非线性精密锻压机模糊控制的模糊化和模糊推理方法

摘要

本发明涉及工业自动控制领域，尤其是一种非线性精密锻压机模糊控制模糊化和模糊推理方法。控制系统由模糊化接口、模糊推理机、知识库以及解模糊接口构成；输入控制量为滑块的位移误差e、位移误差变化率ce和工作滑块位移y，输出的控制量为电机的转角增量Δu；输入控制变量位移误差e和位移误差变化率ce由模糊化接口隶属函数模糊化处理后转换成论域内合适的语言值，模糊化的输入变量根据模糊规则经模糊推理机模糊推理后得到模糊输出量，模糊输出量经加权平均解模糊后得到实际的输出电机转角增量Δu。本发明的控制系统输出能很好地跟踪输入，应用在非线性精密锻压机上能实现精度为10μm的产品加工；可广泛应用于各种非线性锻压机上。

说明书

技术领域

本发明涉及工业自动控制领域，尤其是一种非线性精密锻压机模糊控制的模糊化和模糊推理方法。 

背景技术

锻压是机械制造工业的基础工艺之一，是研发、生产各类机械装备的重要物质基础和技术基础，是制造机械产品关键零件和重要零件不可缺少的毛坯件。其应用范围涉及国民经济、国防工业和社会生活的各个领域。在汽车、铁路机车车辆、电力、石化、煤炭、冶金、航空、航天、船舶、兵器和机械等工业部门中，至关重要的承力构件都是由锻件制造的。 

目前国内的锻压机械控制算法应用最为广泛的是比例、积分、微分控制，简称PID控制。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。然而，对于非线性控制领域，应用传统的PID算法却不能得到很好的效果。 

70年代后期兴起的智能控制理论为智能控制系统通过模仿人脑神经结构、思维、专家决策、生物进化和群体特性等，可设计出高智能的控制器，为大规模复杂的系统控制提供了一种解决方法。模糊控制作为智能控制理论之一，应用专家系统的概念和相关技术，模拟人类专家的控制知识与熟练工程技术人员的操作经验所构造的智能型控制系统，其在许多非线性、数学模型难以建立的系统得到很好的应用。 

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种适于非线性精密锻压机的、高精度的非线性精密锻压机模糊控制的模糊化和模糊推理方法；可有效解决经典控制理论在非线性精密锻压机上难以建模以及有效控制的问题，可实现精度为10μm的产品加工。 

本发明解决上述技术问题的技术方案是： 

模糊化方法是：所述的精密锻压机的控制系统由模糊化接口、模糊推理机、知识库以及解模糊接口构成；输入控制量为滑块的位移误差e、位移误差变化率ce和工作滑块位移y，输出的控制量为电机的转角增量Δu；输入控制变量位移误差e和位移误差变化率ce由模糊化接口隶属函数模糊化处理后转换成论域内合适的语言值，所述模糊化是将输入变量e、ce和y变换到相应基本论域上合适的语言值；e和ce论域为{-12、-8、-4、-1、1、4、8、12}，模糊语言值取为{NB、NM、NS、NZ、PZ、PS、PM、PB}，y论域为{0、20、40、60}，模糊语言值取为{ZO、PS、PM、PB}。 

系统总的模糊控制输出为Δu与e、ce的模糊推理输出和Δu与y的模糊推理输出的叠加。 

模糊推理方法是：所述的精密锻压机的控制系统由模糊化接口、模糊推理机、知识库以及解模糊接口构成；输入控制量为滑块的位移误差e、位移误差变化率ce和工作滑块位移y，输出的控制量为电机的转角增量Δu；模糊化的输入变量根据模糊规则经模糊推理机模糊推理后得到模糊输出量；u与e、ce的模糊规则如下表所示： 

Δu与y的模糊规则如下表所示： 

  y  Δu   ZO  ZO   PS  PS   PM  PM

加权平均法对输出控制量进行解模糊的计算公式为 $u^{*}=\underset{j}{\Sigma }\mu c_j\left(u_j\right)u_j/\underset{j}{\Sigma }\mu c_j\left(u_j\right).$

有益效果： 

本发明的有益效果是在非线性控制的精密锻压机上实现精度为10um的产品加工，为非线性控制的锻压机提供了一种控制方案。 

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明： 

图1是本发明精密锻压机的机械结构示意图； 

图2是本发明精密锻压机的机构及受力分析图； 

图3是本发明模糊控制器的结构框图； 

图4是本发明误差e和误差变化率ce的模糊化隶属度函数图； 

图5是本发明工作滑块位移y的模糊化隶属函数图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及的精密锻压机由机身、低速大扭矩AC伺服电机、同步齿轮、滚珠丝杆、滚珠花键、驱动滑块、平衡缸、短连杆、曲轴、长连杆、滑块1等组成。锻压机的工作原理是：控制器根据用户指定滑块的时间-位置关键点控制伺服电机的转角，电机带动同步带轮，通过滚珠丝杠驱动滑块，再经过增力机构带动末端滑块在垂直方向上运动，从而带动模具工作。图2为锻压机的机构和受力分析图，其中A点固定不动，C点为滑块1，D点与丝杆相连，丝杆上下运动时带动杆c运动，由于A固定，关节B驱动杆b运动，从而带动滑块垂直上下运动。由其工作原理可以看出伺服电机的转角与滑块运动位移为非线性关系。 

模糊控制器结构框图如图3所示，根据电机与滑块的运动特性，精密锻压机的控制系统由模糊化接口、模糊推理机、知识库以及解模糊接口构成；输入控制量为滑块的位移误差e、位移误差变化率ce和工作滑块位移y，输出的控制量为电机的转角增量Δu；输入控制变量位移误差e和位移误差变化率ce由模糊化接口隶属函数模糊化处理后转换成论域内合适的语言值，模糊化的输入变量根据模糊规则经模糊推理机模糊推理后得到模糊输出量，模糊输出量经加权平均解模糊后得到实际的输出电机转角增量Δu；模糊控制器可表示为Δu＝f(∫edt，e，y)。 

模糊化是将输入变量e、ce和y变换到相应基本论域上合适语言值的过程。e和ce论域为{-12、-8、-4、-1、1、4、8、12}，模糊语言值取为{NB、NM、NS、 NZ、PZ、PS、PM、PB}，隶属度函数如图4所示；y论域为{0、20、40、60}，模糊语言值取为{ZO、PS、PM、PB}，隶属度函数如图5所示。 

模糊规则采用if-then的结构，结合实际经验总结出一系列模糊控制规则，形成模糊状态控制表，如表1和表2所示。模糊输入量经控制规则得到模糊控制输出量，总的输出量为两模糊规则模糊控制输出量的叠加。 

表1 u与e、ce的模糊规则表 

表2 u与y的模糊规则表 

  y   Δu   ZO   ZO   PS   PS   PM   PM   PB   PB

输入模糊变量根据规则表推理算出的结果仍为模糊量，使用加权平均法对输出控制量进行解模糊，计算公式如下： 

$u^{*}=\underset{j}{\Sigma }\mu c_j\left(u_j\right)u_j/\underset{j}{\Sigma }\mu c_j\left(u_j\right)$。