專利名稱：基于區(qū)間二型模糊邏輯的微細(xì)電火花兩階模糊控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微細(xì)電火花加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)的檢 測和控制方法。
背景技術(shù)：
微細(xì)電火花加工具有放電能量微、脈沖電源頻率高、放電間隙小、波形畸變嚴(yán)重及 噪聲干擾大等復(fù)雜特性，使得加工過程極為不穩(wěn)定，加工放電狀態(tài)難于準(zhǔn)確檢測和控制，并 且隨著加工深度的不斷增大，放電碎屑排出更加困難，加工環(huán)境愈發(fā)惡化，致使加工效率低 下。因此，實(shí)現(xiàn)加工放電狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測和加工過程的實(shí)時(shí)有效控制，從而保證加工始終處 于最佳放電狀態(tài)是提高微細(xì)電火花加工效率和穩(wěn)定性的根本途徑。常規(guī)電火花加工的控制方法常采用平均電壓法，該方法將采集到的放電間隙電壓 的平均值與設(shè)定的伺服參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)火花放電時(shí)，伺服機(jī)構(gòu)保持不動(dòng)；當(dāng)間隙開路 時(shí)，伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行小位移進(jìn)給；而當(dāng)間隙短路時(shí)，伺服機(jī)構(gòu)則大位移回退。平均電壓法的不 足之處是控制規(guī)則偏于簡單化、加工經(jīng)驗(yàn)在控制策略中融合不足以及判斷依據(jù)和調(diào)節(jié)量單 一化，但由于常規(guī)電火花加工放電狀態(tài)變化緩慢且平穩(wěn)，利用平均電壓控制法可以得到較 好的控制效果。然而對于微細(xì)電火花加工，其脈寬通常很窄，放電能量十分微弱，間隙平均 電壓幅值較低，并且加工過程干擾嚴(yán)重，采集的電壓信號中噪聲比率較大，因此平均電壓法 已不適用于微細(xì)電火花加工。近年來，模糊邏輯被證明是一種較為有效的控制方法，目前已成功用于微細(xì)電火 花的放電狀態(tài)檢測和加工控制中，在某些加工條件下提高了加工效率并降低了電極損耗。 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不要求給出被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供操作人員的經(jīng)驗(yàn)知 識及操作數(shù)據(jù)，即可以模仿人的思維過程進(jìn)行“不精確推理”，由于介入了人類的經(jīng)驗(yàn)，因而 能夠處理微細(xì)電火花加工等復(fù)雜甚至“病態(tài)”系統(tǒng)，在微細(xì)電火花加工領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。 然而，模糊控制系統(tǒng)的建立包含如下諸多不確定性因素(1)不同人員對同一模糊語言變 量的理解不同，造成模糊空間難以統(tǒng)一劃分；( 受人為經(jīng)驗(yàn)局限，輸入輸出隸屬度函數(shù)的 建立具有不確定性；C3)采集的數(shù)據(jù)中噪聲干擾嚴(yán)重；(4)用以優(yōu)化模糊控制系統(tǒng)各參數(shù)的 樣本數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確。因此，傳統(tǒng)的模糊控制系統(tǒng)本身就具有不確定性，并且其信息處理方法 簡單，當(dāng)加工環(huán)境惡化時(shí)會導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差，因而仍不能保證微細(xì)電火花加工過程 的高效性和穩(wěn)定性。專利號為ZL200410050760. X的《微細(xì)電火花加工間隙放電狀態(tài)的檢測方法》結(jié)合 系統(tǒng)辨識和模糊邏輯理論提出了微細(xì)電火花加工間隙放電狀態(tài)檢測方法，該方法能較好適 應(yīng)微細(xì)電火花高頻、微能的加工條件，但主要存在采樣點(diǎn)放電狀態(tài)模糊邏輯規(guī)則的設(shè)計(jì)過 于依賴人工經(jīng)驗(yàn)、不確定性大，以及放電狀態(tài)分類方法耗時(shí)且較為粗略，易導(dǎo)致有效信息丟 失等缺點(diǎn)。專利公告號為CN101362235的《一種電火花微小孔加工控制方法》結(jié)合前提隸 屬度和適合度確定加工控制策略，提供了一種基于模糊邏輯的微細(xì)電火花加工控制方法， 該方法運(yùn)算量小、運(yùn)算周期短，但主要存在模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺少解模糊環(huán)節(jié)、輸出電機(jī)速度模塊化致使速度選擇不靈活等缺點(diǎn)，此外其隸屬度函數(shù)的建立仍主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)，亦不能 很好的解決模糊控制的不確定性問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對復(fù)雜非線性和多因素時(shí)變的微細(xì)電火花加工系統(tǒng)難以進(jìn)行 實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效控制的技術(shù)難題，克服平均電壓法在加工控制中過于簡單化、加工經(jīng)驗(yàn)在 控制策略中融合不足和調(diào)節(jié)量單一化等缺點(diǎn)，解決傳統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)本身包含較大不確定 性，易導(dǎo)致加工過程不穩(wěn)定、加工效率低等亟待突破的難點(diǎn)問題，提出一種基于區(qū)間二型模 糊邏輯的微細(xì)電火花加工兩階模糊控制方法，將傳統(tǒng)的模糊集合擴(kuò)展為二型模糊集合，以 提高系統(tǒng)處理不確定性的能力；同時(shí)還提出了微細(xì)電火花加工分析周期內(nèi)放電狀態(tài)的準(zhǔn)確 分類及統(tǒng)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)對微細(xì)電火花加工控制的精確控制，從而提高加工效率和加工系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于區(qū)間二型模糊邏輯的微細(xì)電火花兩階模 糊控制方法，其特征在于，將傳統(tǒng)一型模糊系統(tǒng)擴(kuò)展為二型模糊系統(tǒng)，并建立兩階模糊控制 器，第一階模糊控制系統(tǒng)用來準(zhǔn)確判別采樣點(diǎn)的放電狀態(tài)，第二階模糊控制系統(tǒng)用來輸出 電機(jī)的進(jìn)給速度；首先將加工過程中實(shí)時(shí)采集到的間隙電壓和間隙電流作為第一階模糊控 制系統(tǒng)的輸入，經(jīng)過區(qū)間二型模糊邏輯的模糊化和規(guī)則表進(jìn)行推理，得到包含四種放電狀 態(tài)概率的采樣點(diǎn)放電狀態(tài)矢量；通過對一個(gè)分析周期內(nèi)的所有放電狀態(tài)矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得 到該分析周期內(nèi)各放電狀態(tài)的比率，并將其作為第二階模糊系統(tǒng)的輸入；再經(jīng)過完整的區(qū) 間二型模糊系統(tǒng)，最終輸出電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度；將該速度乘以速度系數(shù)，即可得到微細(xì)電極的 進(jìn)給速度，基于區(qū)間二型模糊邏輯的微細(xì)電火花加工兩階模糊控制方法具體步驟如下(1)第一階控制系統(tǒng)輸入輸出隸屬度函數(shù)的建立將加工過程中實(shí)時(shí)采集到的間隙電壓和間隙電流，除以數(shù)據(jù)采集卡的增益η，得 到值在
之間的標(biāo)準(zhǔn)化電壓Ui和電流Ii,作為第一階模糊控制系統(tǒng)的輸入；結(jié)合加工 經(jīng)驗(yàn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，初步建立一型模糊輸入輸出隸屬度函數(shù)，并制定相應(yīng)模糊規(guī)則， 然后將輸入隸屬度函數(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展為區(qū)間二型模糊隸屬度函數(shù)針對每一個(gè)隸屬度函數(shù) μ i，選取容量為N的樣本，樣本數(shù)據(jù)記為Zi = [Ui, Ii, sPi]，其中Spi為經(jīng)過模糊推理得到的 放電狀態(tài)值；將樣本分成k組，并保證每組中的樣本數(shù)量大于ι且11Zi-Zj11 < δ，δ為根 據(jù)實(shí)際樣本情況選取的一個(gè)極小值；找出每組樣本中隸屬度最大和最小的兩個(gè)數(shù)據(jù)，并將 其隸屬度值記為HiaX1(P)和min1 ( μ )，1 = 1，2，. . .，k ；最后以原隸屬度函數(shù)μ 1為中心， 向兩側(cè)分別進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展量為
權(quán)利要求
1. 一種基于區(qū)間二型模糊邏輯的微細(xì)電火花兩階模糊控制方法，其特征在于，將傳統(tǒng) 一型模糊系統(tǒng)擴(kuò)展為二型模糊系統(tǒng)，并建立兩階模糊控制器，第一階模糊控制系統(tǒng)用來準(zhǔn) 確判別采樣點(diǎn)的放電狀態(tài)，第二階模糊控制系統(tǒng)用來輸出電機(jī)的進(jìn)給速度；首先將加工過 程中實(shí)時(shí)采集到的間隙電壓和間隙電流作為第一階模糊控制系統(tǒng)的輸入，經(jīng)過區(qū)間二型模 糊邏輯的模糊化和規(guī)則表進(jìn)行推理，得到包含四種放電狀態(tài)概率的采樣點(diǎn)放電狀態(tài)矢量， 通過對一個(gè)分析周期內(nèi)的所有放電狀態(tài)矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到該分析周期內(nèi)各放電狀態(tài)的比 率，并將其作為第二階模糊系統(tǒng)的輸入，再經(jīng)過完整的區(qū)間二型模糊系統(tǒng)，最終輸出電機(jī)的 運(yùn)動(dòng)速度，將該速度乘以速度系數(shù)，即可得到微細(xì)電極的進(jìn)給速度；基于區(qū)間二型模糊邏輯 的微細(xì)電火花加工兩階模糊控制方法具體步驟如下(1)第一階控制系統(tǒng)輸入輸出隸屬度函數(shù)的建立將加工過程中實(shí)時(shí)采集到的間隙電壓和間隙電流，除以數(shù)據(jù)采集卡的增益η，得到值 在
之間的標(biāo)準(zhǔn)化電壓Ui和電流Ii,作為第一階模糊控制系統(tǒng)的輸入；結(jié)合加工經(jīng)驗(yàn) 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，初步建立一型模糊輸入輸出隸屬度函數(shù)，并制定相應(yīng)模糊規(guī)則，然后 將輸入隸屬度函數(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展為區(qū)間二型模糊隸屬度函數(shù)針對每一個(gè)隸屬度函數(shù)μ 1，選 取容量為N的樣本，樣本數(shù)據(jù)記為Zi = [Ui, IiApi]，其中、為經(jīng)過模糊推理得到的放電狀 態(tài)值；將樣本分成k組，并保證每組中的樣本數(shù)量大于1且I I Zi-Zj I ^ δ, δ為根據(jù)實(shí)際 樣本情況選取的一個(gè)極小值；找出每組樣本中隸屬度最大和最小的兩個(gè)數(shù)據(jù)，并將其隸屬 度值記為maxHy)和min1 ( μ )，1 = 1，2，. . .，k ；最后以原隸屬度函數(shù)μ 1為中心，向兩側(cè) 分別進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展量為IV I=這(max' (μ) - min' {μ)) / 2紀(jì)/=1擴(kuò)展后，隸屬度函數(shù)形成了上下兩個(gè)邊界，其中上邊界的函數(shù)表達(dá)式為i''+ 丨， 下邊界的函數(shù)表達(dá)式為JLi =Ui-IA PiI,并且當(dāng)艾+ 乂丨>1時(shí)，取Ii = 0，當(dāng)JLi = μ iH Δ μ iI <0 時(shí)，取艾 >0;(2)采樣點(diǎn)放電狀態(tài)辨識方法使用輸入變量隸屬度的最小化運(yùn)算，對第一階模糊推理的前提隸屬度進(jìn)行計(jì)算；對于 模糊規(guī)則1，其前提隸屬度F1為一個(gè)區(qū)間爐和T7為其上下邊界，因此一階模糊系統(tǒng)的輸出是一個(gè)區(qū)間[&，巧l·設(shè)輸出論域Yi內(nèi)共有η條隸屬度函數(shù)，其重心的最大及最小值分別為h1和7，則么和瓦可通過下面兩式計(jì)算bllfdy^b^fdy, f^ \fdy, ^ffdynS1-^:'P——-^,一 //1^1+ΣΣ If^ + Jz^ι-,‘=2 κ'=1 y, κ如果輸出隸屬度函數(shù)仍保持一型，則皂= 7;利用加權(quán)求和方法可得到最終輸出的放 電狀態(tài)值為^p =^1L + G-幻巧，0 < λ < 1 ；(3)采樣點(diǎn)放電狀態(tài)矢量映射及統(tǒng)計(jì)方法使用四維單位矢量P來描述采樣點(diǎn)的四種放電狀態(tài)，將采樣點(diǎn)輸出論域按放電狀態(tài)取值范圍劃分成4個(gè)類，記為
全文摘要
一種基于區(qū)間二型模糊邏輯的微細(xì)電火花兩階模糊控制方法，屬于微細(xì)電火花加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)的檢測和控制方法。其特征是首先將采集的電壓和電流經(jīng)過第一階區(qū)間二型模糊系統(tǒng)，得到采樣點(diǎn)放電狀態(tài)矢量；對一個(gè)周期內(nèi)的放電狀態(tài)矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到該周期內(nèi)各放電狀態(tài)的比率；將其作為輸入量再經(jīng)過第二階區(qū)間二型模糊系統(tǒng)，最終輸出微細(xì)電極的進(jìn)給速度。本發(fā)明的效果和益處是所提出的控制方法有效克服了平均電壓控制方法過于簡單化、調(diào)節(jié)量單一化等缺點(diǎn)及傳統(tǒng)一型模糊邏輯在處理不確定性方面的局限性，保證了控制系統(tǒng)和加工過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，顯著提高了加工效率，是一種非常適用于微細(xì)電火花加工的控制方法。
文檔編號B23H7/20GK102069245SQ20101054472
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者劉巍, 張玲瑄, 李安超, 賈振元, 魏力 申請人:大連理工大學(xué)