【正文】 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)論文12 模糊控制的基本理論模糊控制的基本原理如圖27所示。它的核心部分是模糊控制器，如圖中虛線部分表示，它主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和逆模糊化(或稱模糊判決)三部分。模糊控制器的實現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實現(xiàn)或由計算機(或微處理機)的程序來實現(xiàn)。用計算機實現(xiàn)的具體過程如下： 圖 27 模糊控制原理結(jié)構(gòu)圖(1)求系統(tǒng)給定值與反饋值的誤差e：微機通過采樣獲得系統(tǒng)被控量的精確值，然后將其與給定值比較，得到系統(tǒng)的誤差。(2)計算誤差變化率e(即de/dt)：這里，對誤差求微分，指的是在一個A/D采樣周期內(nèi)求誤差的變化。(3)輸入量的模糊化：有前面得到的誤差及誤差變化率都是精確值，那么，必須將其模糊化變成模糊量E、EC。(4)控制規(guī)則：它是模糊控制器的核心，是專家的知識或現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗的一種體現(xiàn)，即控制中所需要的策略。控制規(guī)則的條數(shù)可能有很多條，那么需要求出總的控制規(guī)則R，作為模糊推理的依據(jù)。(5)模糊推理：輸入量模糊化后的語言變量 E、Ec(具有一定的語言值)作為模糊推理部分的輸入，再有 E、Ec 和總的控制規(guī)則 R，根據(jù)推理合成規(guī)則進行模糊推理得到模糊控制量 U。(6)逆模糊化：為了對被控對象施加精確的控制，必須將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量u，即逆模糊化。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)論文13 模糊控制的特點由于模糊控制采用模糊推理，模擬人類思維，對難以建立精確數(shù)學(xué)模型的對象實施控制。模糊控制過程和人們憑經(jīng)驗操作的過程相類似。正是由于模糊控制的突出特點，模糊控制理論在控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其特點歸納如下：① 控制系統(tǒng)的魯棒性強，對過程參數(shù)的變化很不敏感，適應(yīng)于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時變及滯后等問題。另外，對于滯后系統(tǒng)能對純滯后給予補償。② 控制系統(tǒng)不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)。這樣，對于電液伺服系統(tǒng)這樣的一些復(fù)雜系統(tǒng)，因難以建立精確數(shù)學(xué)模型，所以適用于采用模糊控制。③ 控制推理采用“不精確推理”(Approximatc Reasoning)。推理過程模仿人的思維過程。由于介入了人類的經(jīng)驗．因而能夠處理復(fù)雜甚至“病態(tài)”系統(tǒng)。④ 以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于形成專家的“知識”。并且控制方法簡單。 模糊控制的不足之處(1) 模糊控制的設(shè)計尚缺乏系統(tǒng)性，這對復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的。所以如何建立一套系統(tǒng)的模糊控制理論，以解決模糊控制的機理、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)化設(shè)計方法等一系列問題。(2) 如何獲得模糊規(guī)則及隸屬函數(shù)即系統(tǒng)的設(shè)計辦法，這在目前完全憑經(jīng)驗進行。(3) 信息簡單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差。若要提高精度則必然增加量化級數(shù)，從而導(dǎo)致規(guī)則搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能實時控制。(4) 如何保證模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性即如何解決模糊控制中關(guān)于穩(wěn)定性和魯棒性問題。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)論文14第三章 冷輾環(huán)機進給系統(tǒng)模型的建立 輾環(huán)機簡介輾環(huán)機又稱擴孔機，輾擴機或扎環(huán)機。其功用是使環(huán)件產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形，進而實現(xiàn)壁厚減小，直徑擴大，截面輪廓成型。其工作原理為：驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)，其和環(huán)件之間的摩擦帶動環(huán)件旋轉(zhuǎn)，而壓力輥有一個進給運動，從而給環(huán)件以軋制力，于是環(huán)件通過驅(qū)動輥和壓力輥構(gòu)成的軋制孔型產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形，使環(huán)件壁厚減小，直徑擴大，截面輪廓成型。壓力輥和導(dǎo)向輥可以繞軸向在和環(huán)件的摩擦作用下自由地轉(zhuǎn)動。導(dǎo)向輥給環(huán)件壓力作用以保證環(huán)件的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。輾環(huán)機是環(huán)件軋制的具體實現(xiàn)設(shè)備，圖 31 環(huán)件輾壓示意圖1. 驅(qū)動輥 2. 環(huán)件 3. 導(dǎo)向輥 4. 芯輥 5. 信號輥 冷輾工藝冷輾擴工藝是當(dāng)今先進的軸承圈和環(huán)形件加工工藝，節(jié)省材料，冷輾件精度高，金屬流線及尺寸統(tǒng)一性好，可大大提高冷輾件的使用壽命。目前環(huán)形件，尤其是無縫件的加工中，得到同行業(yè)的廣泛關(guān)注。精密冷輾環(huán)機的滑塊進給是影響冷輾工藝的關(guān)鍵因素，對其實現(xiàn)良好的運動控制，不僅能有效提高冷輾件的質(zhì)量和精度，而且能改善芯輥的受力情況和使用壽命。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)論文15 輾環(huán)機結(jié)構(gòu)簡圖輾環(huán)機由輾壓輪、變速箱、交流伺服電機、芯棍、支撐輪，主滑塊，油缸等部分組成，如圖所示圖 32 輾環(huán)機結(jié)構(gòu)圖 輾環(huán)機進給系統(tǒng)建模數(shù)字輾環(huán)機進給系統(tǒng)對輾環(huán)加工的精度和穩(wěn)定性有重大影響。為此，在控制系統(tǒng)中有必要對進給系統(tǒng)進行研究。經(jīng)典控制理論采用的數(shù)學(xué)模型主要以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)。而現(xiàn)代控制理論采用的數(shù)學(xué)模型主要以狀態(tài)空間方程為基礎(chǔ)。而物理定理及實驗規(guī)律為依據(jù)的微分方程又是最基本的模型，是列寫傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間方程的基礎(chǔ)。為了便于對進給機構(gòu)的控制性能進行分析，需要對進給系統(tǒng)建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型。對進給機構(gòu)進行適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃喕?，可以得到圖所示的進給機構(gòu)模型示意圖 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)論文16圖33 進給機構(gòu)模型示意圖其中v是對進給機構(gòu)的控制電壓，i表示電機中的電流， 表示電機驅(qū)動器的電壓一viK電流轉(zhuǎn)換比， 表示電機的轉(zhuǎn)動慣量，J表示絲杠及聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量， 是電機的角速m ?度，k是絲杠到工作臺的傳動剛度(包括接觸剛度，扭轉(zhuǎn)剛度和軸向拉壓剛度)，b為阻尼，M為工作臺的質(zhì)量(包括所有的直線運動部件的質(zhì)量)，x為工作臺的位移。上述進給機構(gòu)模型可為電氣傳動和機械傳動兩部分，圖中虛線的左側(cè)為電氣傳動部分，右側(cè)為機械傳動部分。在電氣傳動部分，由于速度反饋的存在，使得控制電壓和電機的輸出角速度成比例關(guān)系，所以電氣傳動的輸入輸出是控制電壓和電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系。機械傳動的輸入輸出是電機轉(zhuǎn)動角度和工作臺的位移。因為聯(lián)軸器保證絲杠和電機同步轉(zhuǎn)動，因此將絲杠作為電氣傳動的一部分考慮。 機械傳動部分的建模考慮到機械傳動部分的待定參數(shù)較少，而且易于估計，對機械傳動部分的建模采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)和參數(shù)估計的方法，其中去為絲杠副的角度到直線位移的傳動比，L為絲杠的導(dǎo)程。 圖 34 機械傳動部分的建模 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)論文17其動力學(xué)方程： 11xMb???（ ） +k(x)對上式進行拉式變換可得 ??21Xsbsk?又因為： ????12lss?????可以得到機械傳動部分的傳遞函數(shù)的表達式： ???2XslbskM????上式中的參數(shù)M是工作臺的質(zhì)量和工件的質(zhì)量，估計為200Kg，傳遞剛度根據(jù)《機械設(shè)計手冊》絲杠的底直徑為30mm，導(dǎo)軌長L=600mm。綜合考慮后等效為 ，阻5210/Nm?，可計算得阻尼b=2530．得到的傳遞函數(shù)為： ?????? 電氣傳動部分建模交流伺服驅(qū)動部分包括位置單元、速度單元、及交流伺服電機。對于我們要研究的交流伺服系統(tǒng)來說，把機械部分都近似看成是剛性的，電氣部分也考慮成理想的，忽略系統(tǒng)的延遲，通常認為伺服放大器和交流伺服系統(tǒng)綜合起來，構(gòu)成一個速度環(huán)。這個速度環(huán)可以近似為一個一階慣性環(huán)節(jié)： ??1mKGsT??其中 是系統(tǒng)的電氣時間常數(shù)，K 是速度環(huán)放大倍數(shù)。交流伺服的速度環(huán)經(jīng)過一個減速器后到達位置傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器，從而得到系統(tǒng)的位置輸出，這一環(huán)節(jié)是一個積分環(huán)節(jié) 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)論文18??2iKGs?其中 為減速比。i因此，整個伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： ?????121mKssTs????由此可見，只要得到k和 的值，就能夠得到整個何服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。查資料知k和 的值是通過實驗得出的，資料中的實驗過程和數(shù)據(jù)如下：mT在伺服放大器輸入端的給定幾個激勵電壓，同時通過旋轉(zhuǎn)變壓器和RDC軸角／數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊測量反饋的位置數(shù)據(jù)．再經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理后得到輸出軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速值和激勵電壓的比值即是伺服系統(tǒng)靜態(tài)的放大倍數(shù)k=／s v.?調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能是從伺服放大器的輸入端加入階躍信號。執(zhí)行電機的響應(yīng)時間，當(dāng)測試數(shù)據(jù)達到穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的2／3時所用的時間即是執(zhí)行電機的的機電常數(shù) =0．158。mT伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(數(shù)學(xué)模型)如下：???????由本章建立的輾環(huán)機進給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并求出了相應(yīng)的傳遞函數(shù)，為下章的模糊控制與仿真提供了依據(jù)，為其奠定了理論基礎(chǔ)。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)論文19 第四章 輾環(huán)機進給系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計與仿真 matlab 簡介MATLAB 是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。MATLAB 和 Mathematica、Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB 可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連圖 41 開發(fā)工作界面接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點,使 MATLAB 成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對 C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。 模糊控制器的設(shè)計1．模糊控制器的選型輾環(huán)機進給系統(tǒng)模糊控制器選用了二維模糊控制器，因為它的適應(yīng)性較好。由于這 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)論文20種控制器的輸入量除了誤差外，還增加了誤差變化率，因此系統(tǒng)的動態(tài)控制性能較一維模糊控制器好，這種結(jié)構(gòu)反映模糊控制器具有PD控制規(guī)律，從而有利于保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，并可減少系統(tǒng)的超調(diào)量，削弱系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象。2. 量化因子和比例因子的選擇在模糊控制器設(shè)計中, 合理地選擇模糊控制器輸入變量的量化因子和輸出變量的比例因子也是非常重要的。為了進行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域，這中間必須將輸入變量乘以相應(yīng)的量化因子。量化因子一般用 表示，誤差的量化因子K和誤差變化的量化因子 分別由下面兩個公式來確定，即：eKKec maxne?maxec?每次采樣經(jīng)模糊控制算法給出的控制量還不能直接控制對象，必須將其轉(zhuǎn)換到為控制對象所能接受的基本論域中去。輸出控制量的比例因子由下式確定： yuKl?量化因子 和 的大小對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響極大。 過小系統(tǒng)上升速度ec eK過小，可能造成系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 選得較大時，系統(tǒng)的超調(diào)也較大，e過渡過程較長。因為從理論上說 增大，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差變eK量的控制作用，雖然能使上升時間變短，但是由于超調(diào)過大，使得系統(tǒng)的過渡過程變長。過大時系統(tǒng)上升速度過快，也會產(chǎn)生震蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 選得較大時，系eK Kec統(tǒng)的超調(diào)較小，但是系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。量化因子 和 的大小影響著輸入變量誤e差和誤差變化的不同加權(quán)程度， 和 兩者之間也相互影響。eKc輸出控制量的比例因子 作為模糊控制器總的增益，它的大小影響著控制器的輸出，u 選擇過小會使動態(tài)響應(yīng)過程變長，而 選擇過大會使系統(tǒng)振蕩加劇，通過調(diào)整Ku u可以改變被控對象輸入的大小。 3．模糊控制規(guī)則的設(shè)計模糊控制器的輸入變量為誤差e和誤差變化率ec，輸出變量為u。選取誤差e、誤差變 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)論文21化率ec和輸出量u的論域范圍都為：[6，6]。它們的語言變量值都為5個，分別為：負大(n1