模糊算法补偿温度变化对液压机压力的影响

贺永森，陈江

（合肥合锻智能制造股份有限公司 技术中心，安徽 合肥 230601）

0 引言

目前在国内常见的液压机中，比例压力阀调压方式与手动调压方式相比操作简单，精确度高。与伺服阀调压方式相比节省成本，抗污染性好。因而在国内的液压机系统中广泛使用。

然而，比例压力阀调压方式在使用过程中受到液压油温度影响比较大，随着油箱油温增高会使液压油粘度降低。即使液压机设置相同的压力，在不同的油温下液压机产生的压力也不相同。液压机压力会随着液压油温度的增高而减小。这种情况会导致生产出的工件品质不稳定，极端情况下如果压力过大会造成工件撕裂，压溃，如果压力过小则会造成工件成形不完全。针对这种情况大多数厂家采用的是手动补偿的方法，在油箱温度变化后手动增加或减小压力设置值来补偿压力机的压力误差。这种方法需要现场操作人员有足够丰富的现场经验而且需要随时根据现场温度做调整，操作起来很繁琐，效果也不是很好。

由于液压机本身系统复杂很难量化的分析出不同温度下对应的补偿量，因此本文提出了一种基于模糊控制理论的自动温度补偿方案。通过温度传感器取得液压机油箱的温度值与温度标准值的偏差e，用模糊控制器对e 进行处理得到一个补偿值u，将补偿值u 与液压机原来的设置值叠加输出给比例阀，即可减小温度引起的液压机压力的偏差。

1 系统结构设计

液压机使用西门子S7-1500 系列PLC 组建控制系统。液压机油箱温度采样使用PT100 铂电阻接入AI 4×RTD/TC 2-/3-/4-wire HF 模拟量输入模块。比例阀控制则使用AQ 2×U ST 模拟量输出模块。液压系统使用的比例阀为Atos 公司的RZMO-TERS-PS-010 型比例阀。

由于液压机大部分工作时间是处于常温下，因此温度标准值取常温25℃。如图1 所示，通过油箱温度传感器取得油箱实际温度信号，通过模拟量输入模块转化滤波，得到油箱温度的实际值。用油箱温度的实际值减去温度标准值得到温度误差e。然后将温度误差值e 送入模糊控制器进行处理，通过模糊化、模糊推理和去模糊化将得到一个最终的压力补偿值。最后将得到的压力补偿值加入到压力设置值中来调节比例阀开口大小从而修正控制系统压力。

图1 压力补偿模糊控制结构图

2 设计论域与模糊规则表

在做模糊化处理时要考虑模糊集不能划分过多，否则会加重PLC 的运算负担，但也不能过少，否则精度不够。本例中对温度误差e 分为7 个模糊集{负大（NB）、负中（NM）负小（NS）、零（Z0）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）}。e 为负值表示温度低于标准值25℃，此时液压油粘度大于25℃时的油液粘度，系统压力会偏高；e 为正值则相反，表示系统压力偏低。根据经验取温度误差e 的论域为{-20，-10，-5，0，10，20，35}，其中-20 对应NB，对应液压机允许使用的最低温度5℃。35 对应PB，对应液压机能够使用的最高温度60℃。隶属度取1。同样将补偿值u 分为7 个模糊集{负大（NB）、负中（NM）负小（NS）、零（Z0）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）}。u 为负表示将减小系统压力。u 为正表示将增大系统压力。补偿值u 的论域取{-6，-2，-1，0，4，6，10}。取量化因子0.05，则-6 对应NB，对应5℃时系统压力设置值需减0.3。0.5 对应PB，对应60℃时系统压力设置值需增加0.5。

温度误差e 和补偿值u 使用三角形隶属度函数，隶属度函数如图2 和图3 所示。

图2 e 的隶属度函数曲线图

图3 u 的隶属度函数曲线图

偏差e 和补偿值u 对应的赋值表如表1 所示。

表1 e 和u 的赋值表

3 模糊规则的制定

温度偏差e 和压力补偿值u 的模糊规则可以这样描述：若温度偏差e 负大，则压力补偿值u 负大；若温度偏差e 负中，则压力补偿值u 负中；若温度偏差e 负小，则压力补偿值u 负小；若温度偏差e 为零，则压力补偿值u 为零；若温度偏差e 正小，则压力补偿值u 正小；若温度偏差e 正中，则压力补偿值u 正中；若温度偏差e 正大，则压力补偿值u 正大；根据温度变化与补偿值之间的关系可以得到模糊关系集合R。

表2 模糊控制规则表

按上述规则可以得到温度偏差与压力补偿值的模糊关系R，补偿值u 即为模糊控制的输出，u 可由偏差矩阵e 和模糊关系矩阵R 合成得到。

4 反模糊化

通过模糊推理得到一个隶属函数，再对其进行反模糊化处理，以期最后得到一个精确的值来叠加入比例法的控制值。采用了加权平均法来实现数据的反模糊化。

5 PLC 程序设计

根据上述模糊规则可以完成模糊运算程序的编制。本例使用西门子TIA Portal 编制控制程序。使用SCL 语言建立模糊规则的FB块，然后在OB1 组织块中进行调用。FB 块程序如下：FUNCTION_BLOCK "模糊规则"

6 现场测试

将上述程序加入到现场一台400t 液压机程序及进行测试，根据现场实际情况修改输入和输出的模糊集，在没有加入补偿时液压机油温从20℃升高到45℃时压力减小约0.3MPa，在加入补偿程序后，压力误差减小至0.1MPa。

7 总结

本文在手动补偿的基础上提出了一种使用模糊算法对液压机油液温度进行处理，从而减小油温对液压机压力产生的影响的方法。通过实验证明是有效的，可以使得液压机压力精度得到了提升，工人操作得到了简化。具有在液压机行业推广应用价值。