基于模糊技術(shù)的齒輪箱加載實驗油溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)

0 引言

齒輪箱加載實驗是齒輪箱出廠前保證產(chǎn)品質(zhì)量的必備工序，即保持齒輪箱油溫高溫下(100℃)使齒輪箱帶負荷運行，達到檢驗齒輪箱性能的目的。傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計建立在精準數(shù)學(xué)模型上，由于實際油溫控制系統(tǒng)存在大慣性滯后環(huán)節(jié)，而且隨著實驗的進行油的成份會發(fā)生變化，導(dǎo)致慣性時間常數(shù)變化。另外，齒輪箱加載與不加載，會導(dǎo)致整個溫控系統(tǒng)參數(shù)變化較大，難以建立系統(tǒng)的精準數(shù)學(xué)模型。而模糊控制的設(shè)計建立在操作者的實際控制經(jīng)驗上，不依賴精準的數(shù)學(xué)模型。故對基于模糊技術(shù)的齒輪箱加載實驗油溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行設(shè)計。

1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1。其溫度變送器選用西門子BS-RWB型變送器，其測量溫度-50～150℃、輸出電流4～20mA。EM235模擬量模塊可將0～20mA的電流轉(zhuǎn)化成0～32000的整數(shù)，以實現(xiàn)對溫度的測量。S7-200是西門子PLC，有PWM輸出功能。根據(jù)給定溫度和測量溫度的偏差，經(jīng)模糊控制器得出PWM占空比，控制固態(tài)繼電器的通斷，從而控制加熱元件達到溫度自動調(diào)節(jié)的目的。PWM是脈寬調(diào)制，控制量的輸出是一個采樣周期的脈沖寬度，脈寬越寬，控制量越大，加熱元件發(fā)熱越厲害，溫度越高。硬件采用模塊化設(shè)計可靠程度高。

2 溫度模糊控制器的設(shè)計

2.1 模糊化

1)觀測量模糊化

用給定溫度與測量溫度的偏差作為觀測量x∈X，X為論域：X={3，-2，-1，0，1，2，3}。

記溫度模糊觀測量為5個模糊集合PBx(正大)、PSx(正小)、0x(零)、NSx(負小)、NBx(負大)，它們的隸屬函數(shù)如表1。

2)控制量增量模糊化

控制量增量模糊化用PWM占空比增量y∈Y表示，Y為論域：

Y={-40％，-30％，-20％，-10％，0，10％，20％，30％，40％}

與觀測量類似，也采用等級來描述控制量。記占空比增量為5個模糊集合PBy(正大)、PSy(正小)、0y(零)，NSy(負小)、NBy(負大)，其隸屬函數(shù)如表2。采樣周期的單位通常為秒，周期占空比增量以百分數(shù)的形式表示。 

2.2 建立模糊控制規(guī)則一，構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)實際經(jīng)驗溫度偏差正大，需增加PWM占空比正大，溫度偏差正小，需增加PWM占空比正小，得出模糊控制規(guī)則如表3。

2.3 模糊判決

采用最大隸屬原則：

y0={(-40％，0)，(-30％，0)，(-20％，0.2)，(-10％，0.5)，(0％，0.5)，(10％，1)，(20％，0.5)，(30％，0.5)，(40％，0.5)}

故確切的響應(yīng)是PWM的占空比增加10％。

3 測試結(jié)果

在采樣周期是5s的情況下，從室溫38℃加熱到100℃的數(shù)據(jù)，如表4。

在100℃油溫下齒輪箱轉(zhuǎn)速從0 r／min上升到2400r／min的數(shù)據(jù)，如表5。

測試表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，超調(diào)量較小，滿足齒輪箱加載實驗溫度控制的要求。

4 結(jié)束語

該溫度模糊控制器的設(shè)計步驟簡單、調(diào)試方便、通用性強，在工程實踐中有好的使用價值。