埋弧自動焊弧長模糊控制器

摘要：為滿足埋弧焊過程弧長實時穩(wěn)定控制要求，研制了以高速微處理為核心的微機控制系統(tǒng)和一套開關(guān)式的送絲調(diào)速系統(tǒng)。引入通過模糊目標隸屬函數(shù)調(diào)節(jié)修正函數(shù)來調(diào)整模糊控制規(guī)則的模糊控制算法，設計了以模糊控制為核心的埋弧焊過程電弧智能控制系統(tǒng)。在實驗的基礎上討論了模糊控制的修正函數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，合理的控制參數(shù)直接影響焊接質(zhì)量。實驗表明，該系統(tǒng)采用模糊控制在焊縫成型以及過程穩(wěn)定等方面都有較大提高。
關(guān)鍵詞：埋弧焊；弧長；微機控制；模糊控制

l 前言
    焊接過程電弧弧長的穩(wěn)定對焊接質(zhì)量至關(guān)重要。目前，埋弧焊弧長的調(diào)節(jié)控制主要有兩種：一種是實時調(diào)節(jié)電流改變焊絲熔化速度，從而控制弧長，抑制擾動；另一種是弧壓或電流反饋實時調(diào)節(jié)送絲速度，采用PID控制弧長等參數(shù)以穩(wěn)定焊接過程。而這兩種方法在對粗絲大電流工作條件下存在動態(tài)響應慢、焊接過程穩(wěn)定性差等缺點，難以實現(xiàn)高質(zhì)量控制。模糊控制作為一種智能控制策略，在弧焊電弧穩(wěn)定性控制的應用具有諸多優(yōu)點，如無需建立被控對象的數(shù)學模型，較易建立語言變量的控制規(guī)則，系統(tǒng)魯棒性強，尤其適用于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的埋弧自動焊弧長的控制。為此，在研究單片機控制的埋弧自動焊裝備基礎上，引入基于修正因子的模糊控制策略，采用弧壓反饋方式，以送絲速度為控制量，弧壓為被控制量，研究埋弧自動焊弧長模糊控制器。

2 系統(tǒng)硬件設計
    埋弧自動焊系統(tǒng)硬件設計是由容量l 000 A、主頻20 kHz的IGBT逆變電源為主機、電源驅(qū)動電路、送絲驅(qū)動電路、單片機控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中電源驅(qū)動電路由以SG3525為核心的PWM脈寬調(diào)制電路、隔離電路、過流保護、過壓，欠壓保護電路組成。送絲驅(qū)動控制電路由以SG3525為核心的開關(guān)式調(diào)速電路組成。單片機及其外圍電路由以DS80C320為核心的微機系統(tǒng)、A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換、隔離電路、鍵盤給定顯示電路組成。

2．1 送絲調(diào)速電路
    系統(tǒng)采用開關(guān)式送絲調(diào)速系統(tǒng)，送絲機驅(qū)動為110 V直流印刷電機。其開關(guān)式送絲調(diào)速系統(tǒng)的主電路如圖2所示。其工作原理：輸入電壓Ui經(jīng)整流濾波后為有紋波的直流電壓，然后提供給MOSFET，MOSFET由PWM控制電路提供的驅(qū)動信號而處于開關(guān)狀態(tài)，將直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓，再通過輸出電感得到輸出電壓U0，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的輸出占空比，就可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。該電路的PWM控制電路采用脈沖寬度調(diào)制器SG3525得到PWM信號，通過電樞電壓負反饋來保持電樞電壓的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。該送絲系統(tǒng)經(jīng)實測送絲速度范圍為0～24 m／min，送絲平穩(wěn)可靠，可滿足埋弧焊的送絲和抽絲控制要求。[!--empirenews.page--]

    采樣電路采用MAX118。MAX118是MAXIM公司的8位8通道的跟蹤保持A／D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換速度高、功耗低、轉(zhuǎn)換誤差小的優(yōu)點。MAX118可直接與單片機數(shù)據(jù)總線和I／O接口連接，不需另加接口電路，主要用于焊接過程電弧電壓、送絲電動機采樣，D／A轉(zhuǎn)換電路采用兩片AD7528。AD7528是德州儀器公司的雙路、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換速度快、線性度誤差小、功耗低的特點。兩片AD7528主要用于小車速度給定，送絲電機電驅(qū)電壓，電弧電壓給定，如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)控制軟件是實時控制的核心，系統(tǒng)控制軟件設計采用模塊化程序設計技術(shù)?？刂栖浖饕珊盖皽蕚?、引弧控制、焊接階段控制、收弧控制等4部分組成。
    圖4示出該控制系統(tǒng)模糊控制原理。其中模糊控制器引入了帶自調(diào)整函數(shù)的模糊控制規(guī)則，即引入一個可調(diào)整因子a，代入FUZZY控制算法U=(E+Ec)／2可得：
    U=[aE+(1-0)Ec] (1)
式中：a∈(0，1)。通過調(diào)整a，改變誤差E和誤差變化率Ec對控制量的加權(quán)程度，從而調(diào)整控制規(guī)則。進而改善系統(tǒng)控制效果。

    通常控制系統(tǒng)的目標是輸出與給定相等，因此提出模糊控制目標使誤差E靠近于0，取其隸屬函數(shù)為Cμ=exp(-ke2)。其修正系數(shù)為：

                             
    偏差大時，a較大，系統(tǒng)能盡快消除E；偏差小時，a較小，系統(tǒng)能盡快趨于穩(wěn)態(tài)。根據(jù)模糊目標的隸屬函數(shù)調(diào)節(jié)a，從而達到調(diào)整控制規(guī)則的目的?？蓲侀_控制表，直接根據(jù)偏差E和偏差變化率Ec的論域值E和Ec，通過公式求得控制量U和論域U'，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)控制規(guī)則的在線調(diào)整。
    在以單片機為控制器實現(xiàn)模糊控制時，將變量離散化，歸一化量程：
    焊接電弧電壓：51.2 V……FFH，即0.2 V……01H；送絲電機控制電壓：3.8 V……FFH，即0.023 V……01H。[!--empirenews.page--]
    采用公式計算方法，模糊控制實現(xiàn)程序如圖5所示。

4 實驗
    將編寫好的模糊控制算法移植入單片機，并與埋弧自動焊焊機(1000逆變電源+變速送絲機)組成試驗平臺，采用相同規(guī)范、不同K值進行模擬負載和工藝實驗。
    圖6(a)、(b)分別是在K=0.5和K=1、弧壓為35 V、電流600 A的情況下，初始模擬負載為0.03 Ω，突變后模擬負載為0.09 Ω實測的電壓響應曲線。當模擬負載突變時，K=0.5的情況下，過渡時間約為0.075 s，當K=1的情況下，過渡時間約為0.1 s，說明模糊控制的送絲系統(tǒng)具有良好的動特性和外特性。圖7(a)、(b)所示的是給定焊接電壓35 V，電流600 A，焊接速度為0.6 m／min，不同K值的焊縫外觀圖。

    試驗表明，采用模糊控制系統(tǒng)，焊接過程穩(wěn)定，焊縫成型好，而且K值越大，修正函數(shù)a值隨著誤差遞增越快，誤差E的控制作用相對增強，動態(tài)響應速度快。

5 結(jié)論
    為滿足埋弧焊過程控制要求，研制了以單片機DS80C320為核心的微機控制系統(tǒng)和一套PWM可逆調(diào)速電機驅(qū)動系統(tǒng)，并引入了模糊控制算法，設計以模糊控制為核心的埋弧焊過程電弧智能控制系統(tǒng)。通過實驗討論模糊控制的修正函數(shù)對系統(tǒng)性能和焊接質(zhì)量的影響。實驗表明，采用模糊控制系統(tǒng)在焊縫成型以及過程穩(wěn)定等方面都有較大提高，模糊智能控制方式可有效運用于埋弧焊過程控制。