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        基于模糊算法的連桿超聲波清洗液位控制系統(tǒng)

        2015-01-13 04:30:30莫偉強(qiáng)姜莉莉
        化工自動(dòng)化及儀表 2015年5期
        關(guān)鍵詞:液面模糊控制連桿

        莫偉強(qiáng) 姜莉莉 方 強(qiáng)

        (廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510006)

        汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿在生產(chǎn)過程中通常需要經(jīng)過多個(gè)加工工序,其中清洗工序是非常重要卻又容易被忽略的一環(huán)。不合格的清洗容易造成生銹、加工誤差大及使用壽命短等問題。在科學(xué)加工手段快速進(jìn)步的今天,產(chǎn)品的潔凈方式也出現(xiàn)新的突破。超聲波清洗就是其中較為突出的新型清潔方式,其產(chǎn)生效果的基礎(chǔ)是通過驅(qū)動(dòng)電源形成高頻率諧振信號(hào),通過換能器傳播到液體中,令液體中出現(xiàn)眾多直徑為50~500μm的小氣泡,振動(dòng)至破裂,這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力,能夠令污垢破碎,達(dá)到良好的清洗效果。

        連桿具有螺孔等難以清洗的位置,形狀復(fù)雜,外表難清洗,清潔度要求高,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明這種方式清潔連桿作用非常明顯,干凈程度能夠滿足工業(yè)需求。但是在清潔作業(yè)過程中,超聲波在儲(chǔ)液池洗滌劑中傳播,當(dāng)?shù)竭_(dá)洗滌劑的液面時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象,造成沿著洗滌劑朝上的位置產(chǎn)生駐波聲場(chǎng),這種情況就造成了處在波節(jié)附近的零件部位不能得到有效的清洗,也就是出現(xiàn)了清洗盲區(qū)[1]。根據(jù)清潔過程中不同的時(shí)間不斷變化洗滌劑的量,液面也隨著變化,從而減少不能有效清洗的零件部位,將清洗盲區(qū)減到最小。據(jù)此筆者設(shè)計(jì)了基于模糊算法的控制系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)改變連桿超聲波清洗時(shí)洗滌劑的液面高度。

        1 液位系統(tǒng)分析和控制方案①

        筆者設(shè)計(jì)的超聲波清洗液位控制系統(tǒng)控制的對(duì)象是儲(chǔ)液池中的液面高度,目的是保持液面高度在設(shè)定的數(shù)值附近,誤差不能超過10mm。在設(shè)定的系統(tǒng)控制下,當(dāng)清洗過程受到影響,液面高度產(chǎn)生變化,液位能在短時(shí)間內(nèi)迅速返回到設(shè)定值[2]。根據(jù)具體裝置進(jìn)行分析,然后簡(jiǎn)化其控制模型??刂平Y(jié)構(gòu)由液位傳感器、控制器、儲(chǔ)液池、電磁調(diào)節(jié)閥和相關(guān)電器元件組成(圖1)。液位傳感器的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)液池的液面高度,電磁調(diào)節(jié)閥的作用是改變儲(chǔ)液池進(jìn)水量的大小,設(shè)計(jì)控制器有一個(gè)接出變量,其作用是改變調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作。

        圖1 液位控制模型結(jié)構(gòu)

        2 液位模糊控制器的設(shè)計(jì)

        2.1 輸入和輸出模糊化

        使用梯形水箱作為儲(chǔ)液池,將水箱內(nèi)部液位的誤差設(shè)為E,其范圍是[-e,e],誤差的變化量設(shè)為EC,其范圍是[-ec,ec]。變化量E、EC為梯形水箱控制器不可缺少的接入數(shù)值。該控制器的接出數(shù)值為電壓U,用以操作調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥的活動(dòng)范圍,也就是電壓范圍,定為[-U,U]。

        按照以上所述,設(shè)計(jì)的控制器誤差為e,理想的設(shè)定中e有一定的界限,確定它的取值,令E={-n,(-n+1),…,0,…,(n-1),n}為數(shù)值e的模糊子集界限。假設(shè)Ke=n/e,確定Ke為定量因素,受定量因素不同數(shù)值的作用,變量范圍[-e,e]的變化也有不同,變量范圍的大小改變,又將減少誤差的變化率。基于上述,選擇K為EC這一誤差改變率的定量因素,同時(shí)定義Kec=n/ec,由此可得控制量的定量因素Ku=u/n[3]。

        由于Ku與n的乘積就是真實(shí)控制量,而n所代表的是電磁閥的電壓范圍[-U,U]的一個(gè)劃分等級(jí),如果Ku超過一定的數(shù)值,就將使受控制的過程阻尼受到抑制;相反,Ku的值太小則會(huì)引起控制系統(tǒng)的反應(yīng)屬性拖延滯后??紤]到具體情況,選擇n=6。初始設(shè)計(jì)的目標(biāo)是二維控制器,即只有兩個(gè)要素起效果。e、ec和u這3個(gè)變量的模糊集是{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PL},E、EC和U這3個(gè)變量的改變區(qū)域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。函數(shù)對(duì)應(yīng)地都選擇三角形的隸屬度式樣,經(jīng)過處理,所得到的具體圖形如圖2所示。

        2.2 建立控制標(biāo)準(zhǔn)

        模糊控制的標(biāo)準(zhǔn)是液位情況隨著清洗過程推進(jìn)而不斷改變,控制器做出相應(yīng)處理時(shí)所遵循的原則??刂茦?biāo)準(zhǔn)的確定是建立在無(wú)數(shù)相關(guān)專家大

        圖2 e、ec和u的隸屬度函數(shù)圖

        量的專業(yè)理論研究和長(zhǎng)時(shí)間的一線工作所總結(jié)得到的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。書面上使用if、then、else及or等邏輯詞匯相貫串。控制標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施命令遵循以下規(guī)律:在誤差較大的情況下,選定控制量的目的應(yīng)該放在最短時(shí)間內(nèi)盡可能縮小誤差[4]。相對(duì)而言,當(dāng)出現(xiàn)誤差比較小的情況下,控制量的選定則要防止出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,減少影響,把穩(wěn)定系統(tǒng)放在首位。

        筆者所設(shè)計(jì)的控制器具有兩個(gè)接入量和一個(gè)接出量,通過現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚩偨Y(jié)出如下標(biāo)準(zhǔn):

        ifE=PB andEC= NB or NS or ZO

        thenU= NB

        按照這些語(yǔ)言條例可以總結(jié)出如下關(guān)系:

        =RA∩RB

        總的標(biāo)準(zhǔn)控制見表1。

        表1 模糊控制標(biāo)準(zhǔn)

        2.3 對(duì)應(yīng)模糊控制的查詢

        控制查詢表格表明了各條控制規(guī)則與對(duì)應(yīng)輸入、輸出量的函數(shù)關(guān)系,一旦確定具體的輸入量,通過查詢表格,得出所使用的規(guī)則和推理的過程,以此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

        為了確定查詢表格,需要將有關(guān)于誤差e、誤差改變量ec和電壓u的3個(gè)隸屬函數(shù),利用三角模糊理論[5]的方法,將函數(shù)量化后計(jì)算出賦值表,得到的賦值表可用于關(guān)系計(jì)算,從而確定查詢表格。查詢表格的設(shè)計(jì)按照以下原則:當(dāng)出現(xiàn)誤差是“負(fù)大”,同時(shí)誤差的改變量也是負(fù)值時(shí),那么這個(gè)時(shí)候誤差的改變傾向于增加。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定,消除誤差增加的傾向,縮小誤差的影響,將控制量的設(shè)置定位為“負(fù)大”。同樣地在誤差是“負(fù)大”的情況,而此時(shí)誤差的改變量是正,模糊系統(tǒng)現(xiàn)在自身就已經(jīng)帶有避免誤差的傾向,為了達(dá)到短時(shí)間內(nèi)縮小誤差同時(shí)避免造成超調(diào)現(xiàn)象,應(yīng)該把控制量定位在相對(duì)比較小的值。其他情形下,控制思想基本類似[6]。舉例如下:若誤差e為“負(fù)中”,即梯形水箱內(nèi)此時(shí)水位較高,在這種情況下如果ec取“正小”,也就是代表此時(shí)水箱內(nèi)水位有增高的趨勢(shì),利用隸屬度最大的方法進(jìn)行計(jì)算,求出輸出電壓為:

        綜上所示,經(jīng)過多步計(jì)算,可以推理出對(duì)應(yīng)的控制查詢表格(表2)。

        表2 模糊控制查詢表

        3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

        所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)選用三菱FX2N系列PLC來(lái)對(duì)梯形水箱內(nèi)的液位進(jìn)行控制,PLC利用控制電磁閥,可以調(diào)試梯形儲(chǔ)水箱進(jìn)水量的多少,由此達(dá)到改變液位的目標(biāo)。系統(tǒng)主要由4個(gè)構(gòu)件組成,分別為電磁閥、PLC控制器、接入構(gòu)件和接出構(gòu)件。另外控制系統(tǒng)中選用投入式傳感器,放置于梯形水箱內(nèi)部液體中,感應(yīng)液體液面高度的改變,使用接入構(gòu)件讀取液位的數(shù)值,輸入到PLC中進(jìn)行處理,與控制器內(nèi)已有的數(shù)值對(duì)比,根據(jù)模糊原理操作電磁閥改變液面高度[7]。經(jīng)過控制計(jì)算后控制器構(gòu)件會(huì)利用接出構(gòu)件輸出4~20mA的電流??刂破饕何豢刂平Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 控制器液位控制結(jié)構(gòu)框圖

        基于PLC的模糊控制,其原理是將經(jīng)過量化后的因素保存在繼電器中,然后將采集得到的信號(hào)經(jīng)過處理,對(duì)應(yīng)于控制查詢表的原則,計(jì)算出輸出量,控制器輸出實(shí)際輸出量,繼而操作電磁閥,改變梯形水箱內(nèi)部液面的高度。

        按照模糊算法,給出其控制流程(圖4)。

        圖4 模糊控制算法流程

        4 仿真與分析

        使用Matlab軟件中建??梢暬KSimulink對(duì)筆者設(shè)計(jì)的連桿超聲波清洗液位控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬[8],所得曲線如圖5所示。

        圖5 連桿超聲波清洗液位控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線

        從響應(yīng)曲線中可以看出,該模糊控制器在不足10s的時(shí)間內(nèi),快速達(dá)到原先所設(shè)定的液位高度,證明控制器反應(yīng)時(shí)間較短、控制準(zhǔn)確,能滿足本課題儲(chǔ)液池水位操作的要求。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        對(duì)象為液位的控制系統(tǒng)常常具有時(shí)滯性,而超聲波清洗因其清洗原理的特殊性對(duì)液位有特別要求。采用模糊控制通過制定合適的控制規(guī)則,解決了超聲波清洗實(shí)時(shí)自動(dòng)改變液位的要求,減少了調(diào)節(jié)時(shí)間,縮小了超調(diào)量,提高了系統(tǒng)性能。

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