毕业设计（论文）-焊缝自动跟踪系统执行机构的设计.doc

南昌工程学院本科毕业设计（论文）南昌工程学院毕业论文设计机械与电气工程系（院）材料成型及控制工程专业毕业设计（论文）题目焊缝自动跟踪系统执行机构的设计学生姓名： 班 级： 学 号： 指导老师： 完成日期 二零一五 年 五 月 日 焊缝自动跟踪系统执行机构的设计 Weld automatic tracking system design of the actuator 合计 毕业论文 页 表 格 个 插 图 幅摘要近20年来，随着数字化，自动化，计算机，机械设计技术的发展，以及对焊接质量的高度重视，自动焊接已发展成为一种先进的制造技术，自动焊接设备在各工业的应用中所发挥的作用越来越大，应用范围正在迅速扩大。在现代工业生产中，焊接生产过程的机械化和自动化是焊接机构制造工业现代化发展的必然趋势。本文研究的是传感器前置式焊缝自动跟踪系统执行机构的设计，整个论文设计主体由三个主要部分组成：（1）光电传感器部分。（2）执行机构的控制部分。（3）执行机构的设计三个部分。论文中设计的控制系统是基于 MSC-51 的单片机系统，焊缝自动跟踪执行机构系统由焊接小车和双十字滑架两部分共同组成。本论文中系统的执行机构采用的是小车配合双十字滑架的模式，同时建立了相应的数学模型，设计了符合系统要求的模糊-PID 控制系统来共同妥善的解决焊缝自动跟踪系统的整体要求。论文中模糊-PID 控制系统的设计思想是实行开关切换控制的方式，在大误差范围内采用 PID 控制，在小误差范围内则转换成模糊控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的误差范围自动选择切换。经过仿真研究结果表明，该模型的优点是：（1）设计机构简单可靠。（2）跟踪精度高。（3）操作简单易行。 经过对此机构进行的实际焊接实验数据与仿真所得出的结果分析表明：光电传感器式焊缝自动跟踪系统执行机构总体上达到了设计目标要求，论文同时建议可以在论文所设计的执行机构的基础上进行深入的探索与研究，以此来实现将此机构应用到工业生产中取得效益并且解决工业生产中遇到的问题的要求。关键词: 焊缝自动跟踪 执行机构 光电传感器 模糊-PID 控制系统AbstractOver the past 20 years, with the digitization, automation, computer, mechanical design and technology development, and attaches great importance on the quality of welding, automatic welding has been developed into a kind of advanced manufacturing technology, automatic welding equipment in the industrial application of the role played by more and more big, range of application is expanding rapidly. In the modern industrial production, welding production process of mechanization and automation is the inevitable developing trend of manufacturing industry modernization.This paper studies the sensor superposed weld automatic tracking system design of the actuator, the paper design the main body is made up of three main parts: (1) the photoelectric sensor. (2) the control part of the system. (3) actuator design three parts. In the paper the design of control system is based on MSC - 51 single chip microcomputer system, weld automatic tracking system by the welding carriage actuator and double cross slide rack two parts together. This thesis system of actuators is the car with double cross slide plane model, at the same time establish the corresponding mathematical model, designed to meet the requirements of system fuzzy - PID control system to properly solve the weld automatic tracking system of the overall requirements. Paper fuzzy - PID control system design is the way of switch control, PID control in big error scope, in a small range of error term is transformed into fuzzy control, the conversion by microcomputer program according to the given error range automatic switching in advance. Through the simulation results show that the model: (1) the design organization of the method is simple and reliable. (2) tracking precision is high. (3) the operation is simple.Through institutions for the actual welding experiment data and the results obtained from the simulation analysis shows that the photoelectric sensor actuator type weld automatic tracking system overall achieves the design goal, thesis also suggested in the paper on the basis of the design of the actuator in-depth exploration and research, in order to achieve this applied to industrial production with efficiency and solve the problems in the industrial production requirements.Keywords: weld automatic; tracking photoelectric; sensor actuator; fuzzy - PID control system 目录摘要 IABSTRACT II第一章 绪论 11.1 选题依据及课题意义 21.2 课题的国内外研究现状 3 1.2.1 焊缝自动跟踪技术综述 4 1.2.2焊缝跟踪系统的传感器发展情况介绍 5 1.2.3焊缝自动跟踪系统的控制理论发展情况介绍 61.3论文本章节小结 7第二章 光电传感器的设计 2.1 光电传感器的组成元器件介绍 2.2 光电传感器的电路设计思路 2.3 传感器元件的选择和工作特性 2.4 光电传感器的工作原理 2.5 影响光电传感器工作的因素 2.6本章小节 第三章 焊缝自动跟踪系统的整体组成和执行机构的设计3.1 焊接小车和执行机构 3.2 单片机系统设计论述 3.3 本章小结 第四章 焊缝自动跟踪控制系统 4.1 焊缝自动跟踪系统的控制原理 4.2 焊缝自动跟踪系统的模型构思 4.3 焊缝自动跟踪过程的分析与数学建模的建立 4.4 系统控制器的设计 4.5 Fuzzy-PID 复合控制器模型 4.6 模糊控制器设计部分 4.6.1模糊控制器的原理和结构 4.6.2模糊语言变量的选择 4.6.3模糊控制规则的建立 4.7 PID 控制器4.8 本章小节第五章 结论与分析 5.1 焊缝自动跟踪系统执行机构的研究结论 5.2 进一步研究的建议 参考文献致谢 第一章 绪论1.1 选题依据及课题意义焊接是应用到很多综合知识的技术，包含了焊接冶金，焊接材料分析，焊接过程控制等等诸多方面的知识，因此具有多学科知识相互融合的特点。研究焊接自动化，实现焊接自动化生产，不仅可以帮助我们提高生产力，改善产品质量，提供稳定的焊接产品质量，而且对于焊接从业人员来说，也是改善了劳动强度和工作环境，对焊接从业人员的身心健康也有了极大的保证。焊接自动化主要表现为焊接过程中控制系统的智能化，焊接生产系统的柔性化及一体化。焊接自动化系统不仅能提高生产效率，保证焊接质量的一致性和稳定性，降低劳动力成本，而且代表了一个国家工业自动化水平的发达程度。 所以自20世纪80年代后，我国非常重视对焊接技术的研究，把实现焊接生产机械化，自动化作为国内工业生产的战略目标。焊接自动化的优点主要体现在以下三个方面:(1) 改善工人的工作条件：由于焊接过程会产生强烈的热弧光和烟尘，从而导致现场工作环境恶劣，给工人的身体健康带来很大影响，采用焊接自动化技术将工人从手工焊接的恶劣环境中摆脱。(2) 提高产品质量： 因焊接过程中不可避免地存在待焊工件下料加工及装配的误差，且焊接热过程引起的变形难以事先预料，因此给定轨迹的目标控制( 或程序控制) 方式不能达到预期目标，具有焊缝自动跟踪能力的智能控制系统是今后发展的重点。(3) 提高劳动生产率：手工焊接的效率很低。据统计，工人实际焊接的时间不足其工作时间的40%。 自动焊接系统的生产效率远远高于手工焊接，这是因为与示教型和程序控制焊接系统相比，它能够省去繁重的示教工作及事前的编程工作，同时对工件加工精度和装配精度的要求也降低了，从而可以有效提高生产效率。目前，我国和国内外行业中对焊接自动化的研究主要集中在以下几个方面：（1）焊接机器人系统的多自由度开发。（2）焊接机器人具有焊缝智能识别与跟踪的功能系统的研究。（3）多个机器人共同组成的焊接柔性制造系统。（4）在机器人智能识别领域，国内外目前已经出现了比较成熟的以电弧传感器和光电传感器为典型的系统。（5）提高焊接自动过程中的误差精度控制系统研究。如今,社会和科学的逐渐发展成熟，老百姓对一件产品不仅仅只是停留在使用的需求上,可能会对产品质量和使用持久提出更高的要求。因此，要想使得产品符合人民的使用需求，必然对焊接水平提出更高的要求，高效化、自动化、智能化、柔性化的焊接发展方向势不可挡。 那么，本论文中选择了光电传感器式智能焊缝跟踪系统进行研究，对焊缝自动跟踪系统的执行机构进行了设计和改进方面的诸多研究。那么论文中所设计的光电传感器式智能焊缝跟踪系统的执行机构与其他的系统进行比较，论文总结出一些优点如下：（1）关于选择传感器之所以选择光电传感器是由于考虑到此类型传感器的优点是跟踪焊缝的精度高，实时焊缝动态响应迅速，信息全面并且丰富。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，它的工作原理是首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，此光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电式传感器的分类也是不一而足的，具体的分类是：按接收器件的特征分类可分为单点式光电传感器和图像传感器两大类，两者的区别如下：（1） 接收元件方面:单点式的传感器是以单个或几个分支光电器件为接收元件，图像传感器是以集成光电器件(如 CCD、PSD 等)为接收元件。（2） 工作原理方面：单点式光电传感器以人工辅助线塑料胶带，白漆线等、坡口面或坡口棱边作为跟踪基准，通过人工辅助线获得跟踪信号，从而实现焊缝跟踪。而图像传感器则不一样，图像传感器是利用光电器件的光电转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的“图像”电信号的一种功能器件，也就是图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成“图像”电信号。（3） 两者优缺点方面：单点式光电传感器还有许多其它形式，其结构和控制电路都比较简单，成本低，容易产业化。图像传感器具有体积小、重量轻、析像度高、功耗低和低电压驱动等优点。经过权衡这两种传感器的优缺点和工作原理等问题之后，论文中决定采用单点式光电传感器作为满足论文设计所需的传感器。（2） 控制系统方面 由于焊接过程的特殊性，其往往表现为一些复杂的非线性系统，难以找到合适的数学物理模型，对此传统的控制方法就容易显现出它自身的局限性。因此，在自动焊接过程如何模仿人类特有的智能来实现复杂的焊接控制是目前和将来焊接自动化研究的重要方向。关于选择人工智能方法的问题，我们知道在焊缝跟踪研究领域涉及的人工智能方法主要有模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法三种。在现代我们运用最多的是模糊控制方法。这是因为模糊控制方法的优点是可以不需要建立被控对象的精确数学模型，这种方法是一种基于规则的非线性控制方法。它所采用的语言型控制规则是基于现场操作人员的控制经验或相关专家的知识。因此，在处理一些复杂性、不确定性问题的性能方面，就单一方法来讲，相对于传统经典控制方法，选择模糊控制方法要更加的合适。但是，任何一种人工智能方法都不可能尽善尽美，模糊控制的方法也不例外，一定有其必然的缺点或者说不适应的地方。由于模糊控制表的量化等级有限，造成这种方法的测量精确度不高，自适应能力局限范围较大和容易产生震荡现象的情况产生等缺点。那么为了解决选用模糊控制的人工智能方法所带来的精确度不高等问题，论文中考虑了一种方案来解决这个问题：即同时选用另外一种人工智能方法，其优点正好可以补充模糊控制方法所不能适应的地方，即是把两种控制方法综合起来应用：即模糊控制-PID 复合控制方法。最常见的一种就是 Fuzzy-P 双模控制方法。这种复合控制方法的原理是：在大偏差范围内采用经典比例控制，而在小偏差范围内则采用模糊控制，二都之间的转换由程序根据事先给定的误差范围自动转换来实现。这种改进的控制方法的优点主要是：在大误差范围内比例控制可以进行高速的纠编，而在小偏差范围内模糊控制则可以很好的消除稳态误差。因此，它可以提高控制的速度和控制的稳态性能。1.2 课题的国内外研究现状1.2.1焊缝自动跟踪技术综述当焊接材料及工艺设备发展到一定水平后,人们已意识到,要进一步提高焊接质量与效率及改善劳动条件的根本出路在于焊接过程自动化。对于电弧焊,影响焊接质量有多种因素,然而保证不焊偏则是必要条件,因此焊缝自动跟踪成为焊接过程自动化的首要问题,应用焊缝自动跟踪技术可避免的好处有三个方面：(1) 避免由于焊偏造成的未焊透等缺陷。(2) 减少焊接电孤的高温与光辐射对操作者的影响。(3) 并可以减少焊接辅助时间。焊缝自动跟踪技术是保证焊接质量,实现焊接自动化的重要技术手段。焊缝自动跟踪系统从某种意义上说是很大程度上的智能控制系统，一般是由传感器、控制器、执行机构三大部分组成，构成一个闭环反馈系统，要想研究这样的智能系统,并让其实际发挥着作用，关键技术研究在于需要解决以下三个方面的问题：（1） 自动跟踪传感器方面：研究最佳的传感方式,使系统具有最强的实时性。（2） 控制器方面：设计功能强、成本低的控制器硬件,研究最合理有效的协调各自由度运动控制的原理与方法。（3） 执行机构方面：需要研究出最为合理的自由度配置形式及结构实现,以保证机构最为轻便、运动灵活。1.2.2 焊缝自动跟踪系统所需的传感器发展情况介绍由于各种因素的影响,实际的焊接条件经常发生变化。例如,由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、装夹精度、表面状态和工件热变形等影响会使焊炬偏离焊缝,从而造成焊接质量下降甚至失败。焊接条件的这种变化要求弧焊机器人能够实时检测出焊缝偏差,并调整焊接路径和焊接参数,保证焊接质量的可靠性。人们为了使得机器人在焊接过程中能实时地检测出焊缝的实际位置,开始了焊缝自动跟踪技术的研究。焊接过程自动控制系统首先要解决的问题是焊缝跟踪。经过几十年的研究和实践，焊缝跟踪技术已经取得了长足的进步，而新型传感器的不断出现正是这一进步的标志。焊接传感器是焊缝自动跟踪系统的关键组成部分。在整个系统中的作用是精确检测出焊缝的位置和形状信息并转化为电信号。控制系统之后再对信号进行处理，并根据检测结果，控制自动调节机构调整焊枪位置，从而实现焊缝自动跟踪。通过深入研究对比分析，本论文对当前各种类型的焊接传感器的原理及应用进行如下阐述：跟踪传感器从原理上来分有多种形式。其中比较重要的有接触式传感器、电磁传感器、直接式的电弧传感器和间接式的光电传感器。早期我们使用的是接触式传感器。这类传感器通过传感器与被焊工件的接触提取所需要的信号，分为机械式和机械电子式两种。前者是靠焊缝形状对导杆( 轮) 的强制力来导向，后者是当焊炬与焊缝中心线发生偏离时，导杆经电子装置发出信号，再控制驱动装置使焊炬及传感器恢复正确位置，此时传感器输出信号为零，从而实现焊缝的自动跟踪。机械电子式传感器按信号转换方式又分为机械开关式和机械差动变压器式和机械光电式三种。接触式传感器的特点:（1）工作可靠,不受电弧干扰。（2）成本低。（3）适用于各种焊接方法和各种金属材料的焊接场合，特别是在埋弧焊中得到广泛的应用。但这种传感器的缺点比较明显，使用过程中特别容易磨损，传感器所产生的变形情况也比较严重等，所以不适用于高速焊接。非接触式焊接传感器能够在不接触工件的前提下提取出焊枪相对于焊缝的偏差信号，根据传感器使用形式的不同又分为直接式和附加式两种。直接式是通过对焊枪本体进行改装使其完成信号提取的功能。附加式是在焊枪的前部安装专门的传感器以检测所需的信号，由于焊接过程中干扰大，一般都要采取一定的措施减少弧光，电磁噪声，气流等对传感器的影响。这类传感器具有检测信号种类广，使用灵活方便等优点，目前已成为主流，应用的广度和深度也将不断扩大。电弧传感器是典型的直接式传感器，其结构紧凑，有良好的动态品质及控制精度。各种类型的电弧传感器原来均是根据电弧的电流与电压的变化来获得焊缝横向与纵向的偏差信息。在焊接过程中只要焊炬到工件的距离发生了变化，电弧电流就会发生相应的变化，以维持原有的焊丝熔化率。因此，电弧电流的变化能够反映出焊炬高度的变化，通过传感器周期性的坡口扫描，就能从电流波形特性中获得实时的焊缝偏差信息，这就是电弧传感器的工作原理。电弧传感器以电弧本身为传感器，相对其它传感器来说，它结构更加简单，使用性能方便灵活。电弧传感器的优点是：(1) 能抗弧光，高温及强磁场能力很强。(2) 响应快。(3) 精度高。(4) 抗干扰强等特点。它的缺点如下：（1）只有在焊接过程中才有作用。（2）焊枪的摆动机构比较复杂。（3）电弧各参数间耦合性很强，实际得到的波形未达到预期的效果。（4）需要对所得的数据进行滤波，且控制量需要根据大量的实验经验来确定，对于无对称侧壁或根本无侧壁的接头形式，现有的传感器不能识别，也不能实现对焊接起始点与终止点的自动检测。声学传感器尤其是超声波传感器结构简单，精度高，价格便宜。超声波传感器主要由超声波发生和接收装置两大部分组成。超声波传感器的测量精度主要取决于超声波的频率，频率越高，误差越小，一般超声波的频率在 1.25-2.5MHZ。超声波传感器不易受焊接中的电磁、光、烟尘等干扰，但需要贴近工件，又对噪声比较敏感，因而容易受到噪声干扰，如 CO2焊接的应用中就有一定的限制。 光电传感器又可以分为基于分立光电元件的单点式光电传感器和能够获得坡口图像信息的视觉传感器两种。单点式光电传感器包括激光，红外传感器，一般用一个或几个光电接收管为检测元件。视觉传感器采用阵列接收元件，根据元件列数又分为线阵和面阵两类视觉传感器。视觉传感器的基本工作原理：利用辅助光源将光线照射到焊接工件的表面，反射光线被视觉传感器接收后就可获得焊缝的大部特征，此时传感器输出的信号一般为模拟信号，必须将其转化为数字信号才能由计算机进行处理，处理过程主要是对原始图像中的噪声，畸变等给以去除和修正，以便突出有用信息，抑制无用信息和改善图像质量。根据辅助光源形式的不同，焊缝跟踪视觉传感器可以分为基于结构光的视觉传感器和基于光点扫描的视觉传感器。与采用结构光的视觉传感器相比较, 采用光点扫描获得二维图像信息的视觉传感器的缺点是所使用的振镜结构复杂, 价格昂贵。论文中选取的这种单点式光电传感器相对视觉传感器来说，它的结构更加简单，对相应设备的要求条件没那么高，价格更加实惠，在满足跟踪精度要求的条件下，更容易实现产业化。光电传感器由于其特点,是焊缝自动跟踪系统中比较理想的传感器选择,尤其是采用点光源扫描,的确可作为一种既满足跟踪精度要求又简单可靠的有效方法,但这种传感器的缺点是采集的信息量相对视觉传感器要少，对实验的条件和环境要求较高，抗干扰能力有待提高。1.2.3 焊缝自动跟踪系统的控制理论发展情况介绍国外很多发达国家例如美国，日本，德国等国家在对焊接过程中的焊缝自动跟踪系统研究方面进行了长达数十年的研究和探索，已经取得了可观并且瞩目的成绩。在日本，1983 年，日本富士电机开创了模糊控制在日本的第一项应用水净化处理。日本的村中也上等人研制了基于模糊控制的焊缝跟踪系统，根据语言规则设计了模糊滤波器和模糊控制器，控制效果很好。1989 年日本将模糊控制应用于电冰箱、洗衣机、微波炉等消费产品上，把模糊控制的应用推向了高潮。美国在1965年，加州大学把经典集合与多值逻辑融为一体，用数字或函数表述和运算含有像“冷”、“热”之类纯属主观意义的模糊概念，创立了模糊集合理论，这就开创了模糊控制数学基础的研究。其后，出现了许多研究模糊集合理论和模糊逻辑推理的成果：（1）1968 年提出了模糊算法概念（2）1970 年提出模糊决策（3）1971 年提出模糊排序（4）1973年，L.A.Z 引入语言变量这个概念，提出模糊 if-then 规则来量化人类模糊语言的知识规则，建议把模糊逻辑应用于控制领域，从而奠定了模糊控制的理论基础。在我国，国内焊缝自动跟踪系统的发展情况也非常大好。国内焊缝跟踪领域方面，华南理工大学把神经网络技术应用于弧焊机器人中，利用神经网络在笛卡尔空间轨迹的补偿作用，设计出了一种基于笛卡尔空间轨迹调整的机器人焊缝跟踪神经网络控制器，这种控制器具有良好的控制特性和较强的鲁棒性，显著提高了弧焊机器人的焊缝跟踪精度。北方工业大学的殷际英研究了基于摆动式电弧传感器的焊缝跟踪方法，通过控制摆动的宽度和频率实现了焊缝偏差的提取。广东工业大学把 BP 神经网络应用在焊缝位置识别中，,使用视觉传感器采集焊接熔池图像,选取图像中熔池前端部分进行处理,先对其进行中值滤波与灰度变换,在此基础上,获取每一幅熔池图像的质心值、质心位移、质心速度及电弧与焊缝的偏差值作为训练样本数据。以质心值、质心位移和质心速度为输入量,以偏差值为输出量,利用 BP 神经网络建立其数学模型,最后对该模型进行检验，实验证明了有效性。清华大学的潘际銮院士及其领导的科研团队对旋转电弧传感器进行研究，设计了一种空心电动机式高速旋转扫描式电弧传感器，并对其机理和使用方法进行了研究。在现代，焊缝自动跟踪系统的控制理论发展已经日趋成熟，由于电子技术、计算机技术的发展和模糊数学、神经网络的出现，并将其应用到焊接这一复杂的不确定性的非线性系统，使焊缝跟踪跨入了一个崭新的朝代智能焊缝跟踪时代。目前，采用的控制方法主要可以分为经典控制方法和现代智能控制方法两大类，而经典控制方法主要有 PID 控制，现代智能控制方法则主要有模糊控制、神经网络、专家系统等等。(1)经典控制方法的发展应用情况综述经典控制方法中应用最普遍的是 PID 控制方法，这种方法的实质是检测出被控对象的某个或某些状态参数，与期望值进行比较，得出偏差值，输送到采用PID 算法设计的控制器中，得出控制量，控制执行机构的动作，从而减小甚至消除偏差。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。这种控制方法也是工程中较为成熟的一种方法。 常规 PID 控制也有许多不完善之处，其中最主要的问题就是 PID 控制器参数的整定问题，且一旦整定计算好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而实际中，由于实际系统参数等发生变化，而使系统很难达到最佳的控制效果。现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂，它不仅表现在控制系统具有多输入、多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性特性，而且从系统对象所能获得的知识讯息量也相对地减少，然而对控制性能的要求却日益提高。因此，采用常规PID 控制器难以获得满意的控制效果。它的发展趋势是与智能控制相结合，形成控制性能更优的复合控制。(2)模糊控制方法在焊缝跟踪中的发展情况综述模糊控制是基于丰富操作经验总结出的、用自然语言表述控制策略，或通过大量实际操作数据归纳总结出的控制规则，用计算机予以实现的自动控制。它与传统控制的最大不同，在于不需要知道控制对象的数学模型，而需要积累对设备进行控制的操作经验或数据。由于模糊控制是以人的操作经验为基础，而不依赖于控制系统的数学模型，实际上是把人的智能融入了控制系统，自然实现了人的某些潜能，所以它属于一种智能控制。(3)神经网络控制方法在焊缝跟踪中的发展情况综述人工神经网络控制是在研究人脑结构和功能的基础上，通过简化、抽象和模拟，建立神经网络模型，再通过相应的计算机系统，实现反映人脑结构和功能来处理问题的过程控制。神经网络擅长于从输入-输出数据中学习有用的知识，总结出规律性的东西。神经网络控制是把模仿人脑生理结构和工作机理的数学模型人工神经网络跟自动控制相结合的产物，它具有人脑可以并行处理信息、模式识别、记忆和自学习的能力，因而对于多维、非线性、强耦合和不确定的复杂系统能够很好地实现自动控制。神经网络控制技术的研究主要集中在以下几个方面：模糊神经网络的研究；模糊神经网络与遗传算法(GA)的结合；模糊神经网络与其他控制方法综台的选择；闭环系统稳定性的研究；新型神经网络和快速算法及其在控制系统中的应用的研究。尽管神经控制相对于常规控制在某些方面有无可比拟的优势,它可以用来处理常规控制方法难以处理的复杂非线性系统的控制问题，而这并不意味着对所有的非线性系统的控制问题，神经控制就一定比常规控制好。对有些可以用常规控制解决的非线性系统的控制问题，究竟采用哪一种方法好，目前尚无定论。因此，可将神经控制和常规控制用于相同的非线性系统，并对它们的控制效果进行比较研究。它可为人们选择合适的控制方案提供指导。目前，误差传播神经网络及 BP 网络是应用最广、且它的基本思想也最直观的，BP 网络的特点是进行误差逆传播，即根据网络的希望输出与网络实际输出之差的误差信号，由输出层经中间层向输入层逐层修正连接权及各单元的输出阈值，BP 算法在求误差函数的极小值，通过样本的反复训练并朝减少偏差的方向修改权值，直到达到满意的精度为止。在国外，英国利物浦大学的专家们进行了大量的关于人工神经质网络控制在TIG 焊接中的应用的研究，且取得了很好的结果。他们利用比较成功的焊接实验结果作为数据，建立了一个人工神经网络系统。该系统可以根据焊接参数对焊缝的质量进行较准确的预测判断。 国内外焊接界的研究者们对焊接过程中焊缝的自动跟踪技术进行了大量而且富有成效的研究，特别是在控制算法上进行了许多尝试工，从传统的控制算法到现代控制算法，以及目前比较受人们关注的模糊控制和神经网络算法都进行细致的研究，并获得了许多宝贵的应用成果。（4)复合控制方法在焊缝跟踪中的发展情况综述在很多情况下,单独采用一种控制方法都有不足之处,往往达不到理想的效果。如果采用上述两种或者三种方法复合的控制方法,则可以互补不足,得到很好的控制效果。 在实际的应用中,已有很多的例子证明了这种复合控制方法的优越性。例如：模糊数学- PID 复合控制方法、专家系统- PID 复合方法等等诸多复合控制方法。国内，南昌大学设计了一种基于神经网络结构的模糊控制器,并将它与 PID控制器相结合,动态的调整 PID 参数。系统根据技术人员的经验和知识,离线的进行学习,使得模糊神经网络掌握调节 PID 参数的规则,模糊神经网络根据系统的偏差和偏差变化率实时的对 PID 的三个参数进行优化。以电弧传感器作为对象,通过仿真试验,证明了在相同的 PID 算法下,此控制方法起到较好的效果,说明此算法是可行的。 综上论文中所论述的各个控制方法的优缺点如下：（1） 模糊控制方法的优点是在于模糊信息处理和决策方面的优势，能够妥善的解决非线性情况的数据处理。但其缺点即是对复杂对象的控制精度不够。（2） 神经网络控制方法的优点是：对于分布式储存的信息具有很好的自组织、自学习能力。但其缺点也比较明显的体现在需提高学习速度,避免局部最优而取得全局最优的效果。（3） 专家系统控制方法的优点是：善于逻辑性推理。但它的缺点在于学习速度方面比较慢,难以满足快速时变系统的控制要求。随着智能控制方法研究的不断深入,神经网络、专家系统、模糊控制己经开始相互渗透和结合,智能控制技术在焊接中的应用越来越广泛。如神经网络与模糊控制的结合,专家系统和神经网络的结合,以及模糊专家控制系统的应用等等。普遍认为,将专家系统作为自适应单元,将模糊计算作为决策单元而把神经网络作为补偿单元是目前智能控制发展最有潜力的方法。三者的结合使得控制系统具有更强的自适应、自学习、自组织和更好的控制品质。目前,在弧焊过程控制中,专家系统主要用于熔深和熔宽控制、电弧稳定性控制、焊缝跟踪和规范参数的专家知识优化等方面;模糊及其复合控制多用于电弧稳定性控制;模糊控制和神经网络结合多用于熔宽、熔深和焊缝跟踪上;神经网络利用其“学习”功能主要应用于熔深和熔宽的检测,再与模糊控制器结合,完成焊接质量和焊缝的跟踪。1.3 论文本章节小结论文中本章节主要介绍了以下几个方面的内容：(1) 关于选择此课题研究的现实意义和目前国内外对于此课题的研究现状。(2) 介绍了论文中选取光电传感器的实际考虑，并且详细介绍了应用于此课题的传感器的发展情况。(3) 详细的论述了焊缝自动跟踪系统的控制理论发展情况和焊缝自动跟踪的几种人工智能控制方法的优缺点比较以及叙述了论文中现实采用的跟踪系统的人工智能控制方法的考虑。(4) 最后介绍了下焊缝自动跟踪系统的执行机构的设计考虑情况。 第二章 光电传感器的设计2.1 光电传感器的组成元器件介绍 光电传感器核心组成元件主要由两部分组成：一部分是光源，也就是发光器件，一般使用发光二极管；一部分是对光源发出光的接受元件，也就是光敏元件，一般采用光敏三极管作为接受元件。之所以选择发光二极管作为光电传感器发光元件，那是考虑到发光二极管比传统的白炽灯相比较有几个优点：（1） 发光二极管没有灯丝会烧坏，所以寿命就更长。（2） 发光二极管的小小塑性灯泡使得发光二极管更持久耐用。（3） 发光二极管更加容易适合现在的电子电路。传统白炽灯的发光过程包含了产生大量热量。这是完全是浪费能源。除非你把灯当做发热器用，因为绝大部分有效电流并不是直接产生可见光的。（4） 发光二极管所发出的热非常少，相对来说，越多电能直接发光就是越大程度上减少对电能的需求。光敏元件有光敏二极管和光敏三极管两种。下面分别介绍下光敏二极管和光敏三极管的情况。光敏二极管是最常见的光电传感器发光元件。它的工作原理是：光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个镶嵌着玻璃的小口，以便于光线射入，同时考虑到要增加受光面积，PN结的面积做得比较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电流载流子。在外电场的作用下，光电载流子参与导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开小口，以便光线射入。同样为了增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流，比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流增大，此刻流过管子的电流称为光电流，即电极电流，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。所以论文选择采用光敏三极管作为光电传感器的接受元件。2.2 光电传感器的电路设计思路我们通过研究光电传感器的工作原理从而能得出设计光电传感器的设计思路：在焊缝上画一条人工辅助白线,然后利用简单的光电元件检测人工辅助白线,根据人工白线的偏差情况输出相应的偏差信号。光敏三极管在一定的光强度照射时，它处于导通准状态，当在一定的有效范围内时，光强度增大（或减小），光敏三极管的电阻也就减小（或增大），当与它串联的电阻一旦选定确定时，每一个并联支路中的电流的大小就由光敏三极管中的电阻决定，进而与光敏三极管串联的电阻的两端电压也随之而改变，我们通过测量并联支路中串联电阻的两端的电压的大小来反映并联支路的电流导通的情况，也即串联电阻的两端电压能间接反映出照射到光敏三极管的光强度。也就是说我们只需要测出电路中 L，M 和 R 端的电压就能间接的知道三个光敏管的光强度。光电传感器的电路原理图如下图所示： 2.3 传感器元件的选择和工作特性光电传感器的电路比较简单,采用光敏三极管与负载电阻串联的方式,所获取的取样信号为负载电阻两端的电压信号。但是,实际应用的情况要复杂得多，下面介绍论文考虑的几种造成情况复杂的因素：（1） 第一,由于光敏三极管对光的灵敏度较大,阳光、灯光以及焊接过程中产生的弧光等外界光线对传感器都会造成影响。例如,焊接时产生的弧光非常强烈,如果不采取任何措施而让弧光直接照到光敏三极管,则光敏三极管的输出电流始终均为最大,就会传感器无法分辨焊缝的偏差情况。（2） 第二，外界光的强度或者光源与传感器的距离(如电弧离传感器的远近)不同,都会影响传感器的输出信号。（3） 第三,光敏三极管本身的特性差异也将影响传感器工作，既是如果光敏三极管工处于饱和区,则传感器无法分辨焊缝的偏差情况。因此,为了保证传感器能够正确的检测焊缝偏差的情况，在选择传感器元器件的问题上论文中给出了建议如下：（1） 三个发光二极管发出的光强度应该尽量一致。但实际上发出的光强度完全一致的三个发光二极管是不存在的，我们只能允许在一定的误差内，挑选性能相近的作为传感器的光照元件。（2） 同理，光敏三极管的选定也是依据这个原则选择，主要是看其光电特性是否相近,即在相同的光照下其输出是否大致相同。筛选的方法可以采用黑色的电胶布将光敏三极管包住,只留下顶部来接收光信号。留下部分的大小应合适,使光敏管既可以较灵敏地感受到光信号,又能在较强的光线照射时不会造成饱和的现象产生。（3） 三个光敏三极管的特性大抵相同，且都在其光电特性曲线的线性区内工作。如光线太强，超出光敏管的线性区，则出现饱和现象，传感器无法在饱和区内感应出光强度的变化；如光线太弱，也同样不在光敏管的线性内，既不敏锐，也不能有规律反映出光强度的变化。（4） 确定负载电阻的阻值。光敏三极管输出的信号是电流信号,通过负载电阻转化为电压信号,负载电阻的大小将直接影响传感器的输出信号。其阻值越大,传感器的输出信号就越灵敏,但检测范围窄;反之,检测范围宽,输出信号不灵敏。通过试验,确定一个合适的阻值范围,研制出符合要求的传感器。所选用的光敏管的光电特性曲线如下图所示。 2.4 光电传感器的工作原理光电式传感器的使用可以采用辅助白线法和双向棱边跟踪法两种。辅助白线的方法：用白漆在钢板接缝一侧画出与焊缝平行的宽为1-2mm的白线并以此作为基准，当入射光照在白线上时反射光很强，故接收光电管的输出信号也很大，反之则输出较小信号，实际中常用三只接收元件作为接收器件使用。双向棱边跟踪的方法:以焊缝棱边为基准的基于激光的光电跟踪传感器，使用时激光器在焊枪前方，以一定角度在平行于焊接方向的平面内投向焊材表面，利用接收屏上的点阵就可得到当前的焊缝偏差信息，常用的有三管点阵屏和六管点阵屏。接下来论文中介绍选取的光电传感器的工作机制：（1）光电传感器内装有三只发光二极管和三只光敏三极管。（2）在焊缝上画一条人工辅助白线，利用我们设计的光电传感器检测人工辅助白线，根据人工白线的不同偏差情况，传感器相应的输出不同的偏差信号。传感器的工作原理如下：发光二极管发出的光照到工件表面上反射回来被光敏三极管接受，根据白线处反光量较大的原理，离白线最近的光敏三极管输出的电流信号比另外两只光敏三极管要强，与其串联的电阻输出的电压信号也就更高。这样，我们只要对光电传感器输出的信号做一比较，就能反映