Имитационное моделирование процесса нечеткого управления охлаждением изделий

С целью увеличения быстродействия в системе нечеткого управления оборудованием с числовым программным управлением автором предложена структурная схема устройства управления термоэлементом (УУТ) (рисунок 3.6) [76-79].

Рисунок 3.6 - Структурная схема устройства управления термоэлементом: микроконтроллер 1, транзистор 2, фрезерный 3-х осевой станок 3, шаговый двигатель 4, опора оси Z 5, суппорт оси Z 6, трап вал 7, термоэлемент 8, фреза 9, датчик температуры 10, патрон 11, резистор 12, деталь 13, стол 14, источник питания 15

УУТ работает следующим образом [80-84]. Фрезерный 3-х осевой станок работает по программе, заложенной в него до начала процесса обработки. Ввод программы осуществляется путем загрузки ее в микроконтроллер 1.

Контроль за изменением температуры в зоне резания осуществляется с помощью датчика температуры 10. При нагреве фрезы 9 датчик температуры 10 сообщает об изменениях по токопроводу в микроконтроллер 1. В микроконтроллере полученная температура от датчика температуры 10 сравнивается с заданным значением. В случае если температура превышает заданное значение, то происходит перерасчет напряжения, передаваемого на вход затвора полевого транзистора 2, в зависимости от нечетких правил управления. Напряжение, передаваемое на затвор полевого транзистора 2, изменяет ток стока полевого транзистора 2. Ток стока передается на термоэлемент 8. При увеличении силы тока стока полевого транзистора 2 холодная сторона термоэлемента 8 с большей интенсивностью начинает охлаждать фрезу 9. Увеличение интенсивности охлаждения фрезы 9 происходит до тех пор, пока сигнал, передаваемый от датчика температуры 10, не будет равняться заданному значению. Тем самым осуществляется управление температурой в зоне резания.

Для формирования нечеткой математической модели УУТ необходимо выполнить последовательность следующих шагов [85-90].

Шаг 1. Формирование функции принадлежности термов входной и выходной переменных.

Для входной переменной температуры в зоне резания строим функцию принадлежности вида [91-93]:

t = {t₁} + {t₂} + {t₃} + {t₄} + {t₅}

Функция принадлежности для выходной переменной напряжения, передаваемого на затвор полевого транзистора, запишется:

И = {t⅛} + ⅛₂} + {u₃} + E⅛) + 6⅛)

Шаг 2. При поступлении данных о текущем значении температуры от датчика, равном 325^ОС, происходит расчет фаззифицированного вектора значений для каждого терма функции принадлежности t'=(0,33; 0,66; 0; 0; 0).

Третий, четвертый и пятый термы имеют нулевую степень истинности, поэтому в дальнейших расчетах не используются.

Шаг 3. На этапе агрегации активируются нечеткие правила управления, имеющие ненулевое значение параметра t'. Это правила с номерами 1 и 2.

1: НПУ1: ЕСЛИ «t есть T1» ТО «u есть U1»;

2: НПУ2: ЕСЛИ «t есть T2» ТО «u есть U2».

Шаг 4. Методом нечеткой композиции происходит усечение выходной функции принадлежности.

Шаг 5. Методом аккумуляции происходит объединение усеченных термов и формируется выходной нечеткий вектор функции принадлежности напряжения.

Шаг 6. Дефазификация по методу центра тяжести позволяет из выходного нечеткого вектора, полученного на пятом шаге, получить четкое значение напряжение [94-98].

Таким образом, температура 325^ОС в зоне резания требует для достаточного охлаждения режущего инструмента наличия напряжения на затворе транзистора 0,9В (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Схема вычисления выходного значения в УУТ при t=325°C

Далее в микроконтроллере в режиме реального времени происходит установка полученного напряжения на транзистор 2. Напряжение на входе полевого транзистора 2 меняет силу выходного тока стока, а изменение силы тока стока изменят величину температуры на термоэлементе 8, который охлаждает фрезу 9.

Предложенная нечетко-логическая математическая модель позволяет устранить присущие традиционным моделям дефаззификации недостатки, а

также сократить число операций в нечетком выводе за счет использования упрощенной модели нечеткого вывода. При этом применение мягких операторов нахождения минимума и максимума обеспечивает аддитивность системы управления.