《CO2焊接电流波形的模糊控制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CO2焊接电流波形的模糊控制（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、COCO2 2焊接电流波形的模糊控制焊接电流波形的模糊控制吴爱国 李特一 黄瑞祥 袁 浩摘要摘要 根据减少 CO2焊接过程飞溅对焊接电流波形的要求，提出双 模糊控制方法，并在 LINCOLN 逆变焊机上进行实验，证实了控制方法的 可行性，达到了抑制 CO2焊接飞溅率的目的。关键词：关键词：CO2焊接 模糊控制 飞溅The Fuzzy Control of Current Waveform in CO2 WeldingWu Aiguo Li Teyi Huang Rixiang Yuan Hao (Tianjin University 300072 China)Abstract Accordin
2、g to the welding current waveform requirement from suppression of CO2 welding spatter,the double-model fuzzy control strategy is employed,which is also test in LICONLN inverting welder.The result approves the effectiveness of the control strategy,and the expected suppression of CO2 welding spatter i
3、s achieved.Keywords:CO2 welding Fuzzy control Spatter1 1 前言前言目前我国的焊接设备与技术同国外相比还有相当距离，表现在设计 能力落后且制造工艺水平低。由于对焊接过程的电弧物理本质认识不足， 产品设计一般均采用简单的类比方法或采用经验公式。国内焊接界大部 分仍着眼于逆变器的工作原理及可靠性的研究，而对逆变器的综合控制 尚未涉及，所以 CO2焊接过程飞溅率高的问题始终没有得到很好的解决。 因此必须搞清 CO2焊接产生飞溅的原因，从而采取有效地降低飞溅率的 控制方法，才能根本解决问题。本文正是基于此目的，提出了一种新的 控制方法。2 2 理想
4、焊接电流波形的给出理想焊接电流波形的给出CO2气体保护焊是一种高效节能、优质的焊接工艺。据统计，CO2气 体保护焊比手工电弧焊节电 1/21/3。在生产率方面，CO2焊的生产率 比手工电弧焊高 12.5 倍，且成本低。若采用逆变式 CO2焊机其效率还 可提高，因此对 CO2气体保护焊进行研究是十分必要的。但是，CO2焊本身的性质决定了该种方法飞溅严重，直接影响工件 表面的质量和光洁度，焊缝成形差，恶化工作环境，并造成焊接材料的 浪费。因此，如何解决这个问题是目前焊接行业的重要课题之一。本文提出一种实用的电流控制波形如图 1 所示。在检测到短路的瞬间不使它急速增长，而是降低电流，以减少飞溅；在达
5、到短路峰值(即 缩颈)的瞬间，也降低电流，使熔滴在表面张力的作用下自由过渡到熔 池，从而减少飞溅的产生。图 1 抑制飞溅的 CO2焊电流理想波形示意图 Fig.1 The ideal current figure of suppression of CO2 welding3 3 双模模糊控制系统双模模糊控制系统所谓双模模糊控制系统是一种开关控制与模糊控制相结合的双模控 制方法，图 2 是双模模糊控制系统的结构框图。图 2 双模模糊控制系统框图 Fig.2 The system block of double-model fuzzy control当控制开始时，偏差 e 较大，即当eEM时(EM
6、为双模控制 时 e 的边界值)，系统的控制量取+Um或-Um，实行非线性的开关控制；当 偏差 e 逐渐减少，小于预定的转换边界值(eEM)时，便进行程序切 换，实行模糊控制。这样我们既能加快过渡过程，又能保证系统超调小， 从而取得良好的调节品质。下面我们主要讨论模糊控制系统的建立。模 糊控制过程的框图如图 3。图 3 模糊控制系统框图 Fig.3 The system block of fuzzy control(1)首先将被控对象的输出参数由精确量转换成模糊量。(2)运用模糊逻辑对模糊量进行推理，做出决策，并输出模糊控制 量。(3)将这些模糊量再转换成精确量对被控对象进行调整。在 CO2短路
7、过渡过程中，分为燃弧段和短路段，根据要求，在燃弧 段采用恒压控制策略，在短路段采用带阶段判别(短路瞬时判别和缩颈 判别)的恒电流上升率控制的策略，因此在燃弧段，输入的模糊量为电弧电压和电压变化率 d；短路段为焊接电流和电流变化率 d；输出都采用模糊量占空比变化量。把上面的量都转化为-6，+6之间变化的连续量，又把- 6，+6之间变化的连续量分为以下 7 档： “正大”(PL)；“正中”(PM)；“正小”(PS)；“零”(O)；“负小” (NS)；“负中”(NM)；“负大”(NL)。对应这 7 个模糊子集的论域为-6，-5，-4，-3，-2，- 1，0，1，2，3，4，5，6。语言变量的隶属函数
8、取人们常用的正态分 布函数式中 a数学期望b方差 通过实验调整得到以下的隶属函数表。表表 1 1 模糊集合隶属函数表模糊集合隶属函数表 Tab.1 The membership function table of fuzzy sets E,C,D -6-5-4-3-2-1 0123456 NL10.8 0.4 0.1000000000 NM0.2 0.7 CO2 0.7 0.200000000 NS000.2 0.7 CO2 0.7 0000000 O000000.5 1 0.500000 PS0000000 0.7 CO2 0.7 0.200 PM000000000.2 0.7 CO2 0.
9、7 0.2 PL0000000000.1 0.4 0.81在此我们采用输入二维，输出一维的模糊控制器结构。对于这种类 型的模糊控制器，其语言推理形式为 式中 被控量的实际值 x 对其期望值 x0的偏差 e=x-x0的模糊子集偏差变化率的模糊子集输出控制量的模糊子集这种模糊条件语句可以归结为一个模糊关系根据模糊数学理论，此处“”运算的含义由下式定义根据模糊推理合成规则，输出的控制量为即这样，若已知输入、和输出，我们就可以根据上述规则把相应的模糊关系求出来；反之，若系统的模糊关系为已知时，我们就可以根据输入、而求出输出控制量。模糊判决采用普通加权平均法，其执行量 umax由下式决定由于 CO2短路
10、过渡过程是极快的过程(100Hz 左右)，而对其实施控制的 时间量级至少为几十 s，因此在线地进行模糊推理的矩阵运算和模糊 判决在目前的硬件条件下是不可能的，所以在通过大量的离线计算和实 验仿真的基础上，得到两个模糊控制表，表 2 为恒压控制的模糊控制表， 表 3 为带阶段判别的恒电流上升率控制的模糊控制表。这样，在控制过 程中只要把输入量模糊化，通过简单的查表操作就能得到控制量，保证 了控制的及时性。表表 2 2 恒压控制模糊控制表恒压控制模糊控制表 Tab.2 The fuzzy control table of constant voltage control dV U V-6-5-10
11、156-60.10.080.020.010.008 0.0010 -50.080.080.020.010.008 0-0.001 -10.020.01 0.0020.0010 -0.006 -0.008 00.010.008 0.0010-0.001 -0.008 -0.01 CO2 0.008 0.006 0-0.001 -0.002 -0.01-0.02 50.0010 -0.008 -0.01-0.02 -0.08-0.08 60-0.001 -0.008 -0.01-0.02 -0.08-0.1表表 3 3 带阶段判别的恒电流上升率控制模糊控制表带阶段判别的恒电流上升率控制模糊控制表
12、Tab.3 The fuzzy control table of constant current rate of climb with the stage distinguished d I U I-6-5-10CO256-60.150.10.040.010.008 0.0010 -50.10.10.020.010.008 0-0.001 -10.040.01 0.0020.0010 -0.006 -0.008 00.010.008 0.0010-0.001 -0.008 -0.01 10.008 0.006 0-0.001 -0.002 -0.01-0.04 50.0010 -0.008
13、-0.01-0.02 -0.1-0.1 60-0.001 -0.008 -0.01-0.04 -0.1-0.154 4 模糊控制的实现模糊控制的实现本实验采用美国林肯电气公司生产的 INVERTECTMV300-1 焊机，其原 理框图如图 4 所示。本设计的控制系统是在图 4 的控制系统框图上，把 原电路的模拟控制部分用 MCS-8098 单片机研制的模糊控制电路代替， 输入仍为电弧电压和焊接电流，输出为控制 UG3847 第 5 脚的模拟电压 信号，通过调节输出占空比来进行控制，而系统的其他部分则暂不改动， 以检验本控制方案的可行性和焊接效果。图 4 INVERTECTMV300-1 焊机
14、CO2焊接时的控制系统结构框图 Fig.4 The control system block of INVERTECTMV300-1 welder while CO2 welding本实验选用 MCS-8098 单片机系统，改用寄存器-寄存器结构，提高 了操作速度和数据吞吐能力，采用 12M 晶振时，一条指令的最短时间为 1s。另外，MCS-8098 具有四个通道的内部 10 位 A/D 转换器，采用 12M 晶振时，采样周期为 22s，对于本模糊控制系统，由于有两个量 要采集，因此一个控制周期为 44s，与仿真设计的控制频率基本相符。 D/A 采用 DAC0832，经实验验证，能够满足本系统
15、的要求。经仿真结果和实验调整，对于双模模糊控制的模糊论域选取采用：(1)燃弧过程的恒压控制，电弧电压的模糊控制论域是3V。(2)短路过程的带阶段判别的恒电流上升率控制，焊接电流的模糊 控制论域是30A。(3)输出控制占空比的模拟信号的模糊控制论域是0.5V。模糊控制表只是在仿真结果表 2 和表 3 的基础上乘上了一个系数， 变化不大，这里就不重复给出了。5 5 实验结果实验结果图 5 所示为模糊控制下 CO2短路过渡焊的电弧电压和焊接电流波形 的实拍照片，图 6 为把一个短路过渡过程放大的实拍照片(上为电流， 下为电压)。其中，检测到短路发生和缩颈形成后实施控制都有一个延时，这与检测滤波以及控
16、制频率有关，可以看出，实际波形与设计思想 基本一致，在实际系统中，短路瞬间抑制电流的延时为 0.24ms，缩颈形 成后抑制电流的延时为 0.3ms。由波形的对比可以得出，把模糊控制应 用在实际的 CO2焊接过程中是可行的。图 5 模糊控制下的电流电压波形 Fig.5 The current and voltage waveforms with the fuzzy control图 6 电流电压波形放大 Fig.6 The amplified waveforms of current and voltage本设计的初衷是为了减少 CO2焊过程中的飞溅率，为了说明此方案 的有效性，做了以下对比：在同一规范下：焊丝直径 1.2mm；送丝速度 3.4m/min；工作电压 20V。用同一台逆变焊机进行焊接实验，采用称重法进行飞溅率的检测 及对
