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1、第 卷 第 期年 月焊 接 学 报钨 极 氨 弧 焊 焊 缝 熔 宽 模 糊 控 制 系 统 设 计黄 石 生 贺 剑 峰 宋 永 伦广 州 华 南 理 工 大 学摘 要 设 计 了 一 种 焊 接 质 量 参 数 自 调 整 模 糊 与 积 分 的 混 合 控 制 器 , 并 用 摄像 机 正 面 拍 摄 熔 池 图 象 的 计 算 机 视 觉 传 感 方 法 对 焊 缝 熔 宽 进 行 实 时 控 制 。 试 验 表 明 , 该系 统 具 有 良 好 的 控 制 特 性 , 能 获 得 较 满 意 的 控 制 效 果 。关 键 词 焊 接 熔 宽 模 糊 控 制序 言对 于 钨 极 氢 弧
2、 焊 焊 缝 熔 宽 的 控 制 , 可 以 通 过 控 制 焊 接 电 流 的 变 化 来 达 到 控 制 熔宽 的 目 的 因 受 各 种 随 机 因 素 的 影 响 , 用 传 统 方 法 建 立 起 来 的 这 一 过 程 的 数 学 模 型 是 很 粗 糙的 , 难 以 准 确 描 述 其 系 统 特 性 。 而 且 该 过 程 是 参 数 缓 慢 变 化 的 时 变 过 程 , 若 采 用 常 规 的 控制 , 则 将 随 着 参 数 的 改 变 而 偏 离 最 佳 调 节模 糊 控 制 是 基 于 模 糊 理 论 的 一 种 新 的 控 制 方 法 。 目 前 已 经 在 生 产
3、 过 程 、 智 能 设 备 及 交 通 管理 等 方 面 获 得 了 应 用 , 并 取 得 了 良 好 的 控 制 效 果 。 在 焊 接 领 域 中 的 研 究 与 应 用 也 取 得 了 一 定的 进 展 。 本 文 采 用 面 阵 摄 像 机 从 焊 缝 正 面 拍 摄 熔 池 图 象 , 并 用 微 机 进 行 图 象 处 理 而 获 取熔 宽 信 息 。 针 对 熔 宽 的 控 制 , 设 计 了 参 数 自 调 整 模 糊 与 积 分 的 混 合 控 制 系 统 工 艺 试验 的 结 果 表 明 , 该 系 统 具 有 良 好 的 控 制 特 性 和 控 制 效 果 。试 验
4、装 置带 有 视 觉 传 感 器 的 焊 炬 由 行 走 机 构 带 动 做 平 面 运 动 摄 像 机 以 度 俯 角 直 接 拍 摄 熔 池 区域 所 摄 图 像 的 视 频 信 号 通 过 图 像 处 理 卡 转 换 成 数 字 量 , 数 值 一 代 表 了 不 同 的 灰 度值 每 个 图 像 的 像 元 对 应 一 个 灰 度 值 并 由 此 组 成 了 的 灰 度 矩 阵 。 由 微 机 对 该 灰 度 矩阵 的 处 理 , 得 到 所 需 图 形 的 几 何 尺 寸 。 试 验 中 采 用 锯 齿 型 的 搜 寻 方 法 来 解 决 熔 池 图 像 含 有 断点 情 况 下 的
5、 熔 宽 信 息 获 取 问 题 , 以 便 充 分 利 用 整 幅 图 像 的 信 息 , 提 高 熔 宽 信 息 获 取 的 准 确度试 验 中 所 用 的 弧 焊 电 源 为 场 效 应 管 逆 变 电 源 采 用 电 压 和 电 流 的 反 馈 来 获 得 所 需 的 外 特性 和 动 特 性 , 并 通 过 控 制 算 法 , 以 获 得 优 良 的 静 、 动 特 性期 钨 极 氢 弧 焊 焊 缝 熔 宽 模 糊 控 制 系 统 设 计控 制 系 统 设 计控 制 系 统 原 理焊 缝 熔 宽 模 糊 控 制 系 统 的 原 理 图 如 图 所 示 图 中 为 给 定 熔 宽 ,
6、为 实 际 熔 宽 由 图可 见 , 该 系 统 是 一 个 典 型 的 串 级控 制 系 统 , 它 对 二 次 干 扰 有 较 强 滚的 克 服 能 力 , 对 操 作 条 件 的 变 化也 有 一 定 的 自 适 应 性 。 模 糊 控 制器 和 弧 焊 逆 变 电 源 的 调 节 器输 出 的 限 幅 作 用 , 使 得 熔 宽 在 大偏 差 时 控 制 系 统 是 甲 个 “ 时 间 最 优 ”系 统 , 从 而 加 速 偏 差 的 消 除 而 在下 翌 掣图 控 制 系 统 原 理 框 图航 里瑰 以 业 面 卿 朋 以 翻 加 声 加 对 沙熔 宽 处 于 小 偏 差 时 , 控
7、 制 系 统 是 一 个 “ 随 动 ” 系 统 , 以 期 消 除 静 差参 数 自 调 整 原 理本 文 所 设 计 的 参 数 自 调 整 模 糊 与 积 分 控 制 器 , 采 用 精 确 量 积 分 形 式 , 可 以 消 除 极 限 环 振 荡 现象 。 其 结 构 如 图 所 示 。 图 中 , 、 为 量 化 因 子 , , “ 分 别 为 积 分 因 子 和 比 例 因 子 。 误 差 五 和课 差 变 化 率 的 模 糊 语 言 变 量 分 别 为 有 控 制 经 验 规 则 采 用 常 用 的 耐 规则 日 。 参 数 自 调 整 的 思 想 就 是 当 或 较 大 时
8、, 缩 小 云 和 , 降 低 大 误 差 范 围 的 分 辨 率 , 以获 得 平 缓 的 控 制 特 性 , 保 证 系 统 的 稳 定 性 同 时 放 大 灿 和 缩 小 徕 减 小 超 调 , 改 善 动 态 性能 当 或 较 小 时 , 系 统 正 接 近 稳 态 , 则 放 大 和 , 提 高 系 统 对 小 偏 差 的 分 辨 率 , 提 高控 制 的 灵 敏 度 同 时 缩 小 瓜 和 放 大 阶 加 强 积 分 作 用 , 使 系 统 尽 快 进 人 稳 态 精 度 范 围 内 。 设 放大 和 缩 小 的 倍 数 相 同 , 其 语 言 变 量 取 为 高 放 , 中 放
9、, 低 放 , 不 变 ,小 缩 , 中 缩 , 大 缩 等 模 糊 子 集 , 取 其 论 域 为 , , , , , ,一 州 土 叠介竺。 二 川 舞 卜 月 议 刁 知 砰 场 丰口 一 州 一 、 一图 参 数 自 调 整 模 糊 控 制 器 结 构 方 框 图瑰 以 业 曲 脚 健 妇 【 一 加 血 啥 云 忆 叮 “ 娜 加 刃 份则 , 的 隶 属 度 赋 值 表 如 表 所 示 。 参 数 修 改 规 则 如 表 所 示 再 按 模 糊 推 理 合 成 规 则 进 行 运算 , 采 用 最 大 隶 属 度 法 进 行 模 糊 判 决 , 可 推 出 参 数 修 改 表 表参
10、 数 自 调 整 的 标 法 是 , 先 以 原 来 的 和 对 和 进 行 量 化 , 查 修 改 表 得 出 参 数 应 放大 或 缩 小 的 倍 数 , 计 算 , , , , 然 后 用 新 参 数对 和 再 进 行 量 化 , 再 查 控 制 表 , 求 出 控 制 量 与 艺 相 叠 加 后 , 输 出 到 弧 焊 电 源 。焊 接 学 报 卷表 隶 属 度 表决 业 方 七 闻 加 晚表 参 数 修 改 规 则 表恤 晓 心 叨 长 自 甘 日 知 山 妞 创 晚丫丫丫人人一一 ,通通 石石石石减减减 邢邢弓弓八咫咫咫刀刀 已已表 参 数 修 改 表加 翻 短 口 叨 介 加 翻
11、 触毕毕毕 一 一 一 一 一 一一一 一一一 夕夕 一一一一一一一一一一万万 一工 艺 试 验 及 结 果 分 析试 件 形 状 如 图 所 示 , 其 厚 度 为们 。 。 。 试 件 形 状 表 征 试 件 散 热 条 件 是 连 续 变化 的 试 验 是 在 条 件 下 进 行 的 。 氢 气流 量 为 焊 接 电 压 , 焊 接 速 度 为了 , 分 别 采 用 控 制 器 、 模 糊 与 积分 混 合 控 制 器 以 及 参 数 自 调 整 的 模 糊 与 积 分按 制 器 进 行 了 试 验 对 比 其 结 果 分 别 如图 、 图 和 图 所 示 。卜 一 一 一 一 一 一
12、一 一 一 一 一 一 州图飞试 件 尺 寸 示 意 图如 拍 函 陷 说 甲 山 袄 ,期 钨 极 氢 弧 焊 焊 缝 熔 宽 模 糊 控 制 系 统 设 计一 夕 , 嗽 , 一 。 元 犷 一 而 一 不 厂 万 石 丽 一 毛 , 一 图 采 用 控 制 器 熔 宽 与 焊 接 电 流 变 化 曲 线飞 , 汾 咐 山 日 。 盯 成 阅 臼 妙巴 俪 硕 份 】 灿广“、刁 叮 一 万 功 图 模 糊 与 积 分 混 合 控 制 器 控 制 的 熔 宽 , 电 流 的 变 化 曲 线瑰 ” 活 笼 , 币 山 由 川 。 即 助 勿 云 瓜 川 如 峡 卿 以 门 臼 川“二 已于
13、一 飞 羔 一 苏 , 职 一 击 图 参 数 自 调 整 模 糊 与 积 分 混 合 控 制 器 控 制 的 熔 宽 , 电 流 的 变 化 曲 线一 翔 记 川 司 。 盯 曰 吐 助 勿 碑 川 翻 长 自 甘 列 一 。 而 飞 云 亿 叮 回 加 魄 间 。 阅 亩 曰 匕的肠别犯 ,材珑由 图 可 见 , 采 用 熔 宽 闭 环 控 制 的 焊 接 过 程 , 焊 接 电 流 根 据 试 件 散 热 条 件 的 变 化 实时 修 正 其 大 小 , 以 期 获 得 一 致 的 熔 宽 。 但 不 同 的 控 制 器 , 其 控 制 效 果 是 不 一 样 的 。 控 制 器 的控
14、制 效 果 较 差 。 调 节 焊 接 电 流 的 速 率 小 , 熔 宽 最 大 偏 差 达 到 巧 个 象 素 , 且 在 试 件 的 “ 并 颈 ” 区段 , 熔 宽 偏 差 一 直 处 于 较 大 的 状 态 模 糊 与 积 分 混 合 控 制 器 的 控 制 效 果 要 好 一 些 。 调 节 焊 接 电流 的 速 率 比 控 制 器 要 快 一 些 。 熔 宽 最 大 偏 差 为 个 象 素 , 在 经 过 “ 瓶 颈 ” 区 时 熔 宽 偏 差 不大 参 数 自 调 整 模 糊 与 积 分 混 合 控 制 器 的 控 制 效 果 比 较 满 意 。 调 节 焊 接 电 流 的 速
15、 率 较 快 , 熔宽 最 大 偏 差 为 个 象 素 , 且 在 “ 并 颈 ” 区 熔 宽 偏 差 小 , 获 得 了 熔 宽 较 为 一 致 的 焊 缝 。焊 接 学 报 卷另 外 应 说 明 的 是 , 在 图 一 中 均 可 发 现 , 在 焊 接 刚 开 始 段 , 出 现 熔 宽 增 大 , 焊 接 电 流 下降 的 现 象 。 这 是 由 于 在 引 弧 之 后 , 焊 炬 在 原 处 停 留 了 一 段 时 间 , 热 量 积 聚 而 引 起 熔 宽 增 大视 觉 传 感 器 检 测 到 这 一 变 化 , 各 个 控 制 器 均 使 焊 接 电 流 减 小结 论本 文 所
16、设 计 的 参 数 自 调 整 模 糊 与 积 分 混 合 控 制 器 既 具 有 响 应 快 , 超 调 小 的 特 点 , 又 具有 积 分 控 制 精 度 高 的 效 果 。 消 除 了 极 限 环 振 荡 现 象 , 表 现 了 一 定 的 自 适 应 能 力 。 试 验 表 明 , 该控 制 器 与 其 他 两 种 控 制 器 相 比 较 , 具 有 鲁 棒 性 适 应 性 较 强 的 优 点 。本 文 所 建 立 的 控 制 系 统 具 有 一 定 的 通 用 性 , 其 控 制 方 案 、 结 构 和 思 路 对 于 其 他 焊 接 过程 的 控 制 有 一 定 参 考 价 值 。卯 一 一 初 稿 望 火 一 一 修 改 稿参 考 文 献贺 剑 峰 , 黄 石 生 模 糊 控 制 的 新 近 发 展 控 制 理 论 与 应 用 , 哭 科 , 一金 以 慧 主 编 过 程 控 制 北 京 清 华 大 学 出 版 社 , 卯 , 一为 阳 山 刃 助 乡 扣 】 仁 址 叱 ,一】玉 京 刀
