電火花伺服進(jìn)給模糊控制器制備方法

劉石安

（華僑大學(xué) 機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，福建 泉州 362021）

電火花伺服進(jìn)給模糊控制器制備方法

劉石安

（華僑大學(xué) 機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，福建 泉州 362021）

設(shè)計(jì)電火花放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)法，用MATLAB生成模糊控制函數(shù)，并用存儲(chǔ)器查表法實(shí)現(xiàn)模糊控制器硬件化 .硬件化的電火花伺服進(jìn)給模糊控制器，是在Altera公司EP1C12Q240C8可編程邏輯器件中實(shí)現(xiàn)的，占用760個(gè)邏輯單元，40 960個(gè)存儲(chǔ)比特，模塊工作頻率可達(dá)72MHz.仿真結(jié)果表明：控制器計(jì)算迅速，幾乎不消耗時(shí)間，完全能滿足電火花數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性任務(wù)要求.

電火花；模糊控制器；放電狀態(tài)；存儲(chǔ)器查表法

電火花數(shù)控系統(tǒng)與銑削數(shù)控系統(tǒng)相比較，多了一項(xiàng)核心實(shí)時(shí)任務(wù)，即放電狀態(tài)檢測(cè)與控制 .電火花加工需要自適應(yīng)控制技術(shù)、智能控制技術(shù)來(lái)提高加工的穩(wěn)定性［1-2］.國(guó)內(nèi)外的學(xué)者利用模糊控制技術(shù)，建立數(shù)學(xué)模型以解決電火花加工間隙黑箱、狀態(tài)時(shí)變、難控制的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電火花加工過(guò)程的狀態(tài)檢測(cè)與控制［3-4］.然而，模糊控制算法很復(fù)雜，需要先將輸入因子模糊化，建立推理規(guī)則機(jī)制，解模糊和輸出適當(dāng)?shù)目刂埔蜃?算法非常消耗時(shí)間，如果將其放入控制系統(tǒng)中可能會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性.針對(duì)這一問(wèn)題，可以采用離線法預(yù)計(jì)算，將結(jié)果預(yù)存貯，然后用查表法實(shí)現(xiàn)快速模糊控制計(jì)算.在電火花數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中，選用模糊控制技術(shù)檢測(cè)與控制電火花加工過(guò)程，用MATALAB生成了正確無(wú)誤的C語(yǔ)言的模糊控制算法函數(shù)，即軟件模糊控制器，期盼能應(yīng)用于電火花數(shù)控的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中 .然而，實(shí)測(cè)結(jié)果表明這太消耗時(shí)間，產(chǎn)生的控制遲滯高達(dá)百微秒級(jí)（33.33MHz的CPU），甚至更高 .由此，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能難免有所降低，為擺脫被動(dòng)局面，模糊控制器硬件化勢(shì)在必行 .基于此，本文集中研究模糊控制算法和模糊控制器硬件化制備方法.

1 電火花放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)

電火花加工間隙放電狀態(tài)非常復(fù)雜，放電波形隨機(jī)變化，間隙放電波形可分為空載、正常放電、短路及電弧放電4大類.針對(duì)電火花數(shù)控銑削是用簡(jiǎn)單棒電極通過(guò)軌跡運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)幾何表面成型的加工方法，其沖液條件良好，排屑流暢，產(chǎn)生電弧放電的概率很低，幾乎不出現(xiàn)電弧放電 .為說(shuō)明問(wèn)題，簡(jiǎn)化放電狀態(tài)種類，建立的放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)電路僅考慮空載、正常放電和短路3種狀態(tài).

放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)是電火花模糊控制技術(shù)必須首先研制開發(fā)的前置電路 .該電路要能記憶放電狀態(tài)，要能完成各類放電狀態(tài)數(shù)量計(jì)算，其性能要好且運(yùn)算速度快，以及有良好接口電路，方便數(shù)據(jù)的采集輸出.目前，放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法 .第1種方法是用分立元件計(jì)數(shù)器記憶各類放電狀態(tài)，然后通過(guò)接口電路采集數(shù)據(jù)；第2種方法是用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，用硬件描述語(yǔ)言VHDL設(shè)計(jì)［5-6］.前者電路分散，抗干擾能力差，后者是模塊化設(shè)計(jì)思想，性能可靠.以上兩種方法都有1個(gè)共性，即用計(jì)數(shù)器直接記錄放電狀態(tài)，在一個(gè)分析周期結(jié)束之時(shí)需要清零重置，放電狀態(tài)記憶不具連續(xù)性.

圖1為放電狀態(tài)分類計(jì)數(shù)狀態(tài)機(jī)原理，即采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，放電狀態(tài)記憶與放電狀態(tài)計(jì)數(shù)分開處理，先記憶后計(jì)數(shù)，用狀態(tài)機(jī)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn) .將采樣信號(hào)即狀態(tài)機(jī)開始工作循環(huán)起動(dòng)信號(hào)移位寄存器Shift－Register記憶輸入狀態(tài)；然后，對(duì)該移位寄存器各位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后輸出放電狀態(tài)的計(jì)數(shù)結(jié)果.該電路已經(jīng)模塊化了，可用QuartusⅡ工具實(shí)現(xiàn)的.

圖2為用狀態(tài)機(jī)的思想設(shè)計(jì)的放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)電路，它具有如下5個(gè)特點(diǎn).

（1）實(shí)時(shí)性.3個(gè)狀態(tài)記憶模塊即32位移位寄存器，實(shí)時(shí)記錄每個(gè)脈沖放電狀態(tài)，連續(xù)記錄32個(gè)，最新的放電狀態(tài)從D0位采集輸入，前面已發(fā)生的第32個(gè)放電狀態(tài)從D31位益出 .因此，移位寄存器中實(shí)時(shí)記憶的狀態(tài)數(shù)，既有最新的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)，也有已往發(fā)生過(guò)的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù).

（2）“1”的個(gè)數(shù)求和 .這是統(tǒng)計(jì)模塊，分別完成空載、正常放電和短路狀態(tài)數(shù)的統(tǒng)計(jì) .值得注意的是，在采樣時(shí)刻放電狀態(tài)只可能是三者之一.因此，3個(gè)狀態(tài)數(shù)之和恒定為32.求和模塊是在記憶模塊之后才開始工作的，硬件計(jì)算速度快，耗時(shí)僅需1.1μs.

（3）分析間隔數(shù)、鎖存信號(hào) .該模塊的輸入是采樣信號(hào)，輸出是脈沖鎖存信號(hào)，用于鎖存“求和模塊”的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)值.分析間隔數(shù)的物理意義是指鎖存周期，反映了移位寄存器記憶的狀態(tài)數(shù)據(jù)的新舊比例數(shù).當(dāng)該值為1時(shí)，表示每次采樣放電狀態(tài)后，最新狀態(tài)在D0被實(shí)時(shí)記錄下來(lái)，并且和歷史數(shù)據(jù)一起向上提交，統(tǒng)計(jì)值存入到相應(yīng)的鎖存器中；當(dāng)該值為2時(shí)，表示兩次采樣以后最新狀態(tài)、亞新狀態(tài)和歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)才能夠向上提交；當(dāng)該值大于32時(shí)，表示移位寄存器記憶的狀態(tài)完全都是連續(xù)的最新的放電狀態(tài).使用者可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整分析間隔數(shù)，靈活使用放電狀態(tài)監(jiān)視器.

（4）通訊 .在放電狀態(tài)數(shù)鎖存之后，鎖存信號(hào)同時(shí)設(shè)置數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好狀態(tài)信號(hào)，允許微處理機(jī)可以用查詢方式或中斷方式讀取狀態(tài)數(shù)據(jù).

（5）電火花放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)器 .這是用硬件描述語(yǔ)言HDL編程的，設(shè)計(jì)1個(gè)時(shí)序控制狀態(tài)機(jī)，由采樣信號(hào)啟動(dòng)，分步驟完成放電狀態(tài)記憶、求和及數(shù)據(jù)鎖存.

在社會(huì)快速發(fā)展的背景下，工程造價(jià)管理工作的發(fā)展進(jìn)程并沒有能夠迎合社會(huì)發(fā)展速度，這導(dǎo)致工程造價(jià)管理工作會(huì)呈現(xiàn)出一定的滯后性[3]。在傳統(tǒng)工程造價(jià)管理工作中，部分建設(shè)單位在造價(jià)管理過(guò)程中所采用的是原有定額計(jì)價(jià)形式，或是將此種形式作為基礎(chǔ)，致使諸多數(shù)據(jù)不能夠適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展新形勢(shì)。此種矛盾的主要表現(xiàn)為：其一，定額價(jià)格方面的變動(dòng)所需時(shí)間較長(zhǎng)，也是工程造價(jià)管理滯后性的主要體現(xiàn)；其二，以一年作為期限，一種商品價(jià)格可能會(huì)出現(xiàn)較為頻繁的浮動(dòng)，但建設(shè)工程定額時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)此以往會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)與工程造價(jià)市場(chǎng)脫節(jié)。

放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)器已做成了標(biāo)準(zhǔn)IP軟核，提供3個(gè)接口，微處理機(jī)可以隨時(shí)讀出間隙放電狀態(tài)數(shù)據(jù).該模塊通用性強(qiáng)，也可以應(yīng)用于非數(shù)控類電火花加工機(jī)床的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制.

圖1 放電狀態(tài)分類計(jì)數(shù)狀態(tài)機(jī)原理Fig.1 Principle of the discharge state of the state machine

圖2 電火花放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of the state of electrical discharge machining

2 電火花伺服進(jìn)給模糊控制器

求解輸入輸出之間的“黑箱”映射關(guān)系有多種方法，如模糊系統(tǒng)、線性系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、微分方程、多維插值查找表等.在眾多理論方法中，模糊系統(tǒng)是最佳的黑匣子求解方法.

2.1 MATLAB建立模糊控制器算法

用MATLAB的模糊推理機(jī)編輯器打開GUI圖形交互界面；然后，確定輸入變量和輸出變量，選擇和建立各變量對(duì)應(yīng)的成員函數(shù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際加工特點(diǎn)修正波形數(shù)據(jù)，也可從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中求得.

代表空載open輸入變量的成員函數(shù)波形圖，如圖3所示 .圖3中：N為空載狀態(tài)數(shù)；γ為比率 .從圖3可知，當(dāng)空載鎖存器中狀態(tài)數(shù)為23時(shí)，50%認(rèn)定當(dāng)前間隙是空載狀態(tài)；而當(dāng)空載鎖存器中狀態(tài)數(shù)為32時(shí)，100%認(rèn)定當(dāng)前間隙不放電.正常放電normal和短路short輸入變量的成員函數(shù)和空載情況相近，只是波形參數(shù)有少許不同.

代表伺服進(jìn)給速度Velocity輸出變量的成員函數(shù)波形圖，如圖4所示.從圖4可知：當(dāng)短路鎖存器記錄的狀態(tài)數(shù)接近32時(shí)，認(rèn)定間隙短路，應(yīng)該100%以－5.0的速度回退；當(dāng)空載鎖存器記錄的狀態(tài)數(shù)接近32時(shí)，毫無(wú)疑義間隙就是空載狀態(tài)，當(dāng)然應(yīng)該100%以＋5.0的速度前進(jìn)；而當(dāng)正常放電鎖存器記錄的狀態(tài)數(shù)接近32時(shí)，應(yīng)該100%保持進(jìn)給速度為0，持續(xù)保持正常放電加工的平穩(wěn)性.

最后，需要確定模糊控推理規(guī)則.

圖3 空載open輸入變量成員函數(shù)波形圖Fig.3 Open member function of the input variable membership waveform

圖4 伺服進(jìn)給速度Velocity輸出變量成員函數(shù)波形圖 Fig.4 Velocity of servo feed output variable membership function plot

2.2 模糊控制器的硬件化

（1）C語(yǔ)言函數(shù)硬件化 .先用MATLAB建立Simulink工程，加入模糊控制Fuzzy System Controller組件；然后，將以上建立的模糊推理機(jī)ANFIS輸入到該項(xiàng)工程中，利用Real－Time Workshop生成完全符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言軟件模糊控制器；最后，用嵌入式開發(fā)軟件QuartusⅡ的硬件加速器NiosⅡC2HCompiler將模糊控制函數(shù)硬件化，生成以硬件方式執(zhí)行的用戶指令.有了該硬件加速用戶指令，電火花數(shù)控系統(tǒng)程序執(zhí)行流程變?yōu)橄茸x入放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)的空載、正常放電、短路狀態(tài)數(shù)據(jù)，并作為形參輸入到該用戶指令中，再求出模糊控制函數(shù)值，即進(jìn)給速度Velocity，完成伺服進(jìn)給控制.應(yīng)指出的是，用此方案生成的用戶指令在評(píng)估之后還必須得到Altera公司的授權(quán)，方能下載到可編程邏輯控制器中，最終完成模糊控制器的硬件化.

（2）存儲(chǔ)器查表法 .首先建立M－File文件，在文件中輸入前面建立的模糊推理機(jī)ANFIS，輸入如下關(guān)鍵程序：

將預(yù)先計(jì)算好的伺服進(jìn)給速度Velocity函數(shù)值存儲(chǔ)在一張二維的數(shù)據(jù)表中，輸入是空載open狀態(tài)數(shù)因子和短路short狀態(tài)數(shù)因子，輸出是伺服進(jìn)給速度Velocity變量.

其次，建立Simulink工程，加入Altera DSPbuider LUT組件，空載open狀態(tài)數(shù)因子作為L(zhǎng)UT的高地址，短路short狀態(tài)數(shù)因子作為L(zhǎng)UT的低地址，輸出是Velocity變量.將以上計(jì)算的二維數(shù)據(jù)表植入LUT中，再用Signal Compiler編譯生成適合Cyclone的HDL硬件描述文件.即完成電火花伺服進(jìn)給模糊控制器硬件化.

值得注意的是，放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)電路通過(guò)空載open鎖存器和短路short鎖存器可以與LUT存儲(chǔ)器直接相連，聯(lián)合建立一個(gè)共同的頂層工程文件 .因此，這種包含放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)的模糊控制器硬件化方案是全程硬件化方案 .整個(gè)分類狀態(tài)統(tǒng)計(jì)與模糊控制計(jì)算是在一個(gè)狀態(tài)機(jī)控制下獨(dú)立自動(dòng)完成，無(wú)需處理器的介入，與處理器工作并行，處理器只需讀取計(jì)算結(jié)果就行了 .因此，該模糊控制器執(zhí)行速度快，實(shí)時(shí)性好.

2.3 模糊控制器仿真

主要是驗(yàn)證當(dāng)給定空載open狀態(tài)數(shù)和短路short狀態(tài)數(shù)后，是否能獲得準(zhǔn)確的伺服進(jìn)給速度，如圖5所示.從圖5可以看出：存儲(chǔ)器中存貯的伺服進(jìn)給速度Velocity波形數(shù)據(jù)非常理想，正向進(jìn)給和反向回退速度在波形中都體現(xiàn)出來(lái).

圖5 模糊控制器的仿真Fig.5 Simulation of fuzzy controller

3 結(jié)論

（1）放電狀態(tài)分類統(tǒng)計(jì)與模糊控制器硬件結(jié)合起來(lái)，可完成電火花加工的間隙放電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制任務(wù).所開發(fā)的硬件化模糊控制器在用作監(jiān)測(cè)與控制時(shí)，能夠滿足電火花數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能要求，而用作非數(shù)控類電火花機(jī)床的狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)也毫無(wú)障礙.

（2）輸出變量Velocity成員函數(shù)的keep線位置可以依據(jù)加工性質(zhì)做少許調(diào)整，使研制的伺服進(jìn)給模糊控制器能更好地滿足電火花粗、中、精加工的要求.

（3）分析間隔數(shù)與鎖存信號(hào)模塊通過(guò)調(diào)整參數(shù)能鎖存記憶新舊比例數(shù)不同的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)值，及時(shí)發(fā)出準(zhǔn)備好信號(hào)，方便微處理機(jī)以查詢方式或中斷方式攝取放電狀態(tài)和伺服進(jìn)給速度.

（4）硬件化的電火花伺服進(jìn)給模糊控制器，是在Altera公司EP1C12Q240C8可編程邏輯器件中實(shí)現(xiàn)的，占用760個(gè)邏輯單元，40 960個(gè)存儲(chǔ)比特，模塊工作頻率可達(dá)72MHz，說(shuō)明占用資源少，經(jīng)濟(jì)性好，工作頻率高，已成功應(yīng)用于電火花加工過(guò)程的狀態(tài)檢測(cè)與控制.

［1］王愛玲 .現(xiàn)代數(shù)控原理及控制系統(tǒng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［2］賈敏忠，謝明紅 .PCL－839運(yùn)動(dòng)控制卡數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（4）：404－407.

［3］楊新勝，貝季瑤，奚紹申 .電火花加工中的模糊控制初探［J］.電加工與模具，1988（2）：12－14.

［4］鄭紅，宋博巖 .模糊控制技術(shù)在電火花加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.電加工與模具，1996（2）：7－8.

［5］歐陽(yáng)黎明.MATALAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［6］潘松.EDA技術(shù)與VHDL［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

Research and Development Method of Electric Spark Servo Feed Fuzzy Controller

LIU Shi－an
（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China）

A statistical method for various types of electric spark discharge status was designed.A fuzzy control function with MATLAB was generated and the hardware－based fuzzy controller with memory look－up table scheme was established.The hardware of the electrical discharge machining（EDM）servo fuzzy controller is implemented in the Altera Corporation′s programmable logic devices EP1C12Q240C8with 760logic cells and 40 960memory bits，the module operating frequency of which is up to 72MHz.The simulation results show that the fuzzy controller is of high efficience，almost no time－consuming，which is fully able to adapt to the real－time EDM CNC tasks requirement.

electrical discharge machining；fuzzy controller；discharge status；memory look－up table

錢筠 英文審校：崔長(zhǎng)彩）

TP 273.4；TG 661

A

1000－5013（2011）06－0611－04

2010－11－26

劉石安 （1965－），男，教授，主要從事特種加工技術(shù)的研究.E－mail：liushian＠hqu.edu.cn.