基于MATLAB仿真的木材铣削加工模糊控制系统的研究

基于 MATLAB仿真的木材铣削 加工模糊控制系统的研究 常晓霞， 韩玉杰 (东北林业大学，黑龙江 哈 尔滨 15oo4o) ：·：·：·：·：·：·’·：·：·：·：·：·：·：·：·：·：·：·：·：·：·：·： 摘 要：利用模糊控制理论设计木材铣削加工在线控制系统，并应用 MATLAB软件 对该模糊控 制 系统 进行验证和仿真，获得 了最佳的控制效果。 关键词：MATLAB； SIMULINK；模糊控制；铣削加工；仿真 中图分类号：1]P 3 文献标识码：A 文章编号：1001-4462(2003)02-0015-03 The W ood M illing Processing Fuzzy C ontrol System Based on M ATLAB Language Simulation CHANG Xiao—xia (Northeast Forestry University，Heilongjiang Harbin 1 50040，China) Abstract：The wood milling processing fuzzy control system was designed by fuzzy control theory． Using M ATLAB software to prove and simulate the fuzzy co ntrol system，obtaind the best co ntrol re- sult． Key words：M ATLAB；SIM ULINK；fuzzy co ntrol；mi lling processing；simulation 1 引 言 自从 1965年 Zadeh教授首先提出模糊集理论， 在 1974年 Mamdani成功地将模糊理论应用于 锅 炉 和汽轮机的过程控制以来，模糊控制迅速发展并得 到广泛应用．模糊控制是基于模糊集、模糊逻辑与控 制理论相结合，模拟人的思维方式，对难建模 的对象 采取的一种控制方法．其主要的优点在于 ：① 不需知 道被控对象精确的数学模型；② 鲁棒性强，适于解决 过程控制中的非线性、强耦 合、时变、滞后等问题； ③ 为“语言性 控制，易于形成知识库． 开展木材铣削加工模糊控制的研究，对提高木 材加工质量及推动木材加工领域 自动化控制技术的 收稿 日期 ：2002一J卜一o7 发展是十分重要的．M 6皿 AB是 目前工程界应用较 广泛的仿真软件之一．MA11LAB为控制系统的仿真 及其 计算 机辅 助 设计 打开 了崭新 的 局 面．采 用 MATLAB语言提供的模糊推理系统工具箱(Fuzzy In． ference System Toolbox)可以方便地对木材铣削加工 在线控制进行仿真． 2 模糊控制系统设计 2．1 模糊控制原理 本系统的输人量为面粗糙度 R 的测量 值，输 出为工作台进给速度的控制量，因此本系统是属于 单输人、单输 出结构，即系统有一个输入变量，一个 维普资讯 http://www.cqvip.com 输出变量．模糊控制器采用二维模糊设计．系统组成 结构如图 l所示． ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ． 篓 曼⋯⋯⋯ 一． 图1 铣削加工模糊控制闭环系统结构图 2．2 模糊控制器设计 模糊控制器采用二维模糊设计 ，输入变量为表 面粗糙度 R 的偏差 e和误差变化率 输 出变量 为 控制量即工作台的进给速度 u，设系统输入的表面粗 糙度为 。，激光传感器检测的工件实际表面粗糙度 为 ，其偏差量 为 e=R： 一 ，偏 差 的 变 化 率 为 co=de／dt． ① 模糊化：选偏差量 e、偏差变化率 ec和控制量 U 的模糊子集分别为： 星=f负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 } ．de=f负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 } 旦=f负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 } 并设定相应的语言变量表示为： NB(Negative Big)=负大； NM(Negative Medium)= 负中； NS(Negative Smal1)= 负小； ZO(Zero)=零 PS(Positive Smal1)=正大； PM(Positive Medium)=正中； PB(Posifive Big)=正小． ． 则各语言变量相应的词集为{NB，NM，NS，ZO， PS，PM，PB}．将误差 e、误差变化率ec和控制量u的 大小量化为九个等级，分别表示为：一4，一3，一2，一l， 0，+l，+2，+3，+4，则： 误差e的论域 E为：E=卜 4，一3，一2，一l，0，+l， +2，+3，+4) 误差变化率ec的论域为：EC={-4，一3，一2，一1， 0，+l，+2，+3，+4l 控制量 U的论域 U为：U=f-4，一3，一2，一l，0， +l，+2，+3，+4l e的基本论域为卜 l0+l0】，单位为 脚 ec的基 本论域为卜 0．5 0．5】，单位为 ／lm／min；tl的基本论域 为【0 256]，单位为 m／min．则误差 比例因子 =4／10= 0．4；误差变化 比例 因子 。cd =4／0．5=8；控制量 的比例 因子 oc =128／4=32． 根据经验 ，对各模糊子集 采用三角形式 的隶 属 度函数． ② 模糊规则：根据表面粗糙度 Rz的大小 与进给 速度的变化关系，如 Rz大，降低 进给速度；Rz小，提 高进 给速度．表 l给 出了本 系统的模糊 控制规 则 表 ． 表 1 模糊控制规则表 ③ 模糊关系：本系统采用 Mamdani推理 方法：if E and EC then U．其 关系 矩 阵 为 =E×EC ×U或者R(e，CO,u)=E(e)八EC(co)八 U(u)． ④ 模糊推理 (ap模糊决策)：模糊控制器 的输出 控制量是由误差模糊矢量 误差变化率模糊矢量盟 与模糊关系 R按推理 的合成规 则来决定的，即：U-- (旦×堕 )· ． ⑤ 解模糊：选用最大隶属度法． 3 用 MATI．AB进行木材铣削加工模糊控制仿真 3．J 用 MATLAB建立的模糊控制系统 采用 MA1]LAB中的模糊推理系统工具箱来编 辑模糊控制器．该模糊工具箱提供 了两种方式来建 立模糊逻辑控制系统，即命令方式和用户 图形界面 方式．两种方式可完成同样的功能，但后一种方式更 加直观和方便，因而 比较常用． 在 MA1]LAB命令窗 口键入 来运行模糊推 理工具箱，系统就会弹出一个模 糊逻辑编 辑器，在 2003年 第 2期 第 3l卷 № № № № № № № 趵 趵 附 趵 le le le 趵 le 腿 腿 甩 腿 甩 m № le 维普资讯 http://www.cqvip.com FILE菜单下选择是 Mamdani型还是 Sugeon型模 糊控制器，本文选用 Mamdani型．在 EDIT菜单下添 加输入和输出，本文采用两个输人和 个输 出，分别 为偏差、偏差变化率控制量和进给速度控制量．在输 入和输出图标上双击，即可打开一个隶属度函数编 辑器，可以对输人和输 出变量的隶属函数参数进行 编辑，如论 域范 围、隶属函数条数、隶 属函数形 状 等．双击系统图标打开规则编辑器．按上节分析对本 系统进行设计，完成的 ：H卜系统图见 图 2．最后可利 用规则观测器和曲面观测器观测整个系统的结果． 图 3为曲面观测器输出的变量 e、de和 1．1的关系图． 图 2 铣削加工模糊系统设计图 图 3 从粗糙度误差和误差变化率到输出控制量的三维 曲面 结果 分析：当输人 为[6 —0．1】时，系统输 出为 53．9048，当误差为 PM、误差变化率为 NS时输 出控 制量为 NM，即测量的粗糙度 比的粗糙度 中大 且 向减小的方 向变化时，输出控制量为负 中，降低系 统的进给速度． ：·：·：·：·：-：·：·：·：·：-：·：·：·：-：·：-：，：·：-：·：-： ：-：·： 应的库中复制 出并连接起来。输人各模块参数及仿 真器参数，单击运行按钮，即可进入实时仿真．它可 以动态地显示木材铣削加工的运行情况． 4 结 论 通过 应用 MA11LAB建立 及 仿真 模 糊 控 制 系 统表明，模糊控制无需建立铣削过程精确的数学模 型，且可 根据对铣 削过 程 的定 性认识建立 控制规 则．可以看出，该方法既方便、直观，又节省时间，而 且可以实现最佳控制效果，是一种值得应用和推广 的简便有效的控制系统设计方法． 参考文献： 【l】 闻新 ．MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用【M】．科学出版社， 2001． 【2】 徐昕 ．MATLAB工具箱应用指南【M】．电子工业出版社，2000． (上接第 l4页) ① 完善林木种子育种，实现繁育种子科学化，推 广种植区域化．完善建立各级林木种子公 司，实现种 子生产专业化、加工机械化、种子质量标准化和种子 品种规格化，为精量播种提供活力强、发芽率高、形 状尺寸划一的优 良品种． ② 积极开发研制适合林业建设需要的营养膜制 备技术． ⑨ 发展农药．除草剂和喷灌等技术，提高机械化 整地质量，为精量播种创造 良好条件． ④ 深入进行林木种子加工新技术研究，尤其是 林木种子的精选分级和裹衣处理．在研究学 习国外 技术的同时，逐步建立起我国的林木种子精选分级 机具系列，以适应精量播种的需要． ⑤ 注意精播机辅助器件的研究开发和部件的合 理配置，使精播机械趋于完善，以更有效地提高播种 质量 ． 主要参考文献： 【l】 周晓艳 ．精密播种系统分析 ．农机化研究．1995,(I1)． 【2】 杨家富 ．林木种子裹衣强度 的研 究 ．林业机械 与木工设备， 1998，(11)． 3·2 用 MAT-LAB实现的模糊系统动态仿真 【3】 杨家富 ．林木种子裹衣质量指标研究 ．林业机械与木工设备， 在 MATLAB命令窗 口下单击 SIMULINK 图标 2001，(1)· 可以进入建立的系统仿真，将需要的功能模块从相 作者简介：扬家富(19~4一)，剐教授，博士研究生． 第 3l卷 2003年 第 2期 维普资讯 http://www.cqvip.com