摘 要 介绍了模糊控制在镗床电机调速系统中的实际应用，以及控制效果。
关键词 直流调速 模糊控制 PLC
中图分类号 TP273+.4 文献标识码 B
唐山冶金矿山机械厂W160型落地镗床直流可逆双闭环（转速，电流）调速系统中，两环均采用线性常参数PID控制器。随着用户对产品加工要求的日益提高和加工件本身存在的非线性因素，常规PID控制器已经难以有效克服负载、模型参数的大范围变化等带来的影响，不能满足系统高精度、快响应的调速要求，考虑到转速环对控制系统的性能起决定作用，为此将转速环的常规PID控制改为模糊控制，以提高机床加工精度。
一、模糊控制器的设计
模糊控制是一种基于规则的控制（直接采用语言型控制规则），依据是现场操作人员的控制经验或专家的知识。模糊控制器的设计不需要建立被控对象精确的数学模型，控制机理和策略易于理解，设计简单，便于应用。模糊控制系统的鲁棒性强，可有效减弱干扰和参数变化对控制效果的影响，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统。此次改造转速环采用“双入单出”的二维模糊逻辑控制器（FLC），主要包括输入模糊化、模糊推理、清晰化（解模糊）3个部分。输入量是。（直流电机转子角速度给定值和实际值的偏差）和ec（e的变化率），输出量u作为电流控制器的给定值，E、Ec、U分别是e、ec、u的模糊量，W*和W是系统给定值和输出值，FLC基本结构见图1，改造后的双闭环直流调速系统原理见图2。
(1)精确量的模糊化
令e(k)=W(K)－W*，ec(k)=ec(k)－ec(k－1)），W(0)为设定值，将e、ec、u模糊化。设E、Ec、U的词集为[NB（负大）,NM（负中），NS（负小），ZE（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）]，论域为[－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5]，根据控制经验可得出变量E、Ec、U的模糊化量化表，本例模糊控制器设计中，E、Ec、U取相同值，相应的隶属函数见表1。
表1 E、Ec、U的隶属函数
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(2)模糊控制规则
根据数控镗床的隶属函数和直流电动机双闭环调速系统的控制经验，得出模糊控制规则（见表2）。控制规则的选取原则是：当E较大时，选择U以消除误差为主；当E较小时，选择U要注意防止超调，以系统稳定为主；当E为负大且Ec为正大或正中时，应取U的变化为0，避免出现超调。例如：当转速很低且有快速降低的趋势时应增大U（即if E=NB AND Ec=NTHEN U=PB）。本例共有49条规则，每条规则的关系可示为：
表2 模糊控制规则
Rk=Ei×Ecj×Uij(i=1,2,…,7；j=1,2,…,7)
根据控制规则，每条模糊语句决定Rk(k=1，2，…，49)，可以得到系统控制规则总的模糊关系：
R=R1∪R2∪…∪49
(3)输出清晰化
先根据模糊控制规则表得出相应模糊控制量：
U=(E×Ec)R
再查表3得出U的数值，依据最大隶属度法，最终得到u（实际控制量）作为电流调节器的输入，完成转速环的控制。
表3 模糊控制量查询
二、基于PLC的模糊控制
1.软件算法
模糊控制算法流程是：①将模糊化阶段使用的Ke、Kec、Ku置入PLC的变量存储器VD100、VD104、VD108o②采集计算e、ec，通过A/D模块处理后置入PLC的VW200、VW202。③系统将e、ec限幅量化处理后模糊为输入变量论域中对应的元素E、Ec，并存入VD210、VD214。④根据模糊控制查询表得到U。⑤将U乘以Ku，得出u。⑥将u作为电流环的设定值进行PID运算。
2.硬件实现
W160型落地镗床直流调速系统以西门子S7-200 PLC为控制核心，以晶闸管为执行机构，PLC通过AID模块采集信号Vfi（电机电枢电流反馈信号）、Vn（速度给定信号）、Vfn（速度信号）后，分别进行速度调节器的模糊运算和电流调节器的PID运算，随后给出晶闸管触发电路（GT）的移相电压信号，实现双环控制，见图3。
三、改造效果
转速环采用模糊控制后系统运行稳定可靠：当速度差值大时，系统增大电机转矩，速度变化加快，使电机快速达到给定值当转速接近给定值时，系统降低电机转矩，使转速跟踪给定值，避免大的超调。改造后镗床加工精度有了一定的提高：表面粗糙度由Ra>1.6μm降到0.8～1.6μm，圆度误差由0.06mm降到0.04mm。
