專利名稱：一種用于橫機(jī)的模糊自適應(yīng)氣動伺服控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于橫機(jī)的模糊自適應(yīng)氣動伺服控制系統(tǒng)，屬于機(jī)械氣動伺服控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在許多需要進(jìn)行位置控制的工業(yè)控制應(yīng)用場合，往往需要采用伺服控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)有基于電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)或采用氣動方式的氣動伺服控制系統(tǒng)。該類系統(tǒng)用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。與電氣伺服系統(tǒng)相比，氣動伺服控制系統(tǒng)具有輸出力大、無發(fā)熱、不產(chǎn)生磁場等優(yōu)點(diǎn)，但由于空氣具有壓縮性系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)大及控制對象為氣缸的時(shí)候活塞與氣缸缸筒內(nèi)壁間存在的庫倫摩擦力與黏性摩擦力是非線性，傳統(tǒng)氣動伺服往往由伺服氣缸和比例電磁閥等組成，往往價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。本方法基于普通復(fù)動型氣缸和價(jià)格低廉的開關(guān)電磁閥組成，通過控制軟件算 法的方法，提高控制精度，具備價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單及維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。正在申請并公開的發(fā)明專利主要有“電腦橫機(jī)搖床運(yùn)行的控制方法(申請?zhí)?00910152423. 4)”其提出的方法主要是利用自適應(yīng)模糊PID算法改善傳統(tǒng)的PID控制的控制效果，該方法施加的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服電機(jī)，而在該發(fā)明中的伺服電機(jī)主要用于驅(qū)動橫機(jī)搖床的往復(fù)運(yùn)動。本發(fā)明提出的方法是一種基于模糊自適應(yīng)算法的專家系統(tǒng)，這種方法施加的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是復(fù)動式氣缸，在本發(fā)明中復(fù)動式氣缸用于驅(qū)動橫機(jī)機(jī)頭的往復(fù)式運(yùn)動。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上問題，本發(fā)明提供一種用于橫機(jī)的模糊自適應(yīng)氣動伺服控制系統(tǒng)，通過模塊自適應(yīng)算法方法，在線調(diào)整控制開關(guān)電磁閥動作達(dá)到精確控制氣缸活塞位置，從而間接控制橫機(jī)機(jī)頭的目的；采用氣動驅(qū)動模式，系統(tǒng)安全及節(jié)能效果明顯，硬件成本低、控制靈活、維護(hù)簡單等特點(diǎn)。本發(fā)明米用的技術(shù)方案是系統(tǒng)由橫機(jī)機(jī)頭I、活塞2、氣缸3、連桿拖動機(jī)構(gòu)4、電磁閥A5、電磁閥B6、壓縮空氣7、編碼器8和控制器9組成，橫機(jī)機(jī)頭I由活塞2通過連桿拖動機(jī)構(gòu)4連接，活塞2把氣缸分為兩個(gè)互相隔絕的氣缸內(nèi)腔A腔和B腔，A腔與電磁閥A5連接，B腔于電磁閥B6連接，壓縮空氣7來自外接的空壓機(jī)；控制器9的輸入端通過編碼器8與橫機(jī)機(jī)頭I連接，控制器9的輸出端分別與電磁閥A5和電磁閥B6連接。所述的控制器9由預(yù)存當(dāng)前橫機(jī)紡織相關(guān)的先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，包含有制動補(bǔ)償參數(shù)14、速度預(yù)估參數(shù)15及工藝負(fù)載預(yù)估參數(shù)16等知識經(jīng)驗(yàn)的知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊10、可以實(shí)時(shí)獲取編碼器的位置和速度信息，并根據(jù)二者信息在線計(jì)算當(dāng)前工況下負(fù)載數(shù)值的模糊推理運(yùn)算模塊11、可以根據(jù)知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊的經(jīng)驗(yàn)知識和實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊的實(shí)時(shí)在線計(jì)算負(fù)載特性，并結(jié)合預(yù)先設(shè)置的位置信息，計(jì)算開關(guān)型電磁閥應(yīng)作用的時(shí)間，在計(jì)算點(diǎn)發(fā)出制動動作，從而實(shí)現(xiàn)氣缸活塞的位置控制，達(dá)到控制橫機(jī)機(jī)頭位置的實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊12和比較單元13組成，控制器9內(nèi)置有模糊自適應(yīng)控制算法。
所述的模糊自適應(yīng)控制算法作為一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，按照下列步驟進(jìn)行 第一步、選定模糊控制器的輸入量為橫機(jī)機(jī)頭負(fù)荷e、機(jī)頭運(yùn)行速度N,輸出變量為電
磁閥制動點(diǎn)U，并進(jìn)行歸一化量程轉(zhuǎn)換；
第二步、模糊化，確定各變量的模糊語言取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)；模糊語言值選取5個(gè)，取為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，然后對所選取的模糊集定義其隸屬函數(shù)，取梯形隸屬函數(shù)，取為均勻間隔；
第三步、建立模糊控制規(guī)則；規(guī)則的歸納和規(guī)則庫的建立，是從實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)過渡到模糊控制器的中心環(huán)節(jié)，控制律由一組if-then結(jié)構(gòu)的模糊條件語句構(gòu)成,并總結(jié)為模糊控制規(guī)則表，可直接由e和c查詢相應(yīng)的控制量u ；
第四步、利用知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊的經(jīng)驗(yàn)知識和實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊的實(shí)時(shí)在線計(jì)算負(fù)載特性，修正橫機(jī)機(jī)頭負(fù)荷e，達(dá)到自適應(yīng)控制目的；
第五步、模糊推理和解模糊化方法；采用最大乘積推理方法，解模糊化方法采用重心法，將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，用以實(shí)施最后的控制策略。本發(fā)明具有的有益效果是通過模塊自適應(yīng)算法方法，在線調(diào)整控制開關(guān)電磁閥動作達(dá)到精確控制氣缸活塞位置，從而間接控制橫機(jī)機(jī)頭的目的，本發(fā)明方法具有硬件成本低、控制靈活、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，采用氣動驅(qū)動模式，系統(tǒng)安全及節(jié)能效果明顯，對于推廣橫機(jī)的自動化控制具有較大應(yīng)用價(jià)值。


圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明的控制器模糊自適應(yīng)控制算法結(jié)構(gòu)模型 圖3為本發(fā)明的算法計(jì)算流程圖。圖中1-橫機(jī)機(jī)頭、2-活塞、3-氣缸、4-連桿拖動機(jī)構(gòu)、5-電磁閥A、6_電磁閥B、7-壓縮空氣、8-編碼器、9-控制器、10-知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊、11-模糊推理運(yùn)算模塊、12-實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊、13-比較單元、14-補(bǔ)償參數(shù)、15-速度預(yù)估參數(shù)、16-工藝負(fù)載預(yù)估參數(shù)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的實(shí)施方法進(jìn)行描述，以方便技術(shù)人員理解。如圖I所示本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，由橫機(jī)機(jī)頭I、活塞2、氣缸3、連桿拖動機(jī)構(gòu)4、電磁閥A5、電磁閥B6、壓縮空氣7、編碼器8和控制器9組成,橫機(jī)機(jī)頭I由活塞2通過連桿拖動機(jī)構(gòu)4連接，活塞2把氣缸分為兩個(gè)互相隔絕的氣缸內(nèi)腔A腔和B腔，A腔與電磁閥A5連接，B腔于電磁閥B6連接，壓縮空氣7來自外接的空壓機(jī)；控制器9的輸入端通過編碼器8與橫機(jī)機(jī)頭I連接，控制器9的輸出端分別與電磁閥A5和電磁閥B6連接。橫機(jī)機(jī)頭I由活塞2通過連桿拖動機(jī)構(gòu)4拖動，進(jìn)行往復(fù)式運(yùn)動，活塞2把氣缸分為兩個(gè)互相隔絕的氣缸內(nèi)腔A腔和B腔，A腔的充氣和放氣由電磁閥A5控制，B腔的充氣和放氣由電磁閥B6控制，壓縮空氣7來自外接的空壓機(jī)；編碼器8用于檢測橫機(jī)機(jī)頭I的速度，然后把速度信號轉(zhuǎn)換為電信號傳送給控制器9，控制器9接收橫機(jī)機(jī)頭I的速度，按照儲存于控制器9中的控制算法進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果輸出控制信號控制電磁閥A5和電磁閥B6的充氣與放氣。如圖2所示本發(fā)明的控制器模糊自適應(yīng)控制算法結(jié)構(gòu)模型圖，控制器9由預(yù)存當(dāng)前橫機(jī)紡織相關(guān)的先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，包含有制動補(bǔ)償參數(shù)14、速度預(yù)估參數(shù)15及工藝負(fù)載預(yù)估參數(shù)16等知識經(jīng)驗(yàn)的知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊10、可以實(shí)時(shí)獲取編碼器的位置和速度信息，并根據(jù)二者信息在線計(jì)算當(dāng)前工況下負(fù)載數(shù)值的模糊推理運(yùn)算模塊11、可以根據(jù)知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊的經(jīng)驗(yàn)知識和實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊的實(shí)時(shí)在線計(jì)算負(fù)載特性，并結(jié)合預(yù)先設(shè)置的位置信息，計(jì)算開關(guān)型電磁閥應(yīng)作用的時(shí)間，在計(jì)算點(diǎn)發(fā)出制動動作，從而實(shí)現(xiàn)氣缸活塞的位置控制，達(dá)到控制橫機(jī)機(jī)頭位置的實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊12和比較單元13組成，控制器9內(nèi)置有模糊自適應(yīng)控制算法。模糊自適應(yīng)控制算法作為一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，按照下列步驟進(jìn)行
第一步、選定模糊控制器的輸入量為橫機(jī)機(jī)頭負(fù)荷e、機(jī)頭運(yùn)行速度N,輸出變量為電
磁閥制動點(diǎn)U，并進(jìn)行歸一化量程轉(zhuǎn)換；
第二步、模糊化，確定各變量的模糊語言取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)；模糊語言值選取5個(gè)，取為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，然后對所選取的模糊集定義其隸屬函數(shù)，取梯形隸屬函數(shù)，取為均勻間隔；
第三步、建立模糊控制規(guī)則；規(guī)則的歸納和規(guī)則庫的建立，是從實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)過渡到模糊控制器的中心環(huán)節(jié)，控制律由一組if-then結(jié)構(gòu)的模糊條件語句構(gòu)成,并總結(jié)為模糊控制規(guī)則表，可直接由e和c查詢相應(yīng)的控制量u ；
第四步、利用知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊的經(jīng)驗(yàn)知識和實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊的實(shí)時(shí)在線計(jì)算負(fù)載特性，修正橫機(jī)機(jī)頭負(fù)荷e，達(dá)到自適應(yīng)控制目的；
第五步、模糊推理和解模糊化方法；采用最大乘積推理方法，解模糊化方法采用重心法，將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，用以實(shí)施最后的控制策略。
實(shí)施例下面即利用前述的模型并結(jié)合具體實(shí)例的控制過程來說明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式 如圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例的算法計(jì)算流程圖，針對橫機(jī)的某種工藝，橫機(jī)機(jī)頭位于坐標(biāo)起點(diǎn)，位置設(shè)定值為d3，同時(shí)設(shè)定制動補(bǔ)償參數(shù)14、速度預(yù)估參數(shù)15、工藝負(fù)載預(yù)估參數(shù)16 ；
1、控制器9發(fā)出控制命令，電磁閥A5打開，電磁閥B6關(guān)閉；
2、氣缸活塞2移動，拖動橫機(jī)機(jī)頭I移動，編碼器測得氣缸活塞2移動位移及速度N；
3、實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊12根據(jù)步驟2的數(shù)據(jù)，利用公式負(fù)荷e=速度N*位移計(jì)算得到負(fù)載情況；
4、同時(shí)編碼器測得氣缸活塞2移動位移提供比較單元13，該單元利用公式設(shè)定位置值一氣缸活塞2移動位移得到偏差值e ；
5、對負(fù)荷e、機(jī)頭運(yùn)行速度N，進(jìn)行歸一化量程轉(zhuǎn)換；
7、模糊化，確定各變量的模糊語言取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)；模糊語言值選取5個(gè)，取為{NB，NS, ZE, PS, PB};然后對所選取的模糊集定義其隸屬函數(shù)，取梯形隸屬函數(shù)，取為均勻間隔;8、建立模糊控制規(guī)則；規(guī)則的歸納和規(guī)則庫的建立，模糊控制規(guī)則表如下
I機(jī)頭運(yùn)行速aN
腿NSZEPSPB
負(fù)荷e I 匪 I 匪NS I ZEPSPS
NSNSNSZEPSPB
ZEZEZEPSPBPB
PSZEZEPSPBPB
PBZENSPBPBPB
直接由e和N查詢相應(yīng)的控制量u ；
9、解模糊化方法采用重心法，將控制量u模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，用以實(shí)施最后的控制策略；計(jì)算結(jié)果為d2，在d2點(diǎn)，控制器發(fā)出控制指令，即電磁閥A5關(guān)閉，電磁閥B6打開，待檢測速度N = O，控制器則發(fā)出電磁閥A5打開，電磁閥B6打開指令，機(jī)頭停車，停車位置為d4 ；
10、利用知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊的經(jīng)驗(yàn)知識和實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊的實(shí)時(shí)在線計(jì)算負(fù)載特性，圖2中的比較單元13比較d4和d3的值，根據(jù)偏差修正負(fù)荷e，以達(dá)到自適應(yīng)控制目的。本發(fā)明是通過具體實(shí)施過程進(jìn)行說明的，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，還可以對本發(fā)明專利進(jìn)行各種變換及等同代替，因此，本發(fā)明專利不局限于所公開的具體實(shí)施過程，而應(yīng)當(dāng)包括落入本發(fā)明專利權(quán)利要求范圍內(nèi)的全部實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種用于橫機(jī)的模糊自適應(yīng)氣動伺服控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)由橫機(jī)機(jī)頭、活塞、氣缸、連桿拖動機(jī)構(gòu)、電磁閥A、電磁閥B、壓縮空氣、編碼器和控制器組成，橫機(jī)機(jī)頭由活塞通過連桿拖動機(jī)構(gòu)連接，活塞把氣缸分為兩個(gè)互相隔絕的氣缸內(nèi)腔A腔和B腔，A腔與電磁閥A連接，B腔于電磁閥B連接，壓縮空氣來自外接的空壓機(jī)；控制器的輸入端通過編碼器與橫機(jī)機(jī)頭連接，控制器的輸出端ロ分別與電磁閥A和電磁閥B連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種用于橫機(jī)的模糊自適應(yīng)氣動伺服控制系統(tǒng)，其特征在于控制器由預(yù)存當(dāng)前橫機(jī)紡織相關(guān)的先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，包含有制動補(bǔ)償參數(shù)、速度預(yù)估參數(shù)及エ藝負(fù)載預(yù)估參數(shù)等知識經(jīng)驗(yàn)的知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊、可以實(shí)時(shí)獲取編碼器的位置和速度信息，并根據(jù)二者信息在線計(jì)算當(dāng)前エ況下負(fù)載數(shù)值的模糊推理運(yùn)算模塊、可以根據(jù)知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊的經(jīng)驗(yàn)知識和實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊的實(shí)時(shí)在線計(jì)算負(fù)載特性，并結(jié)合預(yù)先設(shè)置的位置信息，計(jì)算開關(guān)型的電磁閥應(yīng)作用的時(shí)間，并在計(jì)算點(diǎn)發(fā)出制動動作，從而實(shí)現(xiàn)氣缸活塞的位置控制，達(dá)到控制橫機(jī)機(jī)頭位置的實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊和比較單元組成，控制器內(nèi)置有模糊自適應(yīng)控制算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種用于橫機(jī)的模糊自適應(yīng)氣動伺服控制系統(tǒng)，其特征在于模糊自適應(yīng)控制算法作為ー種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，按照下列步驟進(jìn)行 第一步、選定模糊控制器的輸入量為橫機(jī)機(jī)頭負(fù)荷e、機(jī)頭運(yùn)行速度N,輸出變量為電磁閥制動點(diǎn)U，并進(jìn)行歸ー化量程轉(zhuǎn)換； 第二歩、模糊化，確定各變量的模糊語言取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)；模糊語言值選取5個(gè)，取為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，然后對所選取的模糊集定義其隸屬函數(shù)，取梯形隸屬函數(shù)，取為均勻間隔； 第三步、建立模糊控制規(guī)則；規(guī)則的歸納和規(guī)則庫的建立，是從實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)過渡到模糊控制器的中心環(huán)節(jié)，控制律由ー組if-then結(jié)構(gòu)的模糊條件語句構(gòu)成，并總結(jié)為模糊控制規(guī)則表，可直接由e和c查詢相應(yīng)的控制量u ; 第四步、利用知識經(jīng)驗(yàn)庫模塊的經(jīng)驗(yàn)知識和實(shí)時(shí)在線負(fù)載預(yù)測模塊的實(shí)時(shí)在線計(jì)算負(fù)載特性，修正橫機(jī)機(jī)頭負(fù)荷e，達(dá)到自適應(yīng)控制目的； 第五歩、模糊推理和解模糊化方法；采用最大乘積推理方法，解模糊化方法采用重心法，將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，用以實(shí)施最后的控制策略。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于橫機(jī)的模糊自適應(yīng)氣動伺服控制系統(tǒng)，屬于機(jī)械氣動伺服控制技術(shù)領(lǐng)域；系統(tǒng)由橫機(jī)機(jī)頭、活塞、氣缸、連桿拖動機(jī)構(gòu)、電磁閥A、電磁閥B、壓縮空氣、編碼器和控制器組成，橫機(jī)機(jī)頭由活塞通過連桿拖動機(jī)構(gòu)連接，活塞把氣缸分為兩個(gè)互相隔絕的氣缸內(nèi)腔A腔和B腔，A腔與電磁閥A連接，B腔于電磁閥B連接，壓縮空氣來自外接的空壓機(jī)；控制器的輸入端通過編碼器與橫機(jī)機(jī)頭連接，控制器的輸出端口分別與電磁閥A和電磁閥B連接，本發(fā)明通過模塊自適應(yīng)算法方法，在線調(diào)整控制開關(guān)電磁閥動作達(dá)到精確控制氣缸活塞位置，從而間接控制橫機(jī)機(jī)頭的目的；采用氣動驅(qū)動模式，系統(tǒng)安全及節(jié)能效果明顯，硬件成本低、控制靈活、維護(hù)簡單等特點(diǎn)。
文檔編號G05B13/02GK102681439SQ20121016175
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者張?jiān)粕? 張果, 王劍平, 車國霖, 黃紅霞 申請人:昆明理工大學(xué)