CN115248611B - 用于Rtec多功能摩擦磨损试验机的智能控制方法 - Google Patents
用于Rtec多功能摩擦磨损试验机的智能控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于Rtec多功能摩擦磨损试验机的智能控制方法,可实现多输入多输出解耦控制。对Rtec多功能摩擦磨损试验机的水温控制与水位控制分别采用独立的控制器,同时针对控制过程中的变量耦合问题,根据过程控制特点,采用专家系统对独立控制器统一监督,让独立控制器有序的执行控制指令,从而完成控制任务。基于C语言实现本发明的可行性,采用该发明对丁腈橡胶基纳米复合胶料的水润滑条件摩擦学行为进行了试验测试,验证了该方法对Rtec水位和温度的精准控制的可行性。
Description
技术领域
本发明属于智能计算领域,特别是涉及一种用于Rtec多功能摩擦磨损试验机的智能控制方法,可实现多输入多输出解耦控制。
背景技术
Rtec多功能摩擦磨损试验机是美国生产的用于摩擦学特性研究的精密仪器。该仪器可将复合胶料在不同载荷、转速下与对摩件高速旋转摩擦,通过测定摩擦系数研究基体材料的分散性。为了减少环境因素对测定结果的影响,水润滑条件下的摩擦学特性实验要求水温恒定,并且水润滑剂水位应没过试样并不溢出。但摩擦副处产生的摩擦热会导致水槽内水温快速升高,这就需要通过控制进水量和出水量实现水槽内水温恒定。可以看到,Rtec多功能摩擦磨损试验机控制需要同时对水温和水位做恒值控制,由于进水量和出水量都会引起水温和水位这2个被控量的改变,所以,该问题是一个含有变量耦合的多输入多输出控制问题。
采用智能方法解决含有变量耦合的控制问题是控制研究的热点,较近公布的代表性方法主要有:2017年出版的期刊《实验室研究与探索》第5期“智能解耦控制在过程控制实验装置上的设计与实现”提出解耦补偿算法;2014年出版的期刊《计算机测量与控制》“基于智能解耦补偿的绿茶烘焙改进模糊控制”提出自适应神经元解耦补偿器。2014年出版的期刊《中国农机化学报》“冻结站制冷盐水循环系统智能解耦控制”设计了一个基于模糊神经网络解耦的控制策略,在保持一个变量不变时,控制只改变对应的另一个输出量,可有效控制盐水流量和盐水温度。
经查阅相关文献,目前还不存在考虑专家系统方法解耦控制Rtec多功能摩擦磨损试验机的策略报道。如能开发出相关的高效控制系统,不仅会推动Rtec多功能摩擦磨损试验机控制研究,对其他对象控制也将具有重大参考意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对Rtec多功能摩擦磨损试验机同时需要水温恒定控制和水位区间控制的要求,采用专家系统对独立控制器进行监督,实现多输入多输出控制问题的解耦控制。
本发明的技术方案是:
本发明的思想是,对Rtec多功能摩擦磨损试验机的水温控制与水位控制分别采用独立的控制器,同时针对控制过程中的变量耦合问题,根据过程控制特点,采用专家系统对独立控制器统一监督,让独立控制器有序的执行控制指令,从而完成控制任务。具体步骤如下:
步骤1.水温控制采用传统PID控制器,水位控制采用传统模糊控制器(FC);
步骤2.增加专家监督模块,该模块输入为Rtec多功能摩擦磨损试验机水箱的实际水温和实际水位;
步骤3.专家监督模块结合过程控制特点,根据输入确定解耦规则,解耦规则优先级高于独立控制器的控制率和控制规则,从而实现监督任务;
步骤4.独立控制器依据解耦规则和控制率完成控制任务。
本发明的优点和积极效果是:
1、根据控制任务建立解耦规则,基于知识合成建立独立控制器监督机制,实现多输入多输出解耦控制任务,控制策略简便有效;
2、仿真结果表明,针对三种复合胶料的摩擦学试验,Rtec多功能摩擦磨损试验机被控制量均能获得良好的时域特性。
附图说明
图1为本发明Rtec多功能摩擦磨损试验机结构图;
图2为本发明的控制框图;
图3为本发明的水温和水位时域特性。
图1中:1-进水管、2-清水、3-铜环、4-主轴、5-试样、6-固定螺钉、7-进水阀、8-径向力杆、9-切向力传感器、10-横梁、11-径向力传感器、12-夹具、13-温度传感器、14-排水阀、15-水箱、16-排水管。
具体实施方式
参照附图,对本发明实施做以下进一步详述,以下实施例只是描述性的,不是限定性的,不能以此限定本发明的保护范围。
本发明实施步骤具体如下:
步骤1.本发明的控制对象为采用环块模式的Rtec多功能摩擦磨损试验机,结构图如图1所示。
步骤2.本发明控制框图如图2所示,由于水温控制精度要求较高,所以水温控制回路采用传统PID控制器,水位控制要求水位高于试样且不溢出即可,水位控制回路采用传统模糊控制器(FC),进水阀和排水阀分别是两个控制回路的执行机构,由于进水阀和排水阀元件相同,所以被控对象1与被控对象2的传递函数相同,均可视为时滞一阶惯性系统,结合图1可以看出,同时调节进水阀和排水阀将引起水位控制影响水温控制,水温控制也影响水位控制的耦合效果,即水温控制与水位控制是双方向耦合关联,对此,采用专家监督模块对控制量解耦,图2中水箱水温设定值为T=40℃,实际水箱水温为T',水位控制范围为[H,h],H为水箱内壁高度,H=30cm,h为水箱水位设定值,h=20cm,h应大于试样距离水箱内底部高度,实际水箱水位为h'。
步骤3.结合控制任务,采用专家监督模块对控制变量解耦,并对独立控制器监督,基于专家知识的专家监督模块解耦知识如下:
(1)如果T'>40℃,则PID启动,否则
a.如果T'<40℃,并且h'<h,则进水阀全开,否则PID停止;
(2)如果h<h'<H,则FC启动,否则
a.如果T'<40℃,并且h<h'<H,则排水阀开最小;
b.如果T'<40℃,并且h'=H,则排水阀全开;
c.如果T'<40℃,并且h'<h,则排水阀全关;
d.如果T'<40℃,并且h'=h,则排水阀全关;
e.如果T'=40℃,并且h<h'<H,则排水阀全关;
f.如果T'=40℃,并且h'=H,则FC停止;
g.如果T'=40℃,并且h'<h,则排水阀全关;
h.如果T'=40℃,并且h'=h,则FC停止;
i.如果T'>40℃,并且h<h'<H,则排水阀开大;
j.如果T'>40℃,并且h'=H,则排水阀开最大;
k.如果T'>40℃,并且h'<h,则排水阀全关;
l.如果T'>40℃,并且h'=h,则排水阀全关。
步骤4.根据步骤3提取的知识,采用推理规则对知识进行合成,图2中各控制量的关系可以表示为
式中,U1,U2分别是水温控制回路PID控制器和水位控制回路FC控制器的输出量,F(e1)是基于e1的PID控制率输出值模糊量,U'2(e2)是基于e2模糊子集的FC模糊输出值,K1,K2是专家监督模块对PID控制器和FC控制器的输出,f1,f2为知识合成算子,其形式为
代表优先级运算,即K1和K2的优先级分别高于F(e1)和U'2(e2),当PID和FC接到专家监督模块的指令后,将优先执行K1和K2,K1,K2到U1,U2的推理,由步骤3的规则决定,当PID和FC未接到专家监督模块的指令,则执行F(e1)和U'2(e2),此时,F(e1)=U1,U'2(e2)=U2,f1,f2的含义是:PID和FC根据输入信息(F(e1),U'2(e2))和专家监督模块监督指令(K1,K2)进行优先级比较,然后根据比较结果(F(e1)或K1,U'2(e2)或K2),输出控制行为(U1,U2),K1,K2也是知识合成算子,其形式为
式中,H'分别是h'的模糊子集,即
K1:IF T' AND H',THEN K1
K2:IF T' AND H',THEN K2
K1,K2的含义是:专家监督模块根据输入信息(T',H')进行推理,输出监督指令(K1,K2),T',H'到K1,K2的推理也由步骤3的规则决定,
根据式(1)和式(2),U1,U2是知识合成算子的复合运算
可以看到,U1,U2是可解析型运算和非解析型运算的结合。
步骤5.根据步骤3制定T',H'和K1,K2、K1,K2和U1,U2的控制规则,利用模糊推理方法进行解模糊,得到模糊控制查询表,再通过清晰化接口分别得到PID和FC的控制量u1,u2,最后得到合理的进水阀和排水阀调节量,实现水温和水位恒值控制。
本发明的实际效果
为验证本发明的有效性,采用C语言实现本发明,结果如图3所示,可以看到,对于SiO2(nano)/NBR、SiO2(micr)/NBR和SiO2(TESPT)/NBR等三种复合胶料的水润滑条件摩擦学试验,Rtec多功能摩擦磨损试验机的水箱水温在设定值T=40℃附近达到稳定,水箱水位则在高于设定值h=20cm处达到稳定,且不超过25cm,均低于水箱内壁高度,水温和水位时域特性均满足实验要求。
Claims (1)
1.一种用于Rtec多功能摩擦磨损试验机的智能控制方法,其特征在于:
步骤1.以Rtec多功能摩擦磨损试验机为被控对象,该Rtec多功能摩擦磨损试验机设置进水管(1),清水(2),铜环(3),主轴(4),试样(5),固定螺钉(6),进水阀(7),径向力杆(8),切向力传感器(9),横梁(10),径向力传感器(11),夹具(12),温度传感器(13),排水阀(14),水箱(15),排水管(16),控制方法采用基于解耦知识的专家监督模块;
步骤2.水温控制和水位控制均采用单独控制回路,水温控制采用传统PID控制器,水位控制采用传统模糊控制器FC;
步骤3.结合控制任务,采用专家监督模块对控制变量解耦,并对独立控制器监督,基于专家监督模块的解耦知识如下:
1)如果T'>40℃,则PID启动,否则
a.如果T'<40℃,并且h'<h,则进水阀全开,否则PID停止;
2)如果h<h'<H,则FC启动,否则
a.如果T'<40℃,并且h<h'<H,则排水阀开最小;
b.如果T'<40℃,并且h'=H,则排水阀全开;
c.如果T'<40℃,并且h'<h,则排水阀全关;
d.如果T'<40℃,并且h'=h,则排水阀全关;
e.如果T'=40℃,并且h<h'<H,则排水阀全关;
f.如果T'=40℃,并且h'=H,则FC停止;
g.如果T'=40℃,并且h'<h,则排水阀全关;
h.如果T'=40℃,并且h'=h,则FC停止;
i.如果T'>40℃,并且h<h'<H,则排水阀开大;
j.如果T'>40℃,并且h'=H,则排水阀开最大;
k.如果T'>40℃,并且h'<h,则排水阀全关;
l.如果T'>40℃,并且h'=h,则排水阀全关;
其中,T'为实际水箱水温,h'为实际水箱水位,h为水箱水位设定值,H为水箱内壁高度;
步骤4.根据解耦知识,采用推理规则对知识进行合成,各控制量的关系表示为
式中,U1,U2分别是水温控制回路PID控制器和水位控制回路FC控制器的输出量,e1和e2分别是水温控制回路和水位控制回路的偏差,F(e1)是基于e1的PID控制率输出值模糊量,U'2(e2)是基于e2模糊子集的FC模糊输出值,K1,K2是专家监督模块对PID控制器和FC控制器的输出,f1,f2为知识合成算子,其形式为
THEN U1
THEN U2
代表优先级运算,即K1和K2的优先级分别高于F(e1)和U'2(e2),当PID和FC接到专家监督模块的指令后,将优先执行K1和K2,K1,K2到U1,U2的推理,由解耦知识的规则决定,当PID和FC未接到专家监督模块的指令,则执行F(e1)和U'2(e2),此时,F(e1)=U1,U'2(e2)=U2,f1,f2的含义是:PID和FC根据输入信息F(e1),U'2(e2)和专家监督模块监督指令K1,K2进行优先级比较,然后根据比较结果F(e1)或K1,U'2(e2)或K2,输出控制行为U1,U2,
K1,K2也是知识合成算子,其形式为
式中,H'是h'的模糊子集,即
K1:IF T'AND H',THEN K1
K2:IF T'AND H',THEN K2
K1,K2的含义是:专家监督模块根据输入信息T',H'进行推理,输出监督指令K1,K2,T',H'到K1,K2的推理也由解耦知识的规则决定,
根据式(1)和式(2),U1,U2是知识合成算子的复合运算
U1,U2是可解析型运算和非解析型运算的结合;
步骤5.根据解耦知识制定T',H'和K1,K2、K1,K2和U1,U2的控制规则,利用模糊推理方法进行解模糊,得到模糊控制查询表,再通过清晰化接口分别得到PID和FC的控制量u1,u2,最后得到进水阀和排水阀调节量。
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