余志鵬

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信系，廣東佛山 528333）

0 引 言

球閥是實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)開閉功能的重要元件。球閥的精度等級用“不圓度”這個(gè)概念來描述。不圓度［1］（ovality）是指球形或圓形金屬材料表面上最大與最小直徑的差值，也稱作橢圓度或失圓度。

根據(jù)球閥材料和精度等級不同，密封方式分為軟密封和硬密封兩種［2］。軟密封是通過利用精度要求低的閥球與塑性材料密封環(huán)的過盈配合達(dá)到密封效果，不圓度在8μm以上的閥球體屬于軟密封等級。而硬密封是通過閥球與剛性密封環(huán)的高圓度接觸達(dá)到密封效果，不圓度在8μm以下的閥球體屬于軟密封等級。硬密封球閥具有耐磨性強(qiáng)，實(shí)用性高的優(yōu)點(diǎn)［3］，一般應(yīng)用在石油、化工加工管道等高要求的管道系統(tǒng)里，但是其加工精度高，且加工難度隨著尺寸增大而加大，因此在一些管道設(shè)計(jì)中盡量避免采用硬密封球閥，而改用抗腐蝕能力差、使用壽命短、實(shí)用性偏低的軟密封球閥。

文中針對上述問題，提出一種新型的高精度閥球研磨機(jī)，并對其進(jìn)行分析和討論，得到一系列的結(jié)論，詳細(xì)論述如下。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 球閥研磨機(jī)示意圖

利用特殊夾緊結(jié)構(gòu)使閥球體在旋轉(zhuǎn)過程中與研磨套動態(tài)接觸，在接觸的過程中把微觀上突出（不圓）的部分通過摩擦力磨平。要實(shí)現(xiàn)這一功能，必須實(shí)時(shí)對閥球表面與研磨套之間的壓力進(jìn)行檢測，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，對以STM32F103VCT6為核心的微機(jī)系統(tǒng)通過液壓傳動，對研磨套作用于閥球體表面的壓力實(shí)現(xiàn)精確控制，與從壓力傳感器實(shí)時(shí)采集得到壓力數(shù)據(jù)比較，即可實(shí)現(xiàn)恒壓控制。

本系統(tǒng)主要通過電液比例閥控制研磨套對閥球表面壓緊，而作為復(fù)雜的非線性高階系統(tǒng)，比例閥控制系統(tǒng)受速度、外力等參數(shù)變化的影響較大，普通的常規(guī)PID控制難以達(dá)到效果。系統(tǒng)采用兩個(gè)模糊控制器，并聯(lián)結(jié)構(gòu)，一個(gè)對PID參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整，大偏差情況下（誤差e＞45N），采用與PID控制平行的模糊控制，既能抑制超調(diào)又有良好的動態(tài)性；小偏差（－10N＜e＜10N）時(shí)采用模糊自適應(yīng)PID控制策略，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，此PID控制可以實(shí)現(xiàn)在線整定［4］，這樣的策略可使系統(tǒng)達(dá)到較好的效果。

高精度閥球研磨機(jī)的壓力控制系統(tǒng)是以STM32F103VCT6為核心的主控板、壓力傳感器、高精度A／D采樣模塊、放大器、電液比例閥執(zhí)行器、啟停閥執(zhí)行系統(tǒng)組成，主控系統(tǒng)框圖與液壓油路如圖2所示。

系統(tǒng)將壓力傳感器采集的球閥和研磨套之間的表面壓力，16位A／D轉(zhuǎn)換模塊放大并實(shí)行精確的A／D采樣，電液比例閥接收到的是恒定輸出頻率、占空比可調(diào)的PWM信號，實(shí)現(xiàn)高精度閥球研磨機(jī)壓力的閉環(huán)控制。

主控制系統(tǒng)（見圖2）是由電源電路、嵌入式控制器STM32F103VCT6，F(xiàn)LASH，SRAM、復(fù)位電路、JTAG接口外部仿真電路、觸摸屏組成的嵌入式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的主控芯片是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的高性能STM32F103VCT6微處理器。它采用ARM的Cortex-M3內(nèi)核，片上主要集成有128個(gè)通用I／O口、24個(gè)多級中斷源、10個(gè)PWM定時(shí)器及4個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、8kB Cache、2個(gè)帶有握手協(xié)議的串口、LCD（多媒體）控制器，具有RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）日歷功能［5］。

圖2 主控系統(tǒng)框圖與液壓油路

主控制系統(tǒng)中，把2個(gè)EX601DL壓力傳感器安裝在研磨主軸上，EX601DL的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)電橋，它是通過壓電材料把壓力信號轉(zhuǎn)化為橋臂電阻阻值的變化，在5V供電下，EX601DL輸出的最大電壓值是7.5mV（對應(yīng)50kg壓力），雖然STM32F103VCT6微處理器自帶的12位ADC，為了響應(yīng)0.01mV級的電壓變化，采用AD轉(zhuǎn)換芯片AD7705為核心的AD采樣電路。AD7705是一款16位高精度差分輸入AD轉(zhuǎn)換芯片［6］，它具有1～128倍的可編程放大倍數(shù)，可編程進(jìn)行設(shè)定；它的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過串行協(xié)議進(jìn)行傳輸，節(jié)省I／O口。

將壓力數(shù)據(jù)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送入數(shù)據(jù)處理模塊，作為自適應(yīng)模糊PID復(fù)合算法的參數(shù)，經(jīng)處理后自動調(diào)整主控芯片中定時(shí)器比較緩沖區(qū)寄存器TIM2＿CCR1和TIM2＿CCR2的值，對輸出PWM信號占空比做出改變，由PWM原理使輸出電壓為0～3.3V間調(diào)節(jié)，通過2N3904和TIP41組成的PWM功率放大電路，轉(zhuǎn)化為0～38V（0～1 300mA）的控制電壓對電液比例閥進(jìn)行控制。主控板已集成JTAG調(diào)試電路，用數(shù)據(jù)線與PC相連，通過IAR軟件可在線調(diào)試目標(biāo)程序。

2 自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 PID算法

PID算法公式為：

其增量式為：

式中：KP，KI，KD——分別為系統(tǒng)的比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)；

u（k）——k時(shí)刻的輸出量；

Δu（k）——輸出量的變化率；

e（k）——k時(shí)刻的偏差；

e（k－1）——k－1時(shí)刻的偏差。

2.2 系統(tǒng)模糊化

模糊PID控制器由一個(gè)雙輸入三輸出系統(tǒng)的推理部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

模糊算法的輸入是兩個(gè)輸入量偏差和偏差變化率的絕對值，控制器的輸出是KP，KI，KD。按設(shè)定值要求將E，EC和KP，KI，KD的論域均分別定義為［－3，－2，－1，0，1，2，3］，通過模糊語言變量描述它們［7］，分別為：PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB。確定模糊定義后，在MATLAB軟件中，設(shè)計(jì)KP，KI，KD，E，EC的論域?qū)?yīng)的模糊語言變量，其隸屬函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 E，EC和ΔKP，ΔKI，ΔKD的隸屬函數(shù)曲線

2.3 模糊規(guī)則

根據(jù)自整定原則及文中試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，得ΔKP，ΔKI，ΔKD的控制規(guī)則見表1。

表1 KP／KI／KD模糊控制規(guī)則表

2.4 模糊推理和清晰化

本項(xiàng)目采用MIN-MAX重心法［8］，對系統(tǒng)進(jìn)行模糊清晰化。設(shè)輸出清晰值為uo，則：

式中：ui——論域中的每個(gè)元素，作為隸屬度（i）的加權(quán)系數(shù)，它可用作待判決輸出模糊集合。

應(yīng)用加權(quán)平均法為模糊集合求得的判決結(jié)果是平均值u。為適應(yīng)控制要求，最后用輸出量化因子乘以u，就可得到控制量的實(shí)際值。

3 仿真結(jié)果

控制系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

需要考慮PID控制的精確性，同時(shí)要保證系統(tǒng)對大偏差值有快速反應(yīng)性和良好的動態(tài)性能，文中采用了模糊和自適應(yīng)PID的結(jié)合控制。利用MATLAB／Simulink進(jìn)行仿真，只用PID算法和引入模糊自適應(yīng)PID算法后階躍曲線響應(yīng)分別如圖6和圖7所示。

圖6 只用PID控制時(shí)階躍曲線圖

圖7 采用模糊－自適應(yīng)模糊PID控制時(shí)階躍響應(yīng)曲線

當(dāng)前期計(jì)算得出較大偏差，采用模糊控制，若是小偏差，采用自適應(yīng)模糊PID控制。

4 效果演示與結(jié)論

本設(shè)備利用特殊的機(jī)械設(shè)計(jì)原理，使閥球體與研磨套充分接觸、相互摩擦來修正閥球體圓度。無論閥球體的材料是生鐵、不銹鋼、表面涂料還是特種陶瓷，設(shè)備都能保證閥球體精度。同時(shí)，設(shè)計(jì)者把高精度、高效率微機(jī)控制系統(tǒng)引入到該設(shè)備里面，利用自適應(yīng)模糊PID符合精度控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動恒壓控制。操作員可根據(jù)需要設(shè)定研磨接觸壓力，單片機(jī)控制的閉環(huán)系統(tǒng)保證加工過程中保持給定壓力；設(shè)備在使用過程中實(shí)時(shí)反映研磨接觸壓力。

本設(shè)計(jì)的樣機(jī)已經(jīng)制成，并成功加工3批球閥，最小外徑為50mm，最大外徑為450mm。加工好的閥球體樣品委托專業(yè)的閥門生產(chǎn)廠家用專業(yè)圓度檢測設(shè)備進(jìn)行檢測，送測的閥球體的不圓度均在8μm左右。測試結(jié)果如圖8所示。

送測的陶瓷閥球主要成分為氧化鋯，外徑為35mm，非常堅(jiān)硬，從圖中可以看到，該閥球的不圓度為3.237μm，完全符合硬密封要求。

圖8 由高精度閥球研磨機(jī)研磨出來的球閥送測圖

［1］ 任嘉卉.公差與配合手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：151-158.

［2］ 劉英，袁績乾.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)（上）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：325-331.

［3］ 王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003：116-119，244-249.

［4］ AD7705／AD7706Datasheets.ANALOG DEVICES［EB／OL］.［2014-03-17］.http：／／www.analogdevice.com，2008.

［5］ STM32f103ZE芯片手冊.STMicroelectronics［EB／OL］.［2014-03-17］.http：／／www.STMicroelectronics.com，2010.

［6］ 郭松林，張禮勇，林海軍.Σ－ΔA／D轉(zhuǎn)換器的原理與分析［J］.電測與儀表，2002，11（39）：21-24.

［7］ C A Tan，B S Kang.Automatic transmissions diagnosis based on Fuzzy neural network［C］／／2011International Conference on Digital Manufacturing＆Automation，2011：242-251.

［8］ 阮曉鋼.神經(jīng)計(jì)算科學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006：164-173.