摩擦试验中柔性加载系统及其模糊控制器设计

    目前摩擦试验机采用的多为刚性加载系统,在摩擦过程中,加载力将随摩擦过程的不稳定而产生动态波动,从而影响了摩擦过程的稳定性.特别是在开发高温自润滑材料的过程中,由于高温自润滑膜的性能直接影响其承载能力[1],因此,当研究高温自润滑材料的成膜机理及其形成条件时,控制摩擦过程中的载荷稳定性显得十分重要.同样,对于薄膜润滑涂层材料的摩擦学性能评价[2]以及微动摩擦过程中的机械响应,也应考虑载荷波动因素.

    1　柔性加载系统的硬件结构设计

    该柔性加载系统的结构如图1所示.其中模糊处理机、中央处理单元(CPU)和加法器及D/A转换电路组成了系统控制的核心——柔性加载模糊控制器(FLFC),压力传感器与A/D转换电路组成了反馈通道,放大器及驱动电路、电液伺服阀、液压元件共同组成了系统前向通道[3～5].依控制的特点和精度要求,忽略液压系统的非线性因素,将之作为黑箱处理,图1中Kp表示前向比例系数, 1/Kf是反馈系数,即:=Kp×Fuzzy(Fin,/Kf).式中:与分别为上一次的输出采样与当前输出.

    FLFC周期性接收来自于反馈通道的压力信号,与系统预设压力值、前次反馈值相比较,将所得的压力偏差信号e和该偏差的变化率e′输入模糊处理机(FP),经模糊运算后,模糊处理机输出控制量的偏差值u给CPU.然后加法器将每次的控制量偏差值u累加,经D/A转换器将这一数字控制量转换为控制电液伺服阀的电流信号i(或电压信号),并输出到电液伺服阀的放大驱动电路中.液压元件的运动方向取决于输入信号的方向,而运动的速度取决于信号的大小,最小控制信号与最大控制信号之比决定了系统的控制精度.

    2　模糊处理机的算法实现

    2.1　输入输出变量的模糊化

    为了保证系统在加载时,能快速地响应由于位置波动而带来的压力变化,所设计的模糊处理机采用了二维模糊控制器,输入为变量压力偏差信号e和该偏差的变化率e′,输出为控制量的偏差值u,从而平衡了加工过程中压力的变化、方向和速率的影响.

    在本次设计中,销盘式摩擦滑动试验机的最大加载压力为100 N,要求压力波动值±5%,从而可知偏差e的基本论域为[-10 N,+10 N],相应取e′的基本论域为[-10 N,+10 N].若设e的语言变量为E,取其量化因子为0.6,则其相应的模糊子集为Ai(i=1,2,3,…,8),划分为13个等级,即X={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},模糊子集Ai的8个语言取值为{PB,PM,PS,PO,NO,NS,NM, NB}.设偏差变化率e′的语言变量为EC,取其论域为[-10 N,+10 N],取量化因子为0.6,其相应的模糊子集Bi(i=1,2,3,…,7),划分为13个等级,即论域Y={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4, 5,6},模糊子集Bi的7个语言取值为{PB,PM,PS,ZO,NS,NM, NB}. 为了在控制允许的范围内提高控制精度,取输出控制量u的论域为[-6 N,+6 N],量化因子为1,其相应的模糊子集为Ci(i=1,2,3,…,8),论域也划分为13个等级,即Z={-6,-5,-4,-3, -2,-1,0,1,2,3,4,5,6},模糊子集Ci的8个语言取值为{PB,PM,PS,PO,NO,NS,NM,NB}.这里所选用的隶属函数均为trimf类型.根据控制的要求和前期实验确定相应的模糊控制规则.