基于模糊PID的玻璃加工技術的研究

摘 要：文章通過結合基于模糊PID的玻璃加工技術的相關應用內容，并在簡要介紹玻璃加工中的多工位玻璃自動加工機床的前提下，分別就基于PID下的控制系統及仿真技術，以及基于模糊自適應PID下的控制器仿真設計展開進行闡述。通過分析和探究基于模糊PID的玻璃加工技術，希望能夠給予廣大從事玻璃加工行業的人員提供一些參考和幫助。

關鍵詞：模糊PID；玻璃加工技術；分析；探究

1 多工位玻璃自動加工機床

設計采用基于模糊PID控制技術的多工位玻璃自動加工機床，以用于玻璃制品鉆孔、玻璃磨邊等環節。其中，機床主要有10個工位，包括6個鉆孔工位、2個磨邊處理工位和2個上下料工位。鉆孔工位用于鉆削位置及大小不同的孔，且由于是選取棘輪式大盤分度，可以確保打孔位置的高精度。另外，通過PLC群控技術，可以一次性將4到6mm的玻璃毛坯鉆孔及磨邊完工，效率較高，很適合在批量生產中使用。鉆頭和磨頭主要通過電機帶動，設計采用動力氣液缸作為工位的進給執行機構，并借助電磁閥來控制氣液缸進行調速，且在鉆孔或磨邊時，若是阻力太大，氣-液阻尼缸還可以進行柔性化加工。

機床設計通過1臺主PLC機來實現對其余8臺PLC機的控制，且具備和機械手PLC機進行實時通信的能力。同時，通過使用傳感器對各工位的位置進行檢測，以形成閉環反饋的控制模式，可以進一步實現控制的精確性和位置的協調性。

2 基于模糊PID的玻璃加工技術研究

2.1 基于PID下的控制系統及仿真技術

機床的主要工作模式是通過電機來帶動并實現大質量轉盤的正確轉位，以便能夠準確把工件送往各加工工位。在此基礎上，基于PID下的控制系統很容易受到大盤啟動、停止和速度變化等的影響而致使工件的定位和加工的精確度得不到保證。同時，由于鉆頭和砂輪需要經由電磁閥，并由氣液缸來提供動力進給，若是電磁閥響應速度過慢，或是氣液阻尼缸動態性能不夠高，均會讓鉆頭及砂輪受到波及，進而影響到鉆孔和磨邊的精確度和質量。基于PID下的控制系統的PID控制器仿真設計如下。

圖1 PID控制器結構設計

其中，R（t）為給定值，U（t）為實際輸出。由此得出控制偏差E（t）的公式為：

E（t）=R（t）-U（t）

另外，根據比例（P）、積分（I）與微分（D），得出相鄰兩時刻的偏差量公式為：

其中，k是采樣序號；E（k）表示第k時刻的偏差信號；Y（k）表示系統在k時刻的控制量；KP、Ki和Kd分別表示比例、積分及微分的參數。例如在負責驅動鉆頭和砂輪進給的氣液缸系統中，主要構成部分除了氣液驅動缸之外，還有機械滑臺跟電磁閥等。具體的傳遞函數公式為：

其中，Kn表示氣液缸進給系統的等效剛度；Wn表示氣動回路系統的無阻尼自然頻率；？孜n表示阻尼比。

2.2 基于模糊自適應PID下的控制器仿真設計

實際應用時，由于氣體壓力、油液阻尼均為隨著氣溫及濕度等的變化而發生改變，而且，要是被加工材料不夠均勻，還會帶來負載現象，這些因素的存在，會使得氣動系統具有非線性和時變性的顯著特征，進而影響到系統傳遞函數對高精度數學模型的獲取。因此，為了使得工件加工精度得到有效控制，可以在設計時采用模糊自適應PID來實現。

圖2 模糊PID自適應控制器結構設計

其中，e表示誤差，即鉆頭加工后的對應預定位置的相對偏差；ec表示誤差變化率。據相關數據表明，通常鉆頭加工偏差的波動是在[a，b]（其中a、b均為實數，且a=-3，b=3）的范圍內，為此，可以把誤差e劃分成幾個等級來分析。即將{-3，-2，-1，0，1，2，3}作為誤差e等等級域，將{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}作為誤差變化率ec的模糊子集域。

在該控制器系統中，通過模糊推理可以使PID控制器的各參數值（KP、Ki、Kd等）實現自動在線整定。而且通過將e和ec設定為控制量，還能夠滿足在不同時刻下對PID控制器參數的自整定要求。通過對參數與誤差、誤差變化率的模糊關系的確立，讓控制系統能夠在線完成對各參數的修改，實現參數自整定功能，并滿足在不同誤差或誤差變化率的情況下的要求，不但能夠使得被調節對象具備良好的動態，而且在靜態性能方面，也能達到更為理想化。

同時，將氣缸在達到預定位置時是否具有誤差小、速度快，且不會導致超調和振蕩等情況發生作為制定模糊規則的前提條件。從參數整定原則來看，若是被控制量接近給定值，那么，機床在鉆孔后進給值和理論補償值的誤差較小，誤差變化率較大。此時，能夠通過增加PID控制系統的積分效果來加快響應速度，進而使鉆頭的進給精度得到提高。反之，則可以通過減少鉆頭的超量進給來預防鉆頭沖撞情況的發生。相對于PID控制器，模糊PID自適應控制器對信號的響應要更具優勢。

3 實際應用

在將玻璃自動加工機床應用到實際生產時，可以通過對鉆孔工位進行調試，測定鉆頭在實際鉆孔時的進給量大小，再將其與PLC控制器內已設置的不同時刻的進給量進行比較。可以看出，常規的PLC控制器能夠有效控制玻璃鉆孔、磨邊以及上下料等方面，不過往往由于非線性、時變性問題，而使得參數整定不夠精確，且性能不佳，在運行工況方面的適應力相對來說要差得多，無法保證工藝質量；而模糊PID自適應控制器，則能夠在進行玻璃鉆孔、磨邊及上下料的有效控制的同時，提高系統精度，保證系統的靈活和自適應能力，值得推廣。

參考文獻

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