基于模糊技術的齒輪箱加載實驗油溫調節系統

0 引言

齒輪箱加載實驗是齒輪箱出廠前保證產品質量的必備工序，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PID調節器的設計建立在精準數學模型上，由于實際油溫控制系統存在大慣性滯后環節，而且隨著實驗的進行油的成份會發生變化，導致慣性時間常數變化。另外，齒輪箱加載與不加載，會導致整個溫控系統參數變化較大，難以建立系統的精準數學模型。而模糊控制的設計建立在操作者的實際控制經驗上，不依賴精準的數學模型。故對基于模糊技術的齒輪箱加載實驗油溫調節系統進行設計。

1 硬件設計

系統硬件設計如圖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的電流轉化成0～32000的整數，以實現對溫度的測量。S7-200是西門子PLC，有PWM輸出功能。根據給定溫度和測量溫度的偏差，經模糊控制器得出PWM占空比，控制固態繼電器的通斷，從而控制加熱元件達到溫度自動調節的目的。PWM是脈寬調制，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，加熱元件發熱越厲害，溫度越高。硬件采用模塊化設計可靠程度高。

2 溫度模糊控制器的設計

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的形式表示。

2.2 建立模糊控制規則一，構造模糊關系矩陣

根據實際經驗溫度偏差正大，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)}

故確切的響應是PWM的占空比增加10％。

3 測試結果

在采樣周期是5s的情況下，從室溫38℃加熱到100℃的數據，如表4。

在100℃油溫下齒輪箱轉速從0 r／min上升到2400r／min的數據，如表5。

測試表明系統運行穩定，超調量較小，滿足齒輪箱加載實驗溫度控制的要求。

4 結束語

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