賀永森，陳江

（合肥合鍛智能制造股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

0 引言

目前在國內(nèi)常見的液壓機(jī)中，比例壓力閥調(diào)壓方式與手動(dòng)調(diào)壓方式相比操作簡(jiǎn)單，精確度高。與伺服閥調(diào)壓方式相比節(jié)省成本，抗污染性好。因而在國內(nèi)的液壓機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用。

然而，比例壓力閥調(diào)壓方式在使用過程中受到液壓油溫度影響比較大，隨著油箱油溫增高會(huì)使液壓油粘度降低。即使液壓機(jī)設(shè)置相同的壓力，在不同的油溫下液壓機(jī)產(chǎn)生的壓力也不相同。液壓機(jī)壓力會(huì)隨著液壓油溫度的增高而減小。這種情況會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)出的工件品質(zhì)不穩(wěn)定，極端情況下如果壓力過大會(huì)造成工件撕裂，壓潰，如果壓力過小則會(huì)造成工件成形不完全。針對(duì)這種情況大多數(shù)廠家采用的是手動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，在油箱溫度變化后手?dòng)增加或減小壓力設(shè)置值來補(bǔ)償壓力機(jī)的壓力誤差。這種方法需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員有足夠豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)而且需要隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度做調(diào)整，操作起來很繁瑣，效果也不是很好。

由于液壓機(jī)本身系統(tǒng)復(fù)雜很難量化的分析出不同溫度下對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償量，因此本文提出了一種基于模糊控制理論的自動(dòng)溫度補(bǔ)償方案。通過溫度傳感器取得液壓機(jī)油箱的溫度值與溫度標(biāo)準(zhǔn)值的偏差e，用模糊控制器對(duì)e 進(jìn)行處理得到一個(gè)補(bǔ)償值u，將補(bǔ)償值u 與液壓機(jī)原來的設(shè)置值疊加輸出給比例閥，即可減小溫度引起的液壓機(jī)壓力的偏差。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓機(jī)使用西門子S7-1500 系列PLC 組建控制系統(tǒng)。液壓機(jī)油箱溫度采樣使用PT100 鉑電阻接入AI 4×RTD/TC 2-/3-/4-wire HF 模擬量輸入模塊。比例閥控制則使用AQ 2×U ST 模擬量輸出模塊。液壓系統(tǒng)使用的比例閥為Atos 公司的RZMO-TERS-PS-010 型比例閥。

由于液壓機(jī)大部分工作時(shí)間是處于常溫下，因此溫度標(biāo)準(zhǔn)值取常溫25℃。如圖1 所示，通過油箱溫度傳感器取得油箱實(shí)際溫度信號(hào)，通過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)化濾波，得到油箱溫度的實(shí)際值。用油箱溫度的實(shí)際值減去溫度標(biāo)準(zhǔn)值得到溫度誤差e。然后將溫度誤差值e 送入模糊控制器進(jìn)行處理，通過模糊化、模糊推理和去模糊化將得到一個(gè)最終的壓力補(bǔ)償值。最后將得到的壓力補(bǔ)償值加入到壓力設(shè)置值中來調(diào)節(jié)比例閥開口大小從而修正控制系統(tǒng)壓力。

圖1 壓力補(bǔ)償模糊控制結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計(jì)論域與模糊規(guī)則表

在做模糊化處理時(shí)要考慮模糊集不能劃分過多，否則會(huì)加重PLC 的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，但也不能過少，否則精度不夠。本例中對(duì)溫度誤差e 分為7 個(gè)模糊集{負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）負(fù)?。∟S）、零（Z0）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）}。e 為負(fù)值表示溫度低于標(biāo)準(zhǔn)值25℃，此時(shí)液壓油粘度大于25℃時(shí)的油液粘度，系統(tǒng)壓力會(huì)偏高；e 為正值則相反，表示系統(tǒng)壓力偏低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取溫度誤差e 的論域?yàn)閧-20，-10，-5，0，10，20，35}，其中-20 對(duì)應(yīng)NB，對(duì)應(yīng)液壓機(jī)允許使用的最低溫度5℃。35 對(duì)應(yīng)PB，對(duì)應(yīng)液壓機(jī)能夠使用的最高溫度60℃。隸屬度取1。同樣將補(bǔ)償值u 分為7 個(gè)模糊集{負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）負(fù)小（NS）、零（Z0）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）}。u 為負(fù)表示將減小系統(tǒng)壓力。u 為正表示將增大系統(tǒng)壓力。補(bǔ)償值u 的論域取{-6，-2，-1，0，4，6，10}。取量化因子0.05，則-6 對(duì)應(yīng)NB，對(duì)應(yīng)5℃時(shí)系統(tǒng)壓力設(shè)置值需減0.3。0.5 對(duì)應(yīng)PB，對(duì)應(yīng)60℃時(shí)系統(tǒng)壓力設(shè)置值需增加0.5。

溫度誤差e 和補(bǔ)償值u 使用三角形隸屬度函數(shù)，隸屬度函數(shù)如圖2 和圖3 所示。

圖2 e 的隸屬度函數(shù)曲線圖

圖3 u 的隸屬度函數(shù)曲線圖

偏差e 和補(bǔ)償值u 對(duì)應(yīng)的賦值表如表1 所示。

表1 e 和u 的賦值表

3 模糊規(guī)則的制定

溫度偏差e 和壓力補(bǔ)償值u 的模糊規(guī)則可以這樣描述：若溫度偏差e 負(fù)大，則壓力補(bǔ)償值u 負(fù)大；若溫度偏差e 負(fù)中，則壓力補(bǔ)償值u 負(fù)中；若溫度偏差e 負(fù)小，則壓力補(bǔ)償值u 負(fù)?。蝗魷囟绕頴 為零，則壓力補(bǔ)償值u 為零；若溫度偏差e 正小，則壓力補(bǔ)償值u 正小；若溫度偏差e 正中，則壓力補(bǔ)償值u 正中；若溫度偏差e 正大，則壓力補(bǔ)償值u 正大；根據(jù)溫度變化與補(bǔ)償值之間的關(guān)系可以得到模糊關(guān)系集合R。

表2 模糊控制規(guī)則表

按上述規(guī)則可以得到溫度偏差與壓力補(bǔ)償值的模糊關(guān)系R，補(bǔ)償值u 即為模糊控制的輸出，u 可由偏差矩陣e 和模糊關(guān)系矩陣R 合成得到。

4 反模糊化

通過模糊推理得到一個(gè)隸屬函數(shù)，再對(duì)其進(jìn)行反模糊化處理，以期最后得到一個(gè)精確的值來疊加入比例法的控制值。采用了加權(quán)平均法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的反模糊化。

5 PLC 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)上述模糊規(guī)則可以完成模糊運(yùn)算程序的編制。本例使用西門子TIA Portal 編制控制程序。使用SCL 語言建立模糊規(guī)則的FB塊，然后在OB1 組織塊中進(jìn)行調(diào)用。FB 塊程序如下：FUNCTION_BLOCK "模糊規(guī)則"

6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

將上述程序加入到現(xiàn)場(chǎng)一臺(tái)400t 液壓機(jī)程序及進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況修改輸入和輸出的模糊集，在沒有加入補(bǔ)償時(shí)液壓機(jī)油溫從20℃升高到45℃時(shí)壓力減小約0.3MPa，在加入補(bǔ)償程序后，壓力誤差減小至0.1MPa。

7 總結(jié)

本文在手動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上提出了一種使用模糊算法對(duì)液壓機(jī)油液溫度進(jìn)行處理，從而減小油溫對(duì)液壓機(jī)壓力產(chǎn)生的影響的方法。通過實(shí)驗(yàn)證明是有效的，可以使得液壓機(jī)壓力精度得到了提升，工人操作得到了簡(jiǎn)化。具有在液壓機(jī)行業(yè)推廣應(yīng)用價(jià)值。