加工效率,短路則會使放電變?yōu)橛泻Φ碾娀》烹娪绊懠庸け砻尜|(zhì)量。因此進(jìn)給系統(tǒng)要始終保證一定的放電間隙S,在S過大時快速進(jìn)給,S過小時快速回退,這樣才能保證加工的質(zhì)量和效率,保證加工正常而穩(wěn)定的進(jìn)行,獲得較好的效果。

        2 放電間隙的實(shí)時檢測

        放電間隙的大小對放電的狀態(tài)起決定性因素,而放電狀態(tài)是保證加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。因此,在加工過程中要保證對放電間隙進(jìn)行實(shí)時檢測。由于加工間隙很小,直接檢測非常困難,常常采取測量電極間隙的電壓、電流或電壓和電流3 種方式進(jìn)行測量。文中采用檢測電壓的方法進(jìn)行放電間隙檢測,對各個時刻應(yīng)用基于模糊邏輯的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù),獲得該采樣時刻的電壓值,再將電壓值與設(shè)定值進(jìn)行比較,經(jīng)過模糊推理,從而確定電極的進(jìn)給與回退。

        3 伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)原理和間隙檢測方法,可以得到控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[2-3](如圖1),從而設(shè)計(jì)該智能模糊控制系統(tǒng)。模糊控制器的主要結(jié)構(gòu)是輸入變量與輸出變量的確定。

        圖1 模糊控制原理圖

        以U0為給定電壓值,測量得到的平均電壓記為Ue。則輸入量誤差E和輸入量誤差的變化率EC為模糊控制器的輸入量,輸出量為平均電壓Ue,E=Ue-U0,EC=dE/dt。

        由圖可知,該控制系統(tǒng)為二維模糊控制器,令其輸入語言變量E、EC對應(yīng)的論域上的模糊子集分別為Ai、Bj。輸出語言變量對應(yīng)的論域上的模糊子集為Ck。故有模糊規(guī)則[4]:

        其中i=1,2,3,…,n。

        其模糊關(guān)系為

        在求得所設(shè)計(jì)模糊控制器的模糊關(guān)系R之后,可以由合成推理方法求解輸出控制量的模糊值矢量。設(shè)系統(tǒng)當(dāng)前偏差E*和偏差變化EC*,則對于第L條規(guī)則的輸出控制量為

        對于控制系統(tǒng)的任意狀態(tài),設(shè)有P條控制規(guī)則,其總的模糊關(guān)系RP為

        結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,可以確定電火花加工模糊控制器的輸入量和輸出量,根據(jù)模糊控制理論,以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建立相應(yīng)的規(guī)則庫如表1 及隸屬度如表2—4所示。

        表1 模糊規(guī)則表

        表2 模糊集合A 的隸屬度函數(shù)

        表3 模糊集合B 的隸屬度函數(shù)

        表4 模糊集合C 的隸屬度函數(shù)

        采用第一類推理方式即Mandani 極小運(yùn)算法,結(jié)合表1 可以確定A、B、C的隸屬度,根據(jù)表2、3、4以及式(4)可以計(jì)算出模糊關(guān)系矩陣RA和RB及總的模糊關(guān)系矩陣Rp[5]。

        4 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

        對系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析主要包括兩種,其一是預(yù)防和消除加工過程中出現(xiàn)的擾動,其二就是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在加工過程中,由于脈沖電源放電的不穩(wěn)定性以及材料內(nèi)部的缺陷等會使間隙的電壓出現(xiàn)擾動,這會嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量。該算法采用間隙平均電壓法測量放電間隙,主要是對電壓的大小的測量,并與給定值進(jìn)行比較,從而控制電極的進(jìn)給與回退,即使出現(xiàn)擾動帶來的電壓的變化,系統(tǒng)也會對其進(jìn)行處理,控制放電間隙,從而保證加工能夠穩(wěn)定的進(jìn)行。

        對于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析其本質(zhì)就是對模糊關(guān)系的矩陣RP的穩(wěn)定性分析[6]。根據(jù)現(xiàn)代控制理論中的李雅普諾夫穩(wěn)定性理論——在平衡狀態(tài),漸進(jìn)穩(wěn)定的充要條件是:對于任給的一個正定對稱矩陣Q,存在一個正定的對稱矩陣P,且滿足矩陣方程[7]:

        令A(yù)=RP,Q 取單位陣可求得矩陣

        用賽爾維斯特判據(jù)檢驗(yàn)P 的正定性

        Δ1=89.754>0 Δ2=6.991>0

        Δ3=7.927 7>0 Δ4=47.264>0

        Δ5=123.62>0 Δ6=29.767>0

        Δ7=83.953>0

        可知P 正定,因此P 是穩(wěn)定,從而驗(yàn)證了該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。采用Matlab[8]對其進(jìn)行仿真可得到其仿真圖,如圖2所示,從而進(jìn)一步驗(yàn)證了其穩(wěn)定性與可行性。

        圖2 在模糊控制器調(diào)節(jié)下的伺服系統(tǒng)仿真輸出曲線

        5 結(jié)束語

        在詳細(xì)分析電火花加工進(jìn)給系統(tǒng)的原理和模糊控制實(shí)現(xiàn)算法的基礎(chǔ)上,應(yīng)用模糊控制理論,設(shè)計(jì)了模糊控制的電火花加工控制系統(tǒng)。運(yùn)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析,并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)穩(wěn)定和可行性。

        [1]趙萬生.實(shí)用電加工技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

        [2]趙樓鋒.智能控制及其在電火花加工中的應(yīng)用[J].科技信息機(jī)械與電子,2012(31):175-176.

        [3]蘇宏志.模糊控制微細(xì)孔電火花加工研究[J].機(jī)械與電子,2010(4):74-76.

        [4]諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:232.

        [5]裴景玉,胡德金,高長水.智能模糊控制技術(shù)在微細(xì)電火花加工中的應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2001,35(12):1830-1833.

        [6]盧秀和,白羽,侯云海.模糊控制電火花加工的穩(wěn)定性分析[J].長春理工大學(xué)學(xué)報,2003,26(4):93-95.

        [7]謝克明.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

        [8]白羽,盧秀和,侯云海.電火花加工智能控制系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2004,21(5):103-105.

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