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    基于模糊控制的激光加工间隙控制设计分析    Summary：激光加工，是加工行业一道重要的工序在高速运动当中，确保激光头和板材间距维持良好稳定性、随动性，对激光加工总体效率及效果有重要影响如果加工环境复杂多变，以往的PID控制手段无法获取理想效果，对正常加工所操作影响较大为能够解决这一难题，就应当积极探索更多的解决思路鉴于此，本文主要是在模糊控制之下开发设计激光加工的间隙控制系统，便于解决上述难题Keys：激光加工；模糊控制；间隙控制；设计前言激光加工实操过程，如果无法科学合理地把控好激光头和板材二者间距，则高速运动状态之下，就很难确保加工活动顺利高效地开展模糊控制中所涉及算法极具科学合理性，适用于对激光加工中的间隙控制整个系统设计中因此，以模糊控制为基础，开发设计激光加工的间隙控制系统，具有一定现实意义1模糊控制之下激光加工的间隙控制系统设计1.1系统架构如图1，为模糊控制之下激光加工的间隙控制系统架构高度电容传感装置主要是用于对激光头和切割板材间距进行检测的一种传感装置，装设于激光头尾部，用于对激光头和板材间距进行动态监测传感装置输出的模拟信号±10V主要代表激光头和板材之间的实时间距[1]。

执行机构当中，设有丝杆、伺服电机及其驱动装置、激光头等传感装置测得相对距离并未符合初期阶段所设参数情况下，模拟量当中的输入模块负责完成信号输入操作，数字滤波及A/D转换之后，再传至PLC当中，基于控制算法获取电机操作命令至伺服驱动装置，对执行机构进行控制，处于高速运动状态下，确保激光头和板材间距维持不变，达到稳定加工作业的目的图1 控制系统总体架构示意图1.2设计模糊控制装置此次把偏差变化比率△e与偏差量e当成是模糊控制装置输入部分，再把电机所控制信号u动态变化量当成是输出部分，以双输入+单输出形式完成模拟推理△e、e各自的自定义算式如下：△e（k）=e（k）-e（k-1）（1-1）e（k）=y（k）-y*（k）（1-2）此次把：E和EC分别作为用于描述总体偏差e（k）/偏差变化比率Δe（k）的对应语言变量，二者的模糊子集分别如下：Ai=（PB、PM、PS、O、NS、NM、NB）、i=（1、2、3、4、5、6、7）（1-3）Bi=（PB、PM、PS、O、NS、NM、NB）、i=（1、2、3、4、5、6、7）（1-4）控制规则完整集合主要是由如下推理语言所构成：Ri：If e is Ai，Δeis Bi thenΔu is Ci。

以上算式当中，Ci代表输出Δu对应的所有模糊子集；Ri代表第i条控规（i=1，2，…，49）；如图2，Δe（k）/e（k）/u代表隶属度总体函数分布如表1，为此次所构模糊控制之下的规则库采取Mamdani型推理法予以推理分析之后，第i条控规作用实际强度满足如下算式要求：ai=min（μAi（e），μB i（Δe））（1-5）第i条控规之下模糊输出代表算式如下：μi（Δu）=sup（min（ai，μC i（Δu）））（1-6）输出整个模糊子集如下：μC（Δu）=maxi=125μi（Δu）（1-7）针对C（Δuj），它主要代表模糊输出理论层面隶属度最大点对应数值；Δu代表输出实际电压动态变化数值采取平均法之后，输出代表列式（1-8）图2模糊变量之下隶属度的总体函数分布示意图表1模糊控制所构建完整的规则库数据PBPMPSONSNMNBPBNBNBNMNMNMOOPMNBNBNBNSNSOPSPSNBNMNSNSOPSPSONMNMNSOPSPMPMNSNSNSOPSPSPMPMNMNSOPSPSPMPMPBNBOOPSPMPMPBPB1.3设计前馈控制装置针对前馈控制，它主要是借助前馈控制装置对扰动信号进行有效处理，以免扰动会影响到被调节量[2]。

前馈环节属于一种开环控制，引入前馈处理节点不会对闭环控制整个系统稳定可靠性造成影响控制算法之下需要引入如下算式：（1-9）融合伺服驱动及电机等效，命令脉冲输入完毕后，输出电机对应转角，把这两者看成一种积分关系θ/s切割头和丝杠属于惯性节点1/（Ts+1）执行机构传递函数为θ/（T2s+s）用1/（τs+1）代表扰动通道对应传递函数，其中的τ代表板材扰动状态之下，传感装置测得最大和最小信号之间单一变化的时间实施前馈处理之后，便可获取如下列式：（1-10）2系统仿真此次设定θ/T/τ0参数分别为5、0.50s、0.25s，获取系统内部传递函数和前馈补偿对应传递函数如图3为关于阶跃函数总体响应方面，通过对比分析普通形式的PID系统、模糊控制科学算法之后发现，MATLAB整个仿真系统内部，如图3是输入阶跃信号大小为1对应响应波形经分析发现，与普通形式的PID控制比起来，模糊算法并无超调，可以实现更加快速地响应，上升时间平均达到tr=0.05s，而且，调节时间基本上可以达到ts=0.20s故而，模糊控制科学算法切实可行性显著，对随动系统自身动静态各项性能可起到良好的改善作用，充分满足实际的加工作业需求。

在开展板材加工相关操作期间，振荡是比较容易产生的情况，板材振荡会致使随动系统自身随动性能下降，影响到加工进度，甚至无法有序开展加工作业对此，把振荡看成正弦波对应的一个扰动信号，依靠MATLAB实施系统化的仿真分析，把前馈处理节点加入模糊控制整个系统当中，仿真测试并分析正弦对应的扰动信号[3]当加入了频率不同的正弦干扰情况下经过观察分析可以发现，10mm加载幅值低频状态下正弦波的对应信号，即可获取图4中显示的模糊控制及模糊处理、前馈控制等波形对比图经过分析可以发现，处于低频波动状态之下，模糊控制、模糊处理、前馈补偿所达到矫正效果相对较好单一形式的模糊控制之下，呈较小波动，大体上可满足于基本的加工需求当加载10mm幅值高频状态下正弦干扰部分信号之后，经分析可以发现，高频扰动情况之下，模糊控制所达到的效果明显减弱，对正常加工作业造成影响明显，模糊处理和前馈控制科学算法之下可取得显著效果，跟随特性优异单一形式的模糊控制情况下，通过分析高低频状态的正弦干扰总体抑制效果可以发现，高频/低频所处波动范围分别是±1.4mm、±0.30mm，基本上不能正常开展加工活动当加入前馈控制节点之后，高频/低频所处波动范围分别是±0.15mm、±0.01mm。

此次波动虽然较大，但仍然可以维持正常加工活动此次仿真测试及其分析所获结果可见，干扰信号总体频率提高三倍情况下，单一形式模糊控制及有前馈控制节点所达到的控制效果明显下降但在引入前馈补偿节点模糊控制科学算法之后，抗扰动综合能力随之增强，即便处于极具复杂性的状况下，依然可以正常开展加工活动，此控制算法之下，可确保系统实现加速响应，稳态精度也比较高图3阶跃响应变化示意图图4 频率不同的正弦干扰之下系统偏差总量变化示意图3结束语综上，此次在模糊控制之下所开发设计激光加工的间隙控制系统，经过仿真测试之后证实此系统能够充分发挥模糊控制及其算法优势，抗干扰综合能力强，鲁棒性优异，可实现快速响应，而且，稳态精度比较高，有推广应用价值Reference：[1]冯志强,袁浩,刘鹏,等.变间隙MAG焊熔透状态的粗糙-模糊控制方法[J].焊接学报,2023,44(11):22-35.[2]张国东.考虑传动间隙的重载AGV模糊自适应运动控制器设计[D].兰州理工大学,2023.[3]吴志鹏.一种基于MATLAB的空气预热器间隙控制系统模糊控制[J].电子世界,2020.  -全文完-。