基于模糊理論的多CPU智能弧壓調高系統設計

劉曉東 李亞榮 楊寶清

（大連交通大學機械工程學院，遼寧大連 116028）

在自動化生產中，等離子數控切割已成為機械加工的重要手段之一。等離子切割是以高溫、高速的等離子弧為熱源，將被切割的金屬或非金屬局部熔化同時以高速氣流將熔化的金屬或非金屬吹走而形成狹窄切口［1］。其中等離子電源用來產生切割用電壓，為恒流特性。當割炬與被切割工件間的距離發生變化時，電阻也隨之變化，等離子電源需要調整輸出電壓以保持恒定的輸出電流。由于實際待切割工件可能存在高低不平、薄厚不一的情況，為了保證切割質量必須保證割炬到被切割工件間的高度恒定，因此需要具有良好性能的自動調高系統。

由于現有的調高控制器多為開關量控制方式，存在定位精度低、響應速度慢等缺點。為改善調高系統的調整精度與響應速度，本文提出了一種多CPU控制的智能弧壓調高系統，并且利用模糊控制理論實現了弧壓調高的閉環模糊控制。模糊控制的優點是不要求建立被控對象的精確數學模型，系統響應快、精度高。現場實驗證明系統具有結構簡單、實時控制能力強、控制精度高等特點。

1 智能弧壓調高控制系統總體設計與功能分配

等離子數控切割機的弧壓調高位置控制系統整體結構如圖1所示，它由主、從兩個單片機組成。主單片機主要完成實時位置、速度信號的檢測和處理、位置模糊控制運算、讀取控制數據，生成PWM信號控制直流電動機帶動執行機構動作、與從單片機進行串行通信等功能。主控單片機采用C8051F500單片機，由于C8051F500具有較快的運行速度，足以實現數控切割機弧壓調高的位置控制。從單片機采用AT89C51單片機實現顯示和鍵盤操作。

整個系統主要劃分為6個環節:位置信號檢測環節、位置模糊控制環節、電動機PWM伺服驅動環節、從單片機控制液晶顯示環節、CPU間數據通信環節以及基本量控制環節等。

（1）位置信號檢測環節 切割過程中，初始位置信號ps是由數控主機（相當于上位機）給定，而實際位置信號pf是由位置信號檢測環節獲得并實時地反饋給主單片機。

（2）位置模糊控制環節 調高控制系統的核心任務是調高位置控制算法的設計與實現，其好壞直接決定整個控制系統的控制質量和效率。本文采用模糊控制理論實現調高系統的數字化控制。

（3）電動機PWM伺服驅動環節 單片機通過控制PWM信號的占空比發出控制指令來改變直流電動機上的平均電樞電壓的大小，改變直流電動機的轉速，從而實現位置伺服控制。

（4）從單片機控制液晶顯示環節 系統在完成控制功能的同時需要良好的人機接口實現顯示狀態參數與設定控制參數。一些重要參數如弧壓、高度信息等，通過從單片機在液晶顯示屏上顯示。其中實際弧壓在起弧后開始自動顯示，并在整個工作過程中一直處于動態跟蹤顯示狀態。

（5）CPU間數據通信環節 本系統各CPU之間的信息交換均采用串行通訊的方式完成［2］。

（6）基本量控制環節 系統基本量控制是調高系統正常工作的基礎，主要包括:初始定位控制，調高系統接收單片機的起弧指令后首先依照設定的定位高度完成初始定位后，調高系統才開始自動控制等離子起弧;接收數控主機的命令控制，實現數控系統主機對系統的總體控制，如自動/手動信號切換控制、數控系統起弧信號發布等;限位控制，當驅動機構帶動割槍上升或下降到達上限位或下限位時實現行程開關的閉合控制等。

2 弧壓調高系統模糊控制策略

由于影響弧壓調高系統性能的主要因素具有時變性和不確定性，在研究了模糊控制算法優點［3］的基礎上，確定了弧壓智能調高模糊控制策略。系統利用閉環控制原理，采用高度位置偏差e、高度位置偏差變化率c的雙輸入與控制量u單輸出的二維控制模型。e為切割機的割炬距工件的設定位置與實際位置的偏差，e=ps－pf;c為割炬位置偏差變化率;u為控制量［4］。原理結構圖如圖2所示，輸入位置偏差e和位置偏差變化率c的精確量通過模糊化后得到輸入模糊量E和C，再將其作為模糊控制器的二維輸入，經過模糊推理輸出模糊控制量U，最后將其反模糊化為精確控制量u。

由于切割機弧壓調高不適合采用在線推理的模糊控制器，本系統采用控制表查詢方式，即事先根據數控切割機的位置控制規則和模糊集隸屬度函數，利用模糊推理合成算法離線獲得控制表數據寫入C8051F500主單片機的存儲器中，然后在控制輸出時按照不同的位置偏差和位置偏差變化率（速度）等級，通過查表方式求得控制量。

2.1 模糊化

位置偏差E論域等級劃分為:X={－6，－5，－4，－3，－2，－1，－0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。在論域X上采用8個模糊語言變量:E={NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，其中 PB（正的大位置偏差）、PM（正的中位置偏差）、PS（正的小位置偏差）、PO（正的零位置偏差）、NO（負的零位置偏差）、NS（負的小位置偏差）、NM（負的中位置偏差）、NB（負的大位置偏差）。

定義隸屬函數，本文根據實際控制情況采用在各模糊語言變量對應的離散論域直接對隸屬度賦值的方法，這樣做的好處是簡單而且實用。位置偏差E的隸屬函數賦值如表1所示。

同樣得到位置偏差變化率C等級劃分Y={－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}在論域Y上采用7 個模糊語言變量:C={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。控制量U的等級劃分Z={－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}，在論域Z上采用 7 個模糊語言變量:Z={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。偏差變化率C與控制量U的隸屬函數賦值分別如表2、3所示。

表1 位置偏差E的隸屬函數賦值表

表2 位置偏差變化率C的隸屬函數賦值表

表3 控制量U的隸屬函數賦值表

2.2 模糊控制規則

控制規則的建立主要依據是能夠快速穩定地實現目標位置調整，并且沒有穩態誤差。總結技術知識和實際操作經驗，建立模糊控制規則如表4所示。

表4 模糊控制規則表

2.3 模糊推理和解模糊化

模糊控制規則集可以表示為一個模糊關系R:

其中Ei、Cj、Uij是定義在位置偏差、偏差變化和控制量論域X、Y、Z上的模糊集。

當某時刻的偏差與偏差變化率的模糊值分別取E和C，根據以上模糊關系進行合成運算得到相應的控制量模糊值U:

按照式（1）、（2）可根據模糊推理合成法則算出相應的控制量，并采用最大隸屬度方式進行解模糊化。系統采用離線計算方式，并經反復調試、修改，得到一個控制量的查詢表存放在C8051F500中。實時控制時系統根據采樣得到的位置偏差ei和位置偏差變化率cj，查控制表就可以獲得輸出控制量uij。

2.4 軟件設計

弧壓調高控制系統的主程序流程圖如圖3所示。主程序包括系統初始化、工作模式選擇、初始高度設定、系統調高控制等幾個部分。其中，調高控制器的模糊控制運算與查詢程序流程圖如圖4所示。

3 實驗研究

基于文獻［5］給出的數學模型和試驗對象，利用本文模糊控制策略，運用MATLAB/Simulink軟件進行了系統建模仿真研究。為了便于對比研究傳統控制方法與模糊控制方法的情況，將系統整定后得到的仿真結果同時輸出于圖5中。只要經過反復調整和實驗，本文提出的基于模糊理論的控制方案行之有效，獲得了較快的系統響應，沒有超調量，可以用于等離子數控切割機，并且模糊查詢表也便于實時控制與實現。

將上述控制策略應用于大連重工HONEYBEE（小蜜蜂）等離子數控切割機上進行實驗，運用模糊控制算法進行調高控制后，實現了等離子電弧切割最佳域的控制，弧壓調高位置控制精度可達到±0.3 mm，系統的調整速度明顯加快，切割得到的鋼板表面粗糙度較好，掛渣變少。

4 結語

本文介紹了基于多CPU控制的智能弧壓調高系統設計，采用基于模糊理論的弧壓調高控制策略，實現弧壓調高的數字控制，并且具有鍵盤輸入、數據顯示、自動采集測量、參數智能控制等功能，構成了一個閉環自動控制系統。用切割200 mm×200 mm鋼板多次實驗表明，系統工作穩定可靠，結合等離子切割機設定割槍水平運動為勻速運動時，自動弧壓跟蹤精度可達到±0.3 mm，靜態性能得到了改善，切割質量得到明顯提高，具有良好的工程應用價值。

［1］孔德杰，張光先，喬立強，等.數控等離子切割技術在我國的現狀與發展［J］.電焊機，2005，35（1）:6 －7，38.

［2］李萍.基于多CPU的油井作業監測系統的設計與實現［J］.化工自動化及儀表，2010，37（2）:44 －47.

［3］蔣翔俊，張優云，鄒愛成，等.模糊控制在數控火焰切割機自動調高系統中的應用［J］.制造技術與機床，2008（6）:87－89.

［4］李世勇.模糊控制、神經控制和智能控制論［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1996.

［5］張文武，程良倫，薛航，等.混合遺傳算法優化的等離子切割機弧壓調高控制研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2011（10）:64－68.