CN108303893A - 一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制系统及模糊控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制方法及系统，包括4个高速开关阀、带滑台的双出杆双作动气缸及负载、位置传感器、控制器和气管，所述控制器包括微分器、模糊控制器、非线性增益函数、滑模控制器；所述模糊控制器根据位置误差e及位置误差变化率ec得到模糊控制器输出R，再由非线性增益函数计算得到非线性增益值，最终由经典滑模控制器控制4个高速开关阀，使带滑台的双出杆双作动气缸的输出杆运动到给定位置。本发明将模糊控制器与传统滑模控制器相结合，通过非线性增益函数改善系统的误差变化，进而有效的提高整个系统的控制精度，降低控制过程中的稳态误差，有效提高系统响应速度，减小稳态响应时间。

Description

一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制系统及模糊控 制方法
技术领域
本发明属于气动伺服控制领域，特别涉及一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊模糊控制方法及系统。
背景技术
在传统气动控制中，以空气压缩机为动力装置，以压缩气体为介质进行能量转换的过程，是实现动力驱动和伺服控制的关键。进入20世纪以来，现代气动技术正朝着智能化方向快速发展。在彩电、冰箱和洗衣机等家电装配生产线以及大规模半导体集成电路封装中，各种规格和形状的气缸、气阀组成的气动伺服位置定位系统都离不开智能化的控制方法和手段。由于气动系统的强非线性和时间滞后特性的存在，传统线性化控制技术难以在气动伺服系统中取得良好的控制效果。
目前在气动伺服领域广泛采用的控制方法是比例-微分-积分控制，即PID控制。PID控制方法在工业控制领域应用极其广泛，具有结构简洁、参数调节简单、易于维护和稳定性高等优点。但是PID控制是一种针对线性系统的控制方法，应用在非线性度极高的气动伺服控制领域，难以取得良好的控制效果。
模糊逻辑在自动控制领域的成功应用不过只有短短的几十年时间，这种控制方法的优点在于能够充分利用专家经验对系统进行有效的控制，相比于PID控制，在非线性系统中有着良好的鲁棒性和稳定性。对比PID控制需要现场整定参数的问题，模糊控制更具有优势，其事先设定好的模糊推理规则能够有效的规避这种问题。陈冰冰、黄伟权的专利“非线性精密锻压机模糊控制的模糊化和模糊推理方法”以及陈觅、赵孝武的专利“无负压供水机组的模糊控制系统及其模糊控制方法”都体现了模糊控制方法在工业智能控制领域中的有效性。而在气动伺服位置控制(定位)中，使用高速开关阀和高速气缸进行任意点的定位控制，单纯采用PID控制同样也不能取得良好的效果，控制精度和响应速度都能得到保证。
发明内容
发明目的：针对上述存在的问题与不足之处，本发明的目的是解决传统PID控制高速开关阀位置控制系统控制精度低、响应慢的问题。
技术方案：
一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制系统，包含4个高速开关阀、带滑台的双出杆双作动气缸及负载、位置传感器、控制器和气管，所述控制器包括位置误差计算模块、微分器、模糊控制器、非线性增益函数模块、滑模控制器；
所述4个高速开关阀通过气管与带滑台的双出杆双作动气缸及负载相连；
所述位置传感器与带滑台的双出杆双作动气缸及负载连接，测量双出杆双作动气缸输出杆的实测位置Y，并将实测位置Y输入至位置误差计算模块中；
所述位置误差计算模块计算位置误差e，位置误差e为给定位置Yr与实测位置Y的差值，即e＝Yr-Y；
所述微分器接收位置误差e，输出位置误差变化率即ec＝de/dt至模糊控制器；
所述模糊控制器第一输入端与位置误差计算模块连接，接收位置误差e，第二输入端与微分器连接，接收位置误差变化率ec，输出端为模糊控制器输出R；
所述非线性增益函数模块第一输入端与位置误差计算模块连接，接收位置误差e，第二输入端与模糊控制器连接，接收模糊控制器输出R，非线性增益函数模块输出端与滑模控制器相连；
所述滑模控制器的输出端连接4个高速开关阀，用以调节4个高速开关阀的开关动作，控制双出杆双作动气缸的输出杆运动。
一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制方法，包括如下步骤：
步骤1，测量双出杆双作动气缸输出杆的实测位置Y，根据所述给定位置Yr和实测位置Y的差值计算位置误差e，并通过微分器计算位置误差变化率ec；
步骤2，模糊控制器根据所述位置误差e和位置误差变化率ec的大小，将其变换到论域的范围，并进行模糊处理，使精确输入量变化为模糊值，并用相应的模糊语言值表示，同时设置模糊控制器输出R的论域范围与模糊语言取值；
步骤3，设置模糊规则表，对模糊控制器输出R、位置误差e和位置误差变化率ec进行模糊推理运算，得到模糊控制器输出R的模糊值；
步骤4，对模糊推理得到的模糊控制器输出R进行清晰化，得到论域范围内的清晰值；
步骤5，通过所述非线性增益函数模块，对模糊控制器输出R的清晰值和位置误差e进行计算，得到非线性增益值；
步骤6，通过所述滑模控制器，对非线性增益值进行滑模控制，再通过数字信号板卡输出数字信号控制4个高速开关阀(1)的通断，并带动带滑台的双出杆双作动气缸及负载中的输出杆运动到给定位置Yr。
进一步地，步骤2中，所述位置误差e的论域为[-5,5]，位置误差变化率ec的论域为[-1,1]，位置误差e和位置误差变化率ec的模糊语言值取为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，模糊控制器输出R的论域为[25,40]，模糊语言值取为{R1,R2,R3,R4,R5}。
进一步地，步骤3中，需经过模糊逻辑中的推理规则来对模糊量进行处理；模糊控制器输出R与位置误差e和位置误差变化率ec之间的模糊规则表如下所示：
进一步地，步骤4中，采用面积重心法对模糊控制器输出R进行清晰化计算。
进一步地，步骤5中，非线性增益函数模块中设置的计算公式为f(e,R)＝(eR)2+1。
有益效果：本发明提出的用于高速开关阀精确位置控制的模糊非线性增益控制器、模糊控制方法及系统，相比采用PID控制器的位置控制系统具有明显的优势。本发明最大限度的利用模糊控制器改善了控制系统的误差变化，使其在启动段更加平缓，降低了启动段摩擦力造成的影响；并使误差较大段更加陡峭，提高了系统的响应速度，降低了响应时间；模糊非线性增益控制器能够有效的提高系统响应精度和稳定性。
附图说明
图1是本发明的控制系统框图；
图2是本发明的控制系统结构示意图；
图3是本发明的位置误差e的模糊化隶属度函数曲线；
图4是本发明的位置误差变化率ec的模糊化隶属度函数曲线；
图5是本发明的模糊控制器输出R的模糊化隶属度函数曲线；
图6是本发明的模糊控制器输入/输出特性曲面图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示的实施例，用于高速开关阀精确位置控制的模糊非线性增益控制器、模糊控制方法及系统，包含4个高速开关阀1、带滑台的双出杆双作动气缸及负载2、位置传感器3、控制器和气管，所述控制器包括位置误差计算模块4、微分器5、模糊控制器6、非线性增益函数模块7、滑模控制器8；模糊控制器6与非线性增益函数模块7共同组成了模糊非线性增益控制器，4个高速开关阀1通过气管与带滑台的双出杆双作动气缸及负载2相连；位置传感器3与带滑台的双出杆双作动气缸及负载2连接，用于测量双出杆双作动气缸输出杆的实测位置Y，并将实测位置输入至位置误差计算模块4中，所述位置误差计算模块4计算位置误差e，位置误差e为给定位置Yr与实测位置Y的差值，即e＝Yr-Y；微分器5接收位置误差e，输出位置误差变化率即ec＝de/dt至模糊控制器；模糊控制器6第一输入端与位置误差计算模块4连接，接收位置误差e，第二输入端与微分器5连接，接收位置误差变化率ec，输出端为模糊控制器输出R；非线性增益函数模块7第一输入端与位置误差计算模块4连接，接收位置误差e，第二输入端与模糊控制器6连接，接收模糊控制器输出R，非线性增益函数模块7输出端与滑模控制器8相连；滑模控制器8的输出端连接4个高速开关阀1，用以调节4个高速开关阀1的开关动作，控制带滑台的双出杆双作动气缸及负载的输出杆运动。
如图2所示为控制系统结构示意图；4个高速开关阀1通过多根气管与带滑台的双出杆双作动气缸的2个气孔相连；位置传感器安装在气缸的输出杆上，测量得到的位置反馈回控制器进行处理；控制器与4个高速开关阀1通过电缆相连，控制4个高速开关阀1的开闭。
所述4个高速开关阀1是电磁三通高速开关阀，三通开关阀可通过堵住一个气孔的方式作为双通电磁高速开关阀使用。
所述带滑台的双出杆双作动气缸及负载2是由滚珠滑台，最高耐压0.7MPa，最大行程0.1m的标准气缸以及标准砝码组成的，标准砝码常用重量为0.5kg、1kg和2kg等。
所述位置传感器3是输出0～5V电信号的标准位置传感器。
一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制方法，包括如下步骤：
步骤1，测量双出杆双作动气缸输出杆的实测位置，根据所述给定位置Yr和实测位置Y的差值计算位置误差e，并通过微分器5计算位置误差变化率ec；
步骤2，模糊控制器6根据所述位置误差e和位置误差变化率ec的大小，将所述输入的精确量转换为模糊化量，即模糊化，模糊化将对已变换到论域范围的位置误差e和位置误差变化率ec进行模糊处理，使原先精确的输入量转换为模糊量，并使用相对应的模糊集合来表示。所述位置误差e的论域为[-5,5]，位置误差变化率ec的论域为[-1,1]，位置误差e和位置误差变化率ec的模糊语言值取为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，图3为位置误差e的模糊化隶属度函数曲线，图4为位置误差变化率ec的模糊化隶属度函数曲线；模糊控制器输出R的论域为[25,40]，模糊语言值取为{R1,R2,R3,R4,R5}，图5为模糊控制器输出R的模糊化隶属度函数曲线。
步骤3，设置模糊规则表，对模糊控制器输出R、位置误差e和位置误差变化率ec进行模糊推理运算，得到模糊控制器输出R的模糊值；模糊推理规则可以使用表格形式进行表达，模糊控制器输出R与位置误差e和位置误差变化率ec之间的模糊规则表如下所示：
步骤4，对模糊推理得到的模糊控制器输出R进行清晰化，得到论域范围内的清晰值，采用面积重心法对模糊控制器输出R进行清晰化计算，即取模糊控制器输出R的模糊化隶属度函数曲线与横坐标围成的面积的重心作为清晰化计算的最终输出值。根据上述模糊化隶属度函数曲线、模糊规则表以及清晰化计算公式，可以得到如图6所示的模糊控制器输入/输出特性曲面图。
步骤5，通过所述非线性增益函数模块7，对模糊控制器输出R的清晰值和位置误差e进行计算，得到非线性增益值，模糊控制器输出R和位置误差e经过非线性增益函数模块7的修正，非线性增益函数模块中设置的计算公式为f(e,R)＝(eR)2+1，模糊控制器6与非线性增益函数模块7共同组成了模糊非线性增益控制器。
步骤6，通过所述滑模控制器8，对非线性增益值进行滑模控制，再通过数字信号板卡输出数字信号控制4个高速开关阀1的通断，并带动带滑台的双出杆双作动气缸及负载2中的输出杆运动到给定位置Yr。在工业级嵌入式控制器的高精度控制周期支持下，控制周期的精度有保证。
基于图1所示的用于高速开关阀精确位置控制的模糊非线性增益控制器、模糊控制方法及系统，相比传统PID控位置控制系统具有明显的优势；一方面能够降低了启动段摩擦力造成的影响，使位置控制启动阶段更加平滑，而在误差较大的阶段能够有效提高系统的响应速度，缩短系统响应时间；另一方面能够提高系统稳态控制精度，极限位置的控制精度以及控制的稳定性，大幅度提高气动伺服位置控制的可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制系统，其特征在于，包含4个高速开关阀(1)、带滑台的双出杆双作动气缸及负载(2)、位置传感器(3)、控制器和气管，所述控制器包括位置误差计算模块(4)、微分器(5)、模糊控制器(6)、非线性增益函数模块(7)、滑模控制器(8)；
所述4个高速开关阀(1)通过气管与带滑台的双出杆双作动气缸及负载(2)相连；
所述位置传感器(3)与带滑台的双出杆双作动气缸及负载(2)连接，测量双出杆双作动气缸输出杆的实测位置Y，并将实测位置Y输入至位置误差计算模块(4)中；
所述位置误差计算模块(4)计算位置误差e，位置误差e为给定位置Yr与实测位置Y的差值，即e＝Yr-Y；
所述微分器(5)接收位置误差e，输出位置误差变化率即ec＝de/dt至模糊控制器(6)；
所述模糊控制器(6)第一输入端与位置误差计算模块(4)连接，接收位置误差e，第二输入端与微分器(5)连接，接收位置误差变化率ec，输出端为模糊控制器输出R；
所述非线性增益函数模块(7)第一输入端与位置误差计算模块(4)连接，接收位置误差e，第二输入端与模糊控制器(6)连接，接收模糊控制器输出R，非线性增益函数模块(7)输出端与滑模控制器(8)相连；
所述滑模控制器(8)的输出端连接4个高速开关阀(1)，用以调节4个高速开关阀(1)的开关动作，控制双出杆双作动气缸的输出杆运动。
2.根据权利要求1所述的一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，测量双出杆双作动气缸输出杆的实测位置Y，根据所述给定位置Yr和实测位置Y的差值计算位置误差e，并通过微分器(5)计算位置误差变化率ec；
步骤2，模糊控制器(6)根据所述位置误差e和位置误差变化率ec的大小，将其变换到论域的范围，并进行模糊处理，使精确输入量变化为模糊值，并用相应的模糊语言值表示，同时设置模糊控制器输出R的论域范围与模糊语言取值；
步骤3，设置模糊规则表，对模糊控制器输出R、位置误差e和位置误差变化率ec进行模糊推理运算，得到模糊控制器输出R的模糊值；
步骤4，对模糊推理得到的模糊控制器输出R进行清晰化，得到论域范围内的清晰值；
步骤5，通过所述非线性增益函数模块(7)，对模糊控制器输出R的清晰值和位置误差e进行计算，得到非线性增益值；
步骤6，通过所述滑模控制器(8)，对非线性增益值进行滑模控制，再通过数字信号板卡输出数字信号控制4个高速开关阀(1)的通断，并带动带滑台的双出杆双作动气缸及负载(2)中的输出杆运动到给定位置Yr。
3.根据权利要求2所述的用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制方法，其特征在于，步骤2中，所述位置误差e的论域为[-5,5]，位置误差变化率ec的论域为[-1,1]，位置误差e和位置误差变化率ec的模糊语言值取为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，模糊控制器输出R的论域为[25,40]，模糊语言值取为{R1,R2,R3,R4,R5}。
4.根据权利要求2所述的一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制方法，其特征在于，步骤3中，需经过模糊逻辑中的推理规则来对模糊量进行处理；模糊控制器输出R与位置误差e和位置误差变化率ec之间的模糊规则表如下所示：
5.根据权利要求2所述的一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制方法，其特征在于，步骤4中，采用面积重心法对模糊控制器输出R进行清晰化计算。
6.根据权利要求2所述的一种用于高速开关阀精确位置控制的模糊控制方法，其特征在于，步骤5中，非线性增益函数模块(7)中设置的计算公式为f(e,R)＝(eR)2+1。
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