基于模糊算法的連桿超聲波清洗液位控制系統(tǒng)

莫偉強 姜莉莉 方 強

(廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣州 510006)

汽車發(fā)動機連桿在生產(chǎn)過程中通常需要經(jīng)過多個加工工序，其中清洗工序是非常重要卻又容易被忽略的一環(huán)。不合格的清洗容易造成生銹、加工誤差大及使用壽命短等問題。在科學加工手段快速進步的今天，產(chǎn)品的潔凈方式也出現(xiàn)新的突破。超聲波清洗就是其中較為突出的新型清潔方式，其產(chǎn)生效果的基礎是通過驅(qū)動電源形成高頻率諧振信號，通過換能器傳播到液體中，令液體中出現(xiàn)眾多直徑為50～500μm的小氣泡，振動至破裂，這個過程中會產(chǎn)生巨大的壓力，能夠令污垢破碎，達到良好的清洗效果。

連桿具有螺孔等難以清洗的位置，形狀復雜，外表難清洗，清潔度要求高，經(jīng)實驗證明這種方式清潔連桿作用非常明顯，干凈程度能夠滿足工業(yè)需求。但是在清潔作業(yè)過程中，超聲波在儲液池洗滌劑中傳播，當?shù)竭_洗滌劑的液面時會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，造成沿著洗滌劑朝上的位置產(chǎn)生駐波聲場，這種情況就造成了處在波節(jié)附近的零件部位不能得到有效的清洗，也就是出現(xiàn)了清洗盲區(qū)[1]。根據(jù)清潔過程中不同的時間不斷變化洗滌劑的量，液面也隨著變化，從而減少不能有效清洗的零件部位，將清洗盲區(qū)減到最小。據(jù)此筆者設計了基于模糊算法的控制系統(tǒng)，用于實時改變連桿超聲波清洗時洗滌劑的液面高度。

1 液位系統(tǒng)分析和控制方案①

筆者設計的超聲波清洗液位控制系統(tǒng)控制的對象是儲液池中的液面高度，目的是保持液面高度在設定的數(shù)值附近，誤差不能超過10mm。在設定的系統(tǒng)控制下，當清洗過程受到影響，液面高度產(chǎn)生變化，液位能在短時間內(nèi)迅速返回到設定值[2]。根據(jù)具體裝置進行分析，然后簡化其控制模型。控制結(jié)構(gòu)由液位傳感器、控制器、儲液池、電磁調(diào)節(jié)閥和相關電器元件組成(圖1)。液位傳感器的作用是實時檢測儲液池的液面高度，電磁調(diào)節(jié)閥的作用是改變儲液池進水量的大小，設計控制器有一個接出變量，其作用是改變調(diào)節(jié)閥的動作。

圖1 液位控制模型結(jié)構(gòu)

2 液位模糊控制器的設計

2.1 輸入和輸出模糊化

使用梯形水箱作為儲液池，將水箱內(nèi)部液位的誤差設為E，其范圍是[-e，e]，誤差的變化量設為EC，其范圍是[-ec，ec]。變化量E、EC為梯形水箱控制器不可缺少的接入數(shù)值。該控制器的接出數(shù)值為電壓U，用以操作調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥的活動范圍，也就是電壓范圍，定為[-U，U]。

按照以上所述，設計的控制器誤差為e，理想的設定中e有一定的界限，確定它的取值，令E={-n，(-n+1)，…，0，…，(n-1)，n}為數(shù)值e的模糊子集界限。假設Ke=n/e，確定Ke為定量因素，受定量因素不同數(shù)值的作用，變量范圍[-e，e]的變化也有不同，變量范圍的大小改變，又將減少誤差的變化率。基于上述，選擇K為EC這一誤差改變率的定量因素，同時定義Kec=n/ec，由此可得控制量的定量因素Ku=u/n[3]。

由于Ku與n的乘積就是真實控制量，而n所代表的是電磁閥的電壓范圍[-U,U]的一個劃分等級，如果Ku超過一定的數(shù)值，就將使受控制的過程阻尼受到抑制；相反，Ku的值太小則會引起控制系統(tǒng)的反應屬性拖延滯后。考慮到具體情況，選擇n=6。初始設計的目標是二維控制器，即只有兩個要素起效果。e、ec和u這3個變量的模糊集是{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}，E、EC和U這3個變量的改變區(qū)域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}。函數(shù)對應地都選擇三角形的隸屬度式樣，經(jīng)過處理，所得到的具體圖形如圖2所示。

2.2 建立控制標準

模糊控制的標準是液位情況隨著清洗過程推進而不斷改變，控制器做出相應處理時所遵循的原則。控制標準的確定是建立在無數(shù)相關專家大

圖2 e、ec和u的隸屬度函數(shù)圖

量的專業(yè)理論研究和長時間的一線工作所總結(jié)得到的經(jīng)驗基礎上。書面上使用if、then、else及or等邏輯詞匯相貫串。控制標準實施命令遵循以下規(guī)律：在誤差較大的情況下，選定控制量的目的應該放在最短時間內(nèi)盡可能縮小誤差[4]。相對而言，當出現(xiàn)誤差比較小的情況下，控制量的選定則要防止出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，減少影響，把穩(wěn)定系統(tǒng)放在首位。

筆者所設計的控制器具有兩個接入量和一個接出量，通過現(xiàn)實經(jīng)驗能夠總結(jié)出如下標準：

ifE=PB andEC= NB or NS or ZO

thenU= NB

按照這些語言條例可以總結(jié)出如下關系：

=RA∩RB

總的標準控制見表1。

表1 模糊控制標準

2.3 對應模糊控制的查詢

控制查詢表格表明了各條控制規(guī)則與對應輸入、輸出量的函數(shù)關系，一旦確定具體的輸入量，通過查詢表格，得出所使用的規(guī)則和推理的過程，以此對系統(tǒng)進行優(yōu)化。

為了確定查詢表格，需要將有關于誤差e、誤差改變量ec和電壓u的3個隸屬函數(shù)，利用三角模糊理論[5]的方法，將函數(shù)量化后計算出賦值表，得到的賦值表可用于關系計算，從而確定查詢表格。查詢表格的設計按照以下原則：當出現(xiàn)誤差是“負大”，同時誤差的改變量也是負值時，那么這個時候誤差的改變傾向于增加。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，消除誤差增加的傾向，縮小誤差的影響，將控制量的設置定位為“負大”。同樣地在誤差是“負大”的情況，而此時誤差的改變量是正，模糊系統(tǒng)現(xiàn)在自身就已經(jīng)帶有避免誤差的傾向，為了達到短時間內(nèi)縮小誤差同時避免造成超調(diào)現(xiàn)象，應該把控制量定位在相對比較小的值。其他情形下，控制思想基本類似[6]。舉例如下：若誤差e為“負中”，即梯形水箱內(nèi)此時水位較高，在這種情況下如果ec取“正小”，也就是代表此時水箱內(nèi)水位有增高的趨勢，利用隸屬度最大的方法進行計算，求出輸出電壓為：

綜上所示，經(jīng)過多步計算，可以推理出對應的控制查詢表格(表2)。

表2 模糊控制查詢表

3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

所設計的控制系統(tǒng)選用三菱FX2N系列PLC來對梯形水箱內(nèi)的液位進行控制，PLC利用控制電磁閥，可以調(diào)試梯形儲水箱進水量的多少，由此達到改變液位的目標。系統(tǒng)主要由4個構(gòu)件組成，分別為電磁閥、PLC控制器、接入構(gòu)件和接出構(gòu)件。另外控制系統(tǒng)中選用投入式傳感器，放置于梯形水箱內(nèi)部液體中，感應液體液面高度的改變，使用接入構(gòu)件讀取液位的數(shù)值，輸入到PLC中進行處理，與控制器內(nèi)已有的數(shù)值對比，根據(jù)模糊原理操作電磁閥改變液面高度[7]。經(jīng)過控制計算后控制器構(gòu)件會利用接出構(gòu)件輸出4～20mA的電流。控制器液位控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制器液位控制結(jié)構(gòu)框圖

基于PLC的模糊控制，其原理是將經(jīng)過量化后的因素保存在繼電器中，然后將采集得到的信號經(jīng)過處理，對應于控制查詢表的原則，計算出輸出量，控制器輸出實際輸出量，繼而操作電磁閥，改變梯形水箱內(nèi)部液面的高度。

按照模糊算法，給出其控制流程(圖4)。

圖4 模糊控制算法流程

4 仿真與分析

使用Matlab軟件中建模可視化模塊Simulink對筆者設計的連桿超聲波清洗液位控制系統(tǒng)進行模擬[8]，所得曲線如圖5所示。

圖5 連桿超聲波清洗液位控制系統(tǒng)響應曲線

從響應曲線中可以看出，該模糊控制器在不足10s的時間內(nèi)，快速達到原先所設定的液位高度，證明控制器反應時間較短、控制準確，能滿足本課題儲液池水位操作的要求。

5 結(jié)束語

對象為液位的控制系統(tǒng)常常具有時滯性，而超聲波清洗因其清洗原理的特殊性對液位有特別要求。采用模糊控制通過制定合適的控制規(guī)則，解決了超聲波清洗實時自動改變液位的要求，減少了調(diào)節(jié)時間，縮小了超調(diào)量，提高了系統(tǒng)性能。

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