噴霧冷卻系統的模糊控制器設計

李有文 余建華 胡 琳

（山西機電職業技術學院，山西 長治046011）

0 引言

近年來，工業生產過程使用大量切削液，使得處理切削液的費用占到了零件總加工成本的14%～17%，切削液還會直接污染車間環境、危害工人健康。本系統利用壓縮氣體和液體作為冷卻介質，解決了切削液的污染問題，在提倡綠色環保的今天，推廣噴霧冷卻系統具有重要的現實意義。

1 冷卻系統整體設計

噴霧實驗裝置總體結構如圖1所示。溫度控制器可以根據建工需要事先設置相關需控制的溫度，再由溫度傳感器采集相關加工工件的溫度，將溫度傳輸給溫度控制器，溫度控制器將設置溫度和采集溫度進行比較，根據模糊控制規則，由溫度控制器輸出相應的控制量分別對氣體流量和液體流量進行相應配比，氣體和液體在霧化噴頭處進行混合噴出。模糊控制器的優點是不需要對相關的控制環節有太精確的把控，在整個過程中可以實時根據溫度傳感器的信號來改變相應的輸出變量，使得工件可以在一個穩定的加工環境中進行加工，既提高了加工的精度，也解決了加工過程中溫度變化引起的應力集中溫度問題。同時使用的冷卻介質都是無污染的氣體和液體，也解決了切削液的處理問題。

圖1 噴霧實驗裝置總體結構

2 硬件設計

整個系統設計的重點是溫度控制的實現。該控制器設計了鍵盤輸入，可以通過鍵盤輸入加工過程中需要的恒定溫度并顯示，加工過程中由溫度傳感器（熱電偶）來進行工件溫度的實時采集，并由A／D轉化成數字信號交由單片機處理；單片機將采集信號和輸入信號進行對比，再結合模糊控制規則，將偏差值和偏差變化量進行量化、模糊化，經過推理得出所需要的輸出變量；D／A的作用是將輸出的變量轉換成模擬控制量，再經由觸發電路和功率調節裝置進行相應的放大，去控制氣體和液體比例電磁閥的輸出。該系統還設置了環境溫度的采集，主要作用是進行相應的溫度補償，讓該系統可以適應更多的環境。溫度控制器系統設計框圖如圖2所示。

圖2 溫度控制器系統設計框圖

3 模糊溫度控制器算法設計

模糊控制不局限于系統輸入和輸出量是對應的確切的數學關系，它的設計可以利用設計者的經驗來描述輸入和輸出，同時在過程之中可以根據控制規則改變輸入和輸出的關系，令整個系統達到最優化。這也使得模糊控制器的設計不能用數學來解析模型。控制器算法的設計主要分為4個步驟：模糊控制器結構的確定、相關參數的模糊化處理、模糊規則的建立、最終輸出量的反模糊化輸出。

3.1 模糊控制器結構確定

模糊控制的結構主要根據系統的設計要求來確定，這也是模糊控制器的靈活之處。采集溫度和輸入溫度的對比得到偏差信號E，再根據前后偏差信號的對比可以得出偏差變化量EC。根據兩個值確定該系統可以采用二維模糊控制器結構。

3.2 系統參數模糊化處理

根據溫度控制器根據設計要求，偏差e基本論域初設為［－12，12］，由于升溫速率不快，偏差變化ec基本論域為［－12，12］；模糊論域參考Mamdani模糊控制理論，模糊論域E和EC統一設為［－6，6］，U設為［－6，6］；量化因子為Ke＝6／12＝1／2，Kec＝6／12＝1／2。模糊論域E、EC、U分別具有一定的變化范圍，將該變化范圍分別定義為模糊集上的論域，可以定義為13個等級：

3.3 模糊規則建立

根據模糊控制系統的建立方法，采用語言描述的形式，輸出及輸入的模糊子集的描述分別為：

根據模糊規則可以將偏差E和EC分成兩頭大、中間小，考慮溫度偏差大時可以快速逼近設定值，偏差較小時可以使控制效果變得精確、細膩；同時采用三角形和梯形函數，便于離線計算。輸出U采用Z型和S型函數，使得輸出數據過渡變得平滑。

3.4 模糊控制規則表確定

確定模糊控制規則表時只需要調整相關參數，使得系統輸出響應的動靜態性能達到最佳即可，這也是模糊控制的特點之一，可以由設計人員根據經驗得出。根據系統輸出相應關系，利用偏差和偏差變化趨勢調節，可推出控制過程的所有控制規則如表1所示。

表1 模糊控制規則表

3.5 輸出量的反模糊化

采用Mamdani模糊控制方法來設計本文的模糊溫度控制器，確定了它的量化因子、模糊規則、隸屬函數、比例因子等相關參數，通過模糊推理，最終計算出相應的輸出量，得出模糊溫度控制器最終的輸入、輸出關系表（表2）。

表2 輸入、輸出關系表

4 模糊溫度控制器的軟件設計

系統軟件設計主要包括6個模塊：單片機系統初始化模塊、所需溫度的輸入模塊、加工工件的溫度采集模塊、相關溫度值的處理模塊、環境溫度采集模塊和模糊控制算法模塊。6個模塊整合在一起的系統流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

5 結語

本文運用模糊控制作為控制方式，以單片機作為核心控制芯片，設計了模糊溫度控制器。通過 MATLAB／Simulink平臺對模糊控制系統的穩定性進行了分析，也驗證了模糊規則設計的實用性與合理性。

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