模糊控制在材料加工过程中的应用实例分析

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1、模糊控制在材料加工过程中的应用实例分析应用实例1低压铸造的模糊控制低压铸造的模糊控制l航天工艺。2000年6月，第3期l哈尔滨工业大学威海分校。盖玉先，刘会英l摘要：提出了用于低压铸造的Fuzzy-PI冲型压力控制系统,二维模糊控制器的输入为冲型压力误差和误差变化率,输出为驱动执行机构的电压量。PI作用的引入提高了系统的响应速度和静态精度。立题背景l低压铸造是目前广泛应用的一种铸造形式,随着工业技术的发展,对低压铸造质量的要求愈来愈高。l目前,国内的低压铸机基本上可以分为两类,一类是国外进口铸机,如德国的奇马等;另一类是国内生产的铸机。而后者的性能相对要差一些,除了铸机本身结构和制造工艺等因素

2、外,控制系统的设计是影响铸机性能的一个重要环节。l本文从国产铸机的实际出发,研制了低压铸机的模糊控制系统,以提高铸机的工作性能和铸件的质量。与传统的PID调节器相比,模糊控制器具有更快的响应和更小的超调,对过程参数不敏感,即具有很强的鲁棒性,能够克服非线性因素的影响。模糊控制器的设计E,CE,U的词集lT(E)=NL,NM,NS,N0,P0,PS,PN,PLlT(CE)=NL,NM,NS,0,PS,PN,PLlT(U)=NL,NM,NS,0,PS,PN,PLE,CE,U的论域lE=(-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6)lCE=(-6,-5,-4,

3、-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6)lU=(-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7)模糊控制规则状态表存在的问题l在受控对象和比例因子之间实际上存在一个积分器,如图1所示。l由于模糊控制表的输出u为离散形式,所以这种积分作用不能保证稳态时严格的有e(t)0,即稳态时,不能保证存在的问题l当采样周期T一定时,选择较小的KI,可以使得u(t)落在u0的一个较小的邻域内,但太小的KI又会使系统的动态响应变慢,过渡过程时间变长。l另一方面,量化因子k1和k2决定了模糊控制器对e和ce的分辨率,为了提高控制精度,要选择较大的k1和k2

4、,但太大的k1和k2又容易出现非线性极限环。l总之,在参数的选择上,动态性能和静态精度要求之间容易出现矛盾,只能折衷考虑。解决方案l为了做到既有良好的动态性能,又保证较高的精度,对模糊控制器的结构进行了改进。即将PI调节器的结构引入模糊控制器,形成Fuzzy-PI控制器,从而发挥PI调节器具有较快动态响应和较高精度的优势,改善控制性能。具体措施l常规的PI调节器的输入输出方程为l式中:Kp为比例系数;KI为积分系数在上式中以f(e(t)替代e(t),则有l式中,f(e(t)=U为模糊控制器中U和e之间的一种非线性变换。具体措施l式(3)为一非线性PI调节器,而f(e(t)=U为经过模糊控制器处

5、理后的输出值。因而,可以得到如下的Fuzzy-PI调节器。l与式(1)相比较可以看出,式(4)中增加了比例项KpU,由于增加了比例作用,保证了快速响应,提高了控制精度。系统实验研究l低压铸造的冲型可分为升液、冲型、稳压、增压和保压等阶段。l在冲型过程中,控制系统连续对液位高度进行采样测取,并与预定值进行比较,调整冲型过程。l铝液充满后,由装在铸型顶部的触点发出信号。模糊控制按增压曲线跟踪执行增压过程,待达到预定的结晶压力后,自动进入保压阶段进行定时保压,直至放气撤压。l控制执行机构是实现低压铸造既定浇铸规范的执行机构,由电-气转换器和气动调节阀组成,根据计算机通过接口电路输出的模拟量,控制气动

6、调节阀的开度,输出气量给坩埚。冲型工艺曲线如图2所示。冲型工艺曲线PI控制冲型压力曲线Fuzzy-PI控制冲型压力曲线结论l理论与实验研究表明,Fuzzy-PI控制器兼有模糊控制和PI控制的优点,响应速度快、控制精度高,能够准确地跟踪冲型压力变化,铸造质量明显提高。l目前,国内企业中仍有为数不少的低压铸机还处于手动控制状态,或控制手段落后状态,对这些低压铸机进行控制改造是非常有意义的。应用实例2超塑成形/扩散连接炉温的模糊控制方法超塑成形/扩散连接炉温的模糊控制方法l航空工艺技术。1999年第1期。l张祺。北京航空工艺研究所。l摘要：介绍了超塑成形/扩散连接炉温的模糊控制方法以及在计算机上实现

7、的流程。研究背景l超塑成形/扩散连接(/)是近年发展起来的航空制造技术。超塑成形/扩散连接加热炉的炉温控制在/工艺技术中占有重要的地位。l由于/制造的产品形状复杂,性能要求高,工艺过程时间长,加热炉内的/成形模具的温度测量滞后性较大并具有非线性特点,建立精确的数学模型比较困难,因此,采用模糊控制比较适宜。l它对缩短试验周期、提高产品质量、节约能源及原材料、减轻劳动强度将起到重要作用。本文仅就超塑成形/扩散连接加热炉的炉温模糊控制在计算机上的实现方法进行阐述。模糊控制系统结构输入参数与输出参数模糊控制原理模糊化l首先把观测到的偏差的变化范围设定为-6,+6之间变化的连续量,然后将这一连续量离散化

8、,即将其分为档,每一档对应一个模糊集,而后进行模糊化处理。l如果在实际工作中,精确量的变化范围不是在-6,+6之间,而是在,之间,那么,我们可以通过变换式l将在,间的变量转化为-6,+6之间的变量。偏差论域与词集l设表示语言变量“偏差”。将偏差(正,负分成若干等级。比如分成14级,其代号为(-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+3,+4,+5,+6)l于是偏差论域为=-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+2,+3,+4,+5,+6l偏差变量在中有8个言取值:1,2,3,4,5,6,7,8含义:正大,正中,正小,正零,负零,负小,负中,负大记号:,偏差变化的论域与词

9、集l设C为“偏差变化”的语言变量,其论域为=-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6 即把偏差变化分成13个等级。l设C取7个语言值:C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7l含义:正大,正中,正小,零,负小,负中,负大记号:,控制量的论域与词集l用表示“输出控制量”的语言变量,其论域设为=-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7l设可取7个语言值:1,2,3,4,5,6,7l含义:正大,正中,正小,零,负小,负中,负大l符号:,偏差论域中的模糊集的定义表偏差变化率论域中的模糊集的定义表控制量论域中的模糊集i的定义

10、表控制规则表模糊推理l这样,若已知输入,C和输出控制量,即可根据上述规则将相应的模糊关系求出;l反之,若系统的模糊关系为已知,也可根据输入和C求出控制量。输出信息的模糊判决l模糊控制的输出是一个模糊子集,它反映控制语言不同取值的一种组合。但被控对象只能接受一个控制量,这就需要从输出的模糊子集中判决出这个控制量。也就是说,要推导出一个由模糊集合到普通集合的映射,这个映射称之为判决,由判决才能得到精确的控制量。如何将模糊量转化为精确量的问题,我们采用加权平均判决法普通加权平均法。控制查询表测量数据的论域变换l在实际控制中,偏差、偏差变化率及控制量的变化一般不是,中的元素,在利用控制表时应进行论域变

11、换。l在取定量化因子1之后,可把系统的任何实测偏差量化为中的某一元素。同理,取定另一量化因子2,也可以把实测到的偏差变化率化为中的某一元素,此时可查询控制表得出控制量的变化,将它乘以量化因子(或称比例因子)3,可得到实际加到炉上的控制量的变化。控制规则修正l众所周知,在一般情况下,例如,最佳控制系统的参数寻优,自适应控制系统的参数调节,以及人工操作模糊控制模型的参数辨识等场合,均需对控制规则进行调整。为此人们提出一种带修正因子的控制规则:l通过调整系数,可以对控制规则进行修正。应当着重指出的是,以作为调整参数不仅方便易行,而且也具有深刻的物理含义,因为值的取大取小,直接表示对偏差和偏差变化率C

12、的加权程度,这恰好反映了操作者进行控制活动时的思维特点。l例如,在被控对象级次较高时,对偏差变化率的加权值就应该大于偏差的加权值,因此要取小一些值;反之,在被控对象的级次较低时,对偏差变化率C的加权值就应该小于对偏差的加权值,因此要取大一些值。l此外,这种方法可以克服单凭经验选择控制规则的缺陷,避免控制规则定义中的空档或跳变现象。所以这种带修正因子的量化描述方法是合理的和可行的。修正后的控制查询表模糊控制流程结束语l本文仅就超塑成形炉温的模糊控制方法进行了归纳,并在计算机上实现。l我们知道偏差和偏差变化率模糊集的定义和模糊控制规则及其修正均需要进行大量的试验才能获得更实用的数据。这是下一步要进

13、行的工作。应用实例3模糊自整定控制器在热轧板形控制中的应用模糊自整定控制器在热轧板形控制中的应用l宝钢技术。2001年增刊。l王东升。宝钢股份公司设备部。l摘要:分析原有板形反馈控制模型在现场实际控制中的缺陷,结合模糊控制理论,提出使用模糊自整定控制器代替比例积分控制器的反馈控制模型。引言l宝钢1580热轧的板形控制功能是以弯辊力作为调节手段,对带钢的平直度进行控制,有前馈控制和反馈控制构成。l前馈控制是根据轧制力的变化量,计算出弯辊力的调节量,补偿因等的负荷变动对带钢平直度的影响。l反馈控制是根据设置在精轧出口侧的平直度计所测得平直度实际值与目标值的偏差,通过比例积分调节器控制弯辊力修正量,

14、调整57的弯辊力达到动态控制板形的目的。现有模型存在的问题l比例积分调节器的优点是控制器的结构清晰,参数可调,无需预先知道对象的数学模型,能适应于各种对象,在现场可根据实际参数而取得较好的控制效果。但对具有多变化、非线性、时变、强耦合等特性的被控对象,控制效果就不太理想。l在实际轧制中,通过调节比例系数和积分系数,使其可以适应不同规格的带钢。对于同规格带钢,在轧制过程中比例系数和积分系数是不变的,即不具有在线整定和的功能。过大造成控制系统大振荡,过小造成控制系统大滞后,致使反馈控制功能不能适应不同的平直度偏差及偏差变化速度。现有模型存在的问题l更为严重的是反馈控制的时间是从精轧咬钢开始到卷取机

15、咬钢结束,温度、轧制力、弯辊力等的变化在引起带钢平直度的波动后,可能会由于反馈控制的大滞后造成反馈控制不到位,而前馈控制只能消除负荷变动对带钢平直度的影响,而对反馈控制不到位造成的影响无能为力,这样就会使带钢全长产生波浪。改进方法l针对反馈控制的缺陷,修改板形反馈控制模型,使用模糊自整定控制器代替比例积分控制器。l模糊自整定控制器除了具有比例积分控制器的优点外,控制器的微分量可以减小超调,加快调整速度;模糊控制具有较强的鲁棒性,并且具有动态响应好、上升时间快、超调小等优点,尤其对平直度这种具有非线性、多变化和强耦合等特性的被控对象,它的优越性更加突出。模糊自整定参数控制算法的核心是用模糊控制规

16、则和推理,推断出控制器的参数,实现最优控制。改进后控制系统结构的设计为了满足在线自为了满足在线自整定整定,的要求的要求,则则模糊控制系统可模糊控制系统可以设计成一个二以设计成一个二输入三输出系统输入三输出系统,结构如图结构如图,()为输入实际值为输入实际值,为平直度为平直度偏差即偏差即,为平直为平直度偏差变化率即度偏差变化率即。l这是一个闭环控制系统,控制器是控制部件,板形检测部件是反馈环节。通过平直度偏差和平直度偏差的变化量,根据模糊控制规则计算出,的值,使系统保持在最优的控制状态。比例积分控制和模糊控制比较结论l模糊控制系统,可以提高反馈控制的控制速度、灵敏度、控制精度和系统的稳定性,当控

17、制周期为400时为6后达到目标值;同时确保反馈控制的稳定性,达到目标值后系统浪高波动仅8左右,大大改善带钢头部平直度。应用实例5自组织模糊控制CO2弧焊逆变电源自组织模糊控制CO2弧焊逆变电源l机电产品开发与创新。2003年第 2 期。l余 蔚。珠海市锅炉压力容器监察检验所。l摘 要：本文介绍了一种新型CO2弧焊逆变电源。本电源从电弧物理过程出发，运用表面张力过渡理论控制焊接电流波形以减少CO2 焊接时的飞溅。根据自组织模糊控制的基本原理设计了 一种模糊控制器，用于实现表面张力过渡焊的电压电流波形。在进行短路过渡 CO2 焊接时 能明显减少飞溅，同时改善焊缝成型。引言l CO2气体保护焊具有成

18、本低、效率高等特点，广泛应用于低碳钢和低合金中、薄板钢结构的焊接以及全位置焊接的场合。但是短路过渡CO2 焊接时飞溅过大和焊缝成型欠佳等问题一直制约着它的生产应用和进一步发展。l电流波形控制的CO2焊接就是当今国内外焊接界为减少焊接时的飞溅，改善焊缝成型而探讨的一条新途径。l根据CO2焊接时熔滴短路过渡的动态过程以及在这一过程中产生飞溅的主要原因，适时的改变和调节焊接电流波形乃至电压波形以减少产生飞溅的隐患，从而控制熔滴短路过渡的整个动态过程，使飞溅达到最少，同时改善焊缝成型。引言l普通的模糊控制方法是经过离线的大量运算后，构成一张控制规则表，然后将控制规则表存入单片机，通过查询控制表从而控制

19、焊接过程。由于控制规则表不能进行在线调整，其自学习能力差，因而其自适应性能受到限制，控制精度不是很理想。而自组织模糊控制器具有自学习、自组织和自适应的能力，能自动调整和完善模糊控制规则，在大功率逆变电源的基础上将其运用到表面张力过渡CO2焊接过程中，能更有效地减少焊接飞溅问题。自组织模糊控制器的设计l CO2焊接过程中，电弧电压和短路频率之间存在一定的关系，当电弧电压处于一个适当值时，短路频率最高，短路过程比较均匀，焊接工艺效果最佳；随着电弧电压的减小，短路持续时间增长，易引起成段焊丝插入熔池；电弧电压升高时，短路频率增加，短路持续时间短，即以瞬时短路为主，甚至出现颗粒过渡现象，此时焊接工艺效

20、果变差。因而可以用短路频率衡量电弧电压是否最佳。l为了实现上述表面张力CO2过渡焊的电流电压波形，本文设计的模糊控制器以电弧电压为控制量，短路次数偏差和偏差变化为输入语言变量。自组织模糊控制原理自组织模糊控制器的工作过程l自组织模糊控制器在每次采样时，都计算偏差及偏差变化；l通过性能测量环节，求出输出特性的校正量P(nT)；l再通过控制量校正环节，求出控制量的校正量r(nT), 进而修正模糊控制规则。l自组织模糊控制器是先进行系统的模糊辨识，再进行在线实时闭环控制。它是在控制过程中不断获取新的信息，依靠自学习功能，及时修改控制规则，并对控制量作适当的调整，从而使得其鲁棒性能有很大改善。性能测量

21、l系统性能的优劣取决于系统的实际输出值与期望输出值之间的偏离程度，根据其差值的大小，就可以计算出对输出特性应该进行的校正量P(nT)，T为采样周期，n为采样周期序数。通常用每个采样周期的偏差和偏差变化来表征输出特征，因而可根据这两个值衡量实际输出与期望输出间的偏离程度，可采用模糊集合方法得出一个性能测量表。性能测量表控制量校正l根据性能检测部分所提供的校正量P(nT) ，可以计算出系统输入的校正量r(nT) ，以使下一周期的输出得到改善，系统输出和输入之间的关系和系统模型的类型不同， r(nT)和P(nT)的关系也不同，只有先掌握系统的输入和输出之间的关系和系统模型，才能确定r(nT)与P(n

22、T)的关系，求得r(nT) 。控制量校正l本文设计的模糊控制器为单输入、单输出系统，其控制校正量与性能校正量的关系为: r(nT)=kP(nT)l由于控制量和输出量均归化，所以系数k为。用与模糊控制表同样的方法，可得到个模糊控制修正表。模糊控制修正表 当输出特性与期望输出有很大偏离时，即当输出特性与期望输出有很大偏离时，即E或或CE绝对值绝对值较大时，应调整控制量，使得输出特性趋向于设定点。具体较大时，应调整控制量，使得输出特性趋向于设定点。具体地说，就是当地说，就是当E或或CE负大时，控制量输出正大，反之，控制负大时，控制量输出正大，反之，控制量输出负大。量输出负大。控制规则修正l控制规则的

23、修正是根据所需要的校正量来进行的。对单输入、单输出系统来说，若系统有一定的延滞性，即(nT-mT)时间的控制对现时nT时刻的输出有影响，则控制要进行必要的修正，如果用E (nT-mT),CE (nT-mT),U (nT-mT)分别表示(nT-mT)时刻的偏差、偏差变化和控制量，则期望的控制量为lV(nT-mT)=U(nT-mT)+r(nT)控制规则修正l若原来的控制规则为：lIF E=(nT-mT) and CE= (nT-mT) THEN U= (nT-mT) l现在的控制规则为: l IF E=(nT-mT) and CE= (nT-mT) THEN V= (nT-mT) l正是上述三个环节的作用，使得自组织模糊控制器具有比基本模糊控制器更好的性能，本文就是利用其自组织的能力来实现对表面张力CO2过渡焊的波形控制。结论l模糊控制作为新型的人工智能控制法，在逆变焊机控制中能获得良好的控制效果，具有对焊接参数变化的适应能力强、焊接电弧稳定性好等特点。设计的自组织模糊控制器运行稳定，能够满足逆变焊机模糊控制的要求。l经过对低碳钢的焊接实验表明，焊接过程稳定，飞溅明显减少，焊缝成型有很大的改观。