伺服壓力機模糊智能控制算法研究

何彥忠，王興松，陳 靜

（1．東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189；2．力信（江蘇）能源科技有限責任公司，江蘇 鎮江 212132）

自從美國數學家維納于20世紀40年代創立控制論以來，自動控制理論經歷了經典控制理論和現代控制理論兩個重要發展階段。在處理復雜系統控制問題時，傳統的控制理論對于復雜性所帶來的問題總是力圖突破舊的模式以適應社會對自動化提出的新要求。世界各國控制理論界也都在探索建立新一代的控制理論，以解決復雜系統的控制問題。近年來，把傳統控制理論與模糊邏輯神經網絡遺傳算法等人工智能技術相結合，充分利用人類的控制知識對復雜系統進行控制，逐漸形成了智能控制理論的雛形。

1985年，IEEE在紐約召開了第一屆智能控制學術會議，集中討論智能控制的原理和系統結構等問題，標志著這一新的體系的形成。雖然智能控制體系的形成只有三十幾年的歷史，理論還遠未成熟，但已有的應用成果和理論發展都表明智能控制正成為自動控制的前沿學科之一。概括地說，智能控制具有以下基本特點：

（1）應能對復雜系統（如非線性、快時變、復雜多變量、環境擾動等）進行有效的全局控制，并具有較強的容錯能力；

（2）定性決策和變量控制相結合的多模態組合控制；

（3）其基本目的是從系統的功能和整體優化的角度來分析和綜合系統，以實現預定的目標，并應具有自組織能力；

（4）同時具有以知識表示的非數學廣義模型和以數學模型表示的混合控制過程，人的知識在控制中起著重要的協調作用，系統在信息處理上既有數學運算，又有邏輯和知識推理。

模糊控制是一類智能控制的形式。現代計算機雖然有著極高的計算速度和極大的存儲能力，但卻不能完成一些人看起來很簡單的任務。一個很重要的原因是模糊決策和推理的能力，模糊控制正是試圖模仿人的這種功能。

隨著現代制造業的發展，塑性加工、粉末成形、難成形材料成形、復雜形狀零件成形、復合成形以及高精度成形等的需求日益強烈[1]。在“綠色制造”（Green Manufacturing）的概念已成為制造業可持續發展的主要趨勢的今天[2]，傳統壓力機的性能已不能滿足變革中成形工藝的要求。為此，出現了伺服壓力機，其在汽車零件、電子零件等高精度、難成形零件加工領域中，有著廣泛的應用前景[3-5]。伺服壓力機主要用于拉深、沖裁、彎曲和冷鍛等生產線及試模壓力機[6]。采用數控技術，可控制滑塊行程和加工曲線以提高加工效率；在進行反饋控制后系統精度得到大幅提高；還可對滑塊的輸出力和運動軌跡進行控制；這不但更節能[7-8]；而且改善了壓力機的工作環境，降低了振動和噪聲[9]，為拓展新的成形加工工藝和模具制造方法提供了廣闊前景。

隨著科技的發展，伺服電機的控制方式也更加先進、高效、精確，日漸向智能化方向發展[10-11]。研究表明，采用自適應控制技術，利用伺服電機驅動曲柄滑塊機構，通過計算機數字控制系統控制伺服電機，可以進一步精確地控制壓力機滑塊的位置和速度，滿足生產加工工藝對滑塊運動曲線的要求[4,12-13]。在實際生產中將會獲得很大的社會效益和經濟效益，體現綠色制造中的節能、降噪的先進思想[14]。

智能壓力機是具有感知、決策、執行功能的壓力機裝備，由開關磁阻伺服電機驅動裝備的工作機構，由計算機進行整機控制。開關磁阻伺服電機通過角位移傳感器和電流傳感器的感知，對運動和壓力進行智能數控。智能壓力機的組成是開關磁阻伺服電機驅動主運動，計算機PLC、觸摸屏通過網絡連接伺服電機控制器，連接互聯網。

1 智能壓力機硬件系統

伺服壓力機，主要由機械系統、伺服驅動系統、控制系統、反饋系統組成，可通過直接驅動曲柄連桿機構來控制滑塊行程[4]。圖1所示為實驗用伺服壓力機，其由伺服電機驅動系統和曲柄壓力機構成。

圖1 伺服壓力機

如圖2所示，系統采用MCX314運動控制卡、PCL-818控制卡等組成一反饋控制系統。

2 模糊PID控制器的設計

圖2 控制系統框圖

模糊控制器是模糊控制系統的核心，其性能的優劣，主要取決于模糊控制器的結構、模糊規則、合成推理算法，以及模糊決策方法等因素，應總結工程設計人員的技術知識和操作經驗，從穩定性、響應速度、超調量和穩定精度等各方面來考慮。

2.1 確定模糊控制器的結構

如圖3所示，根據控制要求，模糊控制器采用二輸入三輸出的形式。

圖3 伺服控制系統框圖

采用位置偏差E和位置偏差變化率Ec作為模糊算法的輸入變量，PID控制器的三個參數KP，KI，KD作為輸出。利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊規則表進行參數調整。輸出變量為PID參數KP，KI，KD。

2.2 論域及相關參數的確定

隸屬度函數采用Z形、S曲線形和三角形隸屬度函數。根據模糊控制的基本原理與本系統的特性將E和Ec的論域定義為[-1,1]。E的隸屬關系如圖4所示。

圖4 的隸屬度函數

2.3 參數調整原則及模糊規則的建立

模糊控制設計的核心是根據已有技術知識和實際操作經驗[15-17]，結合位置誤差和誤差變化率的大中小各種狀態，建立合適的模糊控制規則表。比例系數KP的作用是加快系統的響應速度，比例控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。積分系數KI的作用是消除系統的穩態誤差，積分控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。微分系數KD的作用是改善系統的動態性能，微分控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比關系。

2.4 模糊推理規則

由模糊控制規則整定輸出量是一個模糊集合，需將其轉換成精確值后輸出。采用面積中心法（centroid）根據輸出模糊子集的隸屬度，計算出輸出量的精確值。圖5為MATLAB控制工具箱中KP，KI，KD輸出曲面圖。

圖5 KP，KI，KD 輸出曲面

3 滑塊位置實驗研究

3.1 方案實施

伺服壓力機實驗：在伺服壓力機無負載的情況下進行實驗，采用伺服電機旋轉角度為受控對象。

3.2 階躍響應實驗

在給定階躍信號為1000脈沖的時候，分別采用模糊PID控制器和線性PID控制器，其階躍響應曲線如圖6所示。

本文中線性PID控制器的控制周期T=0.005s，模糊PID控制器的控制周期T=0.016s。

以上實驗分別就線性PID和模糊PID控制進行研究。雖然線性PID具有結構簡單，運算量小的特點；而模糊PID結構復雜，運算時間較長。但是如表1所示，對實驗結果進行比較，模糊PID控制系統的階躍響應動態性能明顯優于線性PID控制系統。

采用模糊PID參數自整定控制，系統的響應速度加快、調節精度提高、穩態性能變好，具有較強的魯棒性，抗干擾能力明顯優于線性PID控制器。

圖6 伺服壓力機位置控制系統階躍響應曲線

表1 控制結果比較

3.3 正弦跟隨實驗

以正弦信號作為控制量，分別采用模糊PID控制器和線性PID控制器進行跟隨控制，得到控制伺服系統的實驗曲線（圖7）。

圖7 模糊PID與線性PID控制器正弦信號響應曲線

圖8所示為模糊PID與線性PID控制器正弦信號響應誤差曲線。可以觀察到在系統較為穩定的情況下，線性PID由于結構簡單，運算時間較短的優點。但是當控制環境變化的時候模糊PID器整體表現比較穩定，而線性PID控制器整體控制誤差較大。

圖9為模糊算法得到的PID參數值，可以看到在模糊PID控制器中KP，KI，KD三個參數隨著誤差量的變化在不停的變化調整，以適應系統的變化。

4 結論

本文在智能控制的框架下，對模糊模型與基本控制算法、非線性系統的模糊建模與控制、模糊預測控制、模糊控制系統的穩定性分析等方面進行了較詳細的闡述和分析。

圖8 模糊PID與線性PID控制器正弦信號響應誤差曲線

圖9 模糊PID控制器參數隨誤差變化曲線

基于模糊PID理論的控制器，其響應快、超調小，較好地解決了線性PID控制中存在的超調量和快速響應之間的矛盾，受系統參數突變的影響比較小，控制精度高，且有較強的魯棒性，抗干擾能力也較線性PID控制器有所提高。可以用于復雜的控制系統，具有很好的應用前景。