（电力电子与电力传动专业论文）co2气体保护焊工艺参数优化研究.pdf

广东l ：业大学f ：学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ew e l d i n gp r o c e s si sah i g h l yn o n - l i n e a ra n dm u l t i v a r i a b l ec o u p l i n gj o i n i n g p r o c e s s t h ew e l db e a d i sf o r m e db yt h em e l t i n ga n ds o l i d i f i c a t i o no fj o i n e d m a t e r i a l s t h ew e l d b e a dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nd e t e r m i n gt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ew e l d i t sg e o m e t r i cp a r a m e t e r ss u c ha sb e a dh e i g h ta n dd e p t ho f p e n e t r a t i o na r ed e c i d e da c c o r d i n gt ot h ew e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha sw i r e f e e dr a t e ，w e l d i n gv o l t a g ea n dw e l d i n gs p e e d t h e r e f o r e ，t op r o d u c et h eb e a dh e i g h t a n dd e p t ho fp e n e t r a t i o nt om e e tt h ed e s i g n ，i ti si m p o r t a n ta n dp r a c t i c a lt ok n o w h o wt os e tu pt h ep r o p e rw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n te n g i n e e r i n g ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，f u z z ya l g o r i t h ma n da r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r kg e tm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o na n ds t u d yi nt h ef i e l do fw e l d i n g t h es t u d y o fi n t e l l i g e n tt r e a t m e n to fo p t i m i z a t i o no fw e l d i n gp a r a m e t e r sa t t r a c t sal o to f w e l d i n ge x p e r t s i nt h i sp a p e r ，f u z z yi n f e r e n c ea n dn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g yw e r e u s e dt op e r f o r mo p t i m i z a t i o no fc 0 2a r cw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t so ft h et h r e em e t h o d sw e r ec o m p a r e dt oe a c ho t h e ra n dt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g nt e s to fw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ed o n e i no r d e rt ot r a n s l a t et h ep r o b l e mo ft h ec o m p l e xn o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pa m o n g p r o c e s sp a r a m e t e r s a n dt h eb e a dh e i g h ta n dd e p t ho fp e n e t r a t i o ni n t oal i n e a r o p t i m i z a t i o np r o b l e mt o s o l v et h ep r o b l e mo ft h eh a r dt o e x p r e s s i o no ft h e q u a n t i t a t i v er e l a t i o na m o n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h eb e a dh e i g h ta n dd e p t ho f p e n e t r a t i o n f i r s t ，t h i sp a p e ru s e dt h ef u z z yi n f e r e n c es y s t e m ，u s e dt h eg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e so ft h e f u z z ys y s t e mt o o l b o xo fm a t l a bt oc r e a taf u z z yi n f e r e n c e s y s t e m a n du s e dt h i s s y s t e mc o m b i n i n go r t h o g o n a ld e s i g n t o p e r f o r mt h e o p t i m i z a t i o n o fp r o c e s sp a r a m e t e r s s e c o n d l y ，t h i sp a p e ru s e dn e u r a ln e t w o r k t e c h n o l o g y ，u s e dt h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e so ft h en e u r a ln e t w o r kt o o l b o xo f m a t l a bt oc r e a tab pn e u r a ln e t w o r k ，t r a i n e dt h eb pn e u r a ln e t w o r ka n du s e dt h i s b pn e u r a ln e t w o r kc o m b i n i n go r t h o g o n a ld e s i g nt op e r f o r mt h eo p t i m i z a t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r s b s tr a c t i nt h i sp a p e r ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h i st h r e em e t h o d so ft h e o p t i m i z a t i o no fc 0 2a r cw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ， f u z z ya l g o r i t h ma n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kw e r ec o m p a r e dr e s p e c t i v e l y t h i sc a n p r o v i d et h eb a s i sf o rt h em e t h o ds e l e c t i o no ft h eo p t i m i z a t i o no fc 0 2 a r cw e l d i n g p r o c e s sp a r a m e t e r s t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h et h r e eo p t i m i z a t i o nm e t h o d s s h o wt h a tt h et h r e eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r ec l o s et oe a c ho t h e r c o m p a r e dt ot h e m e t h o db a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ，t h eo t h e rt w om e t h o d sb a s e do nf u z z ya l g o r i t h m a n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kn o to n l yc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fo p t i m i z a t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r sa n dr e d u c et h ec o s to ft h ee x p e r i m e n t ，b u ta l s oc a ne n s u r et h e w e l d i n gq u a l i t y , i n c r e a s ed a t af o rt h ed a t a b a s eo ft h ea r cw e l d i n gp o w e re x p e r t s y s t e ma n dp r o v i d et h e b a s i sf o rr e a l - t i m ew e l d i n gq u a l i t yc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h eo r t h o g o n a lt e s t s c h e m e so ft h eo p t i m i z a t i o no fw e l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r sw e r ed e s i g n e d a n dal o to fp r o c e s st e s tw e r ed o n e t h ep r a c t i c a l w e l d i n gr e s u l t so fv a r i o u sw e l d i n gs t a n d a r dw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e db y i n s t a n t a n e o u s v o l t a g ew a v e f o r m ，i n s t a n t a n e o u s c u r r e n t w a v e f o r m ，d y n a m i c r e s i s t a n c e w a v e f o r m ，i n p u te n e r g yw a v e f o r m ，a n du 1w a v e f o r m a n ds o m e s u g g e s t i o n sa b o u tt h ew e l d i n gp a r a m e t e r ss e l e c t i o nw e r eg i v e n k e yw o r d s ：c 0 2a r cw e l d i n g ；f u z z yi n f e r e n c es y s t e m ；b pn e u r a ln e t w o r k ；p r o c e s s p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 独仓l j 件声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 年月r 第章绪论 第一章绪论弟一早三否。t 匕 1 1 本课题的研究背景及意义 随着我国加入世贸组织，制造业得到了快速的发展，中国正逐渐成为世界的 制造业中心。制造业的发展必然离不开焊接技术，c o ：气体保护焊是一种低成本、 高效能的焊接方法，广泛应用于船舶、车辆、航空、锅炉、压力容器、电机、冶 炼设备、石油化工机械、矿山、起重、建筑及国防等各个行业。由于c 0 ：气体保 护焊的广泛应用，因此对c o ：气体保护焊焊接质量的研究有着十分重要的意义。 在焊接材料一定的情况下，由熔化、凝固的焊接材料所形成的焊缝对焊接的质量 有着重要的影响，而焊缝质量由工艺参数的合理配置决定。所以工艺参数优化是 焊接质量控制的基础，也是焊接质量的控制建模所必需的。 传统的焊接工艺参数优化主要有响应曲面法l l 】和回归分析法 2 - 4 等，但是c o ： 气体保护焊是一个多因素相互作用的复杂过程，焊接参数的选择是一个非常繁琐 的过程，要想实现工艺参数优化依靠传统的数学建模和分析方法很难达到预期的 效果，存在计算繁杂，工作量大，知识获取困难和自学习能力差等问题。模糊算 法和人工神经网络等人工智能技术因其具有高度的非线性映射、自学习等功能， 而能很好的解决这些问题。因此采用模糊算法与神经网络技术并结合j 下交设计试 验对c o ：气体保护焊工艺参数进行优化，可以提高工艺参数优化的效率，省时省 力，节约生产成本，同时可为弧焊电源专家系统数据库的建立，以及实时控制焊 接质量提供依据；特别是在线工艺参数的优化，大大降低环境因素对焊接质量的 影响，改善以操作人员水平决定焊接质量的现状，提高弧焊电源性能具有十分重 要的实践意义。 本课题的研究得到广东省自然科学基金的资助( n o ：0 7 0 0 6 4 7 9 ) 。 1 2 焊接工艺参数优化的国内外相关研究概述 焊接工艺参数的优化十分复杂而又非常重要。为了获得合适的工艺参数，必 须进行大量的前期工艺试验，需要焊接的材料或工件成本高，精度要求严格，所 以往往要耗费大量的人力、物力和财力。为了适应生产实际对焊接工艺参数的预 广东f ：业大学f ：学硕十学位论文 选和优化的要求，人们希望能够利用最少的工艺试验和试验数据，尽快的获得最 可靠的工艺参数与结果间的关系模型，用以指导生产实践，这是实际使用者的迫 切要求1 5 】。传统的工艺参数优化的方法主要有因子设计 6 1 、响应曲面法和回归分 析，但这些方法存在计算繁杂，工作量大，知识获取困难和自学习能力差等问题， 随着智能工程的发展，出现了基于遗传算法、模糊算法和神经网络的工艺参数优 化，很好的解决了这些问题。此外也有不少专家学者采用基于j 下交试验设计的方 法对焊接工艺参数进行优化，优化结果也很好。 ( 1 ) 因子设计( f a c t o r i a ld e s i g n ) 。因子设计可分为全因子设计和分部因子 设计。全因子设计实验是所有因子和水平的完全组合，适用于因子数和水平数均 不多的场合( 因子数小于5 ) ，结论精确可靠。分部因子设计按一定规律从全因子 设计中挑选实验组合，大大减少了实验次数，可同时评估许多因素，是实验设计 初期的有利工具。采用因子设计不仅能反映出单个工艺参数对实验结果的主效 应，而且能考察两个或两个以上变量对实验结果的共同影响一一交互效应，并进 行优化设计。因子设计在焊接过程中的应用主要是电弧焊和其他一些焊接方法。 利用因子实验设计在电弧焊工艺研究方面做了大量研究工作的主要有p a r m a r 等 人。文献 7 中p a r m a r 署ir a v e e n d r a 在1 3m m 厚低碳结构钢的f c a w 焊接工艺研究中 采用分部因子设计，成功建立了实验因子( 电弧电压、焊接电流、焊接速度、焊 枪角度和焊丝伸出长度) 对焊缝几何形状影响的数学模型，焊缝几何参数包括熔 深、熔宽、焊缝高度、深宽比和稀释率。p a r m a r 将分部因子设计应用到1 0 1 6m m 微合会钢埋弧焊焊缝几何尺寸( 熔深、熔宽、焊缝高度、深宽比和高宽比) 的预测 研究中，实验参数包括：送丝速度、空载电压、焊接速度、工件厚度和焊丝伸出 长度，设计实现了不同参数组合的主效应和交互效应对焊缝尺寸影响的预测。 1 9 9 3 年，p a r m a r 和m u r u g a n 等人首先采用4 因子5 水平因子设计技术，设计了3 1 6 l 不锈钢到i s 2 0 6 2 结构钢板表面堆焊的单丝埋弧焊实验，通过控n 4 个实验因子( 空 载电压、送丝速度、焊接速度和焊丝伸出长度) ，实现了对熔深、熔宽、焊缝高 度和稀释率等焊缝几何参数的预测【8 】。研究结果显示，空载电压和焊丝伸出长度 对熔深无显著影响，熔宽与导电嘴到工件距离无关，而稀释率主要受空载电压和 送丝速度影响。此后，p a r m a r 并h m u m g a n 等人又采用m i g 焊焊接3 1 6 1 。不锈钢和i $ 2 0 6 2 结构钢板，分部因子设计的数学预测模型同样取得了良好的预测效果。南昌大学 的熊震华等人将因子设计用于a r + c o 。气保焊焊缝几何形状的研究，研究了焊接电 第章绪论 流、焊接电压及混合气体配比3 个规范参数与焊缝几何形状参数的相互关系，提 出了焊缝熔深、熔宽和焊缝高度的数学模型1 9 1 。 ( 2 ) 响应曲面法( r s m ) 。响应曲面法r s m 由b o x 和w ils o n 在2 0 世纪5 0 年代首次 提出i l0 1 ，主要应用于分析全因子实验不能确定优化的二次函数关系。r s m 最通常 的设计方法有中心复合设计c c d 和b o x b e h n k e n 设计，实验因素为2 7 个。目前， r s m 已经被广泛应用于焊接过程优化设计，但这些应用主要集中在国外。响应曲 面法在焊接过程优化中的应用包括电弧焊、高能密度焊和其他焊接方法。m u r u g a n 和g u n a r a j 将r s m 法应用于埋弧焊过程研究，获得了一系列成果，文献 11 揭示了 圆管的埋弧焊工艺中各响应参数( 熔深、熔宽、焊缝高度和稀释率) 随实验因子( 空 载电压、送丝速度、焊接速度和焊丝伸出长度) 的变化规律。m u r u g a n 和g u n a r a j 在研究埋弧焊焊接舰范对两类焊缝热影响区的影响中，采用4 因子5 7 k 平中心复合 旋转设计结合线性回归技术，研究发现了相同的热输入条件下板焊缝与接头焊缝 的热影响区大小差异。在文献 1 2 中，m u r u g a n 和6 u n a r a j 通过进一步实验指出， 埋弧焊焊缝热影响区与焊接热输入和送丝速度成正比，与焊接速度成反比，并给 出了热影响区最大宽度及实现条件。他们还进一步成功地建立了预测宽深比和 宽高比的数学表达式，通过计算机辅助计算，便可以得到满足所需焊缝形状和 质量的最佳焊接参数。响应曲面法的主要不足之处在于它要考虑的因素很多，运 算非常繁杂。 ( 3 ) 回归分析。这种方法运用回归分析来建立焊缝几何参数和焊接工艺参数 之间的线性模型。沈阳大学的沈默在文献 13 中通过用回归分析法和外点罚函数 法分析并确定了1 2 2 m m 焊丝颗粒状过渡时c o ：气体保护自动横焊工艺参数对 焊接过程中焊缝形状尺寸和飞溅影响的主次关系，由此进行了工艺参数的最优 化，得到最佳匹配的电压，电流值。在规则的实验区域使用这种方法能够得到 很好的实验结果，然而在一些重要的特殊点上可能会发生熔透现象，得到的实验 结果很不理想。 可见要想实现焊接工艺参数优化依靠传统的数学建模和分析方法很难达到 预期的效果【l4 1 。随着智能工程的发展，人工神经网络和模糊算法等人工智能技术 在焊接领域的应用越来越得到深入的研究，焊接工艺设计的智能处理研究也引起 了焊接领域内很多专家学者的关注。 ( 1 ) 遗传算法。它仿效生物学中进化和遗传的过程，遵从“优胜劣汰，适者 广东l q k 大学i ：学顺十学位沦文 生存”的原则，从一组随机生成的初始群体出发，借助复制，交叉，突变等遗传 操作，逐步逼近所研究问题的最优解o s - 1 6 。d k i ma n ds r h e e 等人在文献 1 7 中就是运用遗传算法对c o ：气体保护焊工艺参数进行优化，优化的结果很理想。 ( 2 ) 1 9 8 3 年，王嘉玲采用“模糊聚类分析”对不锈钢焊条的工艺稳定性进行 了研究分析，试验结果表明，利用所建立的模糊聚类分析数学模式，可以成功地 对不锈钢焊条进行定性分析和定量评定，并能科学地确定最佳工艺稳定性。为焊 接新材料和新工艺的研究提供了科学的方法1 1 8 。 ( 3 ) 孙义勇等人利用b p 网络建成了钎焊材料酸沈工艺参数的优化模型，用于 钎焊材料酸洗工艺参数的优化设计中，其优化结果与实际结果十分吻合。以此设 计出的新工艺使得产品的合格率得到提高【1 9 1 。 ( 4 ) 清华大学的彭金宁、陈丙森和朱平等人在文献 2 0 3 中将人工神经网络技 术引入焊接专家系统，利用三层b p 网络建立了手工电弧焊和埋弧焊焊接参数设 计网络。以焊接条件( 母材类型、焊接位置、焊接材料规格等) 作为输入，以焊接 参数( 焊接电流、线能量) 分别作为各网络的输出，采用带冲量项的改进b p 算法对 网络进行训练。测试表明所设计的神经网络具有很强的自适应能力、良好的容错 与协调能力以及显著的联想能力。 ( 5 ) 吉林工业大学的赵熹华，王宸煜等人在文献 2 1 中提出了一个集成人工 神经网络和专家系统的电阻点焊工艺参数选择人工智能系统。智能系统由神经网 络模块分选专家系统、参数选择神经网络系统( w p s n n ) 、接头性能预测神经网 络系统以及神经网络学习系统四个部分组成。点焊工艺参数选择人工智能系统试 运行结果表明：该系统充分发挥了专家系统和人工神经网络各自的优点，具有使 用简单，速度快等优点，为点焊工艺参数优化提供了一条有效的新方法。 ( 6 ) p l i m s c 利用比较成功的焊接实验数据作训练样本对b p 网络进行训练， 可建立一个优化钨极氩弧焊参数的神经网络。该网络以焊接电流、电压、焊接速 度及板厚作为网络的输入层，以焊缝的高度和宽度作为输出层。它的作用是可以 使得任一个焊接过程进行时，其焊接参数可进行在线调节、自动优化，从而保证得 到高质量的可靠焊缝1 2 2 1 。 ( 7 ) 重庆工学院的罗怡，伍光凤，李春天等人在文献 2 3 中比较了在虚拟 仪器丌发软件l a b v e i w 编程基础上用多种方法实现b p 神经网络算法的优劣，并利 用助l a b v i e w 编程环境提供的c i n ( c a lll i b r a r yf u n c t i o nn o d e ) 节点调用c 语言 第章绪论 编程代码，建立改进算法的多层b p 神经网络，以焊接电流、电弧电压、焊接速度、 施焊角度为输入层，焊缝熔宽、焊缝熔深为输出层。试验采用的焊接试板为8 m m 厚的1 6 m n r 钢板，直径1 2 m m 的h 0 8 m n s i a 焊丝。通过焊接工艺规范组合，共获得有 效训练样本1 0 0 组。系统读取样本进行样本学习，当训练的误差指标基本趋于最 小或小于规定的阈值，样本学习结束。运用训练好的神经网络模型能够对焊缝的 熔宽、熔深进行预测。预测结果与实际焊接结果具有较好的对应关系，证明所建 立模型的可靠性。通过对神经网络模型的测试可以得出以下结论： 1 ) 电弧电压对焊缝熔宽影响显著，随电弧电压升高，弧长越长，电弧作用 范围增加，使熔宽增加。 2 ) 电弧电压对焊缝熔深影响并不特别显著，总体趋势足随电弧电压增加， 熔深逐渐减小。 同时，神经网络模型也可预测焊接电流、焊接速度、施焊角度对焊接几何形 状的影响。模型预测结果表明，根掘建立的b p 人工神经网络能够通过所需要的焊 缝几何形状来选择合适的焊接工艺参数，从而代替大量工艺试验，节约成本，提 高效率，在实际应用中取得较好的效果。 此外还有不少专家学者采用基于正交试验设计的方法对焊接工艺参数进行 优化，也取得了比较理想的结果。 重庆大学的李天林等人在文献 2 4 中根据实验条件，确定焊丝直径为1 2 m m ， c o ：气体流量为1 2 l m i n ，选取对焊接过程和焊缝质量有影响的：焊接电流( i ) 、 电弧电压( u ) 、焊接速度( 匕) 、回路电感( l ) 、焊丝干伸长度( ，) 作j 下交设计的因 素。试验有四个四水平，一个二水平因素，因此选用正交表厶。( 4 4 2 3 ) 。共十 六次试验，每次试验重复三次以提高统计分析的可靠性。为排除试验因素对试验 指标产生系统影响，对试验顺序作了随机化处理。试验设备采用n z c 一5 0 0 一l 型焊 机，试验在厚度为3 m m 的低碳钢板上进行堆焊。评价指标为：( 1 ) 焊缝深宽比( 矽) 、 ( 2 ) 金属飞溅率( 矽) 、( 3 ) 短路频率( 厂) 。文章采用方差分析法对证交设计的试验 数据进行统计分析。方差分析表明，试验冈素圪，和l 高度显著，u 和，显著。 也就是表明试验结果的变化是由试验凶素圪、l 、u 和，。水平变化引起的，而 不是误差于扰造成。方差分析还表明，试验因素对焊接过程金属飞溅率影响大小 广东f 。业大学i ：学硕十学位论文 的顺序为l 、圪、u 、i 。采用同样的方法和步骤，对焊缝深宽比、短路频率 的指标数据进行方差分析，结果表明试验因素对焊缝探宽比影响大小的顺序为 、l 、u 、i 、乞。试验冈素对短路频率影响大小的顺序为u 、i 、吒、l 、。 显然，方差分析的结果与焊接理论分析基本一致。然后综合分析得出最佳工艺参 数组合：电流1 6 0 a 、电压2 2 v 、焊接速度5 5 c m m i n 、电感第三挡、焊丝干伸长l o m m 。 用综合分析所得的最佳工艺参数组合进行焊接试验，测得三项指标； 驴= 0 4 5 ，矽= 5 8 8 ，f = 7 0 次s 。试验结果表明，缝成形好，金属飞溅小，焊接 过程稳定。 1 3 正交试验设计简介 由于c 0 ：气体保护焊过程是一个多变量的系统，工艺参数优化必然包含多个 因素，因此对多个变量的研究和安排试验就成了一个非常重要的问题。正交试验 设计法是研究和处理多因素多水平试验的一种科学方法，就是使用已经造好了的 表格一一正交表一一来安排试验和进行数据分析。正交表是运用组合数学理论在 正交拉丁名的基础上构造的一种规格化的表格，它是根据f 交性从全面试验中挑 选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可 比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法，是一种高效率、快速、 经济的实验设计方法。安排试验时，只要把所考察的每一个因子任意地对应于正 交表的一列，然后把每列的数字翻译成所对应因子的水平。这样，每一行的各水 平组合就构成了一个试验条件。采用正交表安排试验，可节省大量的时间和试验 材料，而其效果也是非常好的1 2 5 - 3 1 。例如，对于本文试验中采用的四因素四水 平的试验，如果采用一般的方法，则需要做4 4 = 2 5 6 次试验，而采用f 交试验， 查f 交表，可以找到厶。( 44 ) 的f 交表，则只需做1 6 次试验，即可达到与原来要 做2 5 6 次试验近似相同的效果，无疑是非常有效的。 1 4 本课题的研究内容 本论文主要围绕c o ：广e 体保护焊工艺参数优化进行研究，研究内容主要包括 以下几个方面： 6 第章缔论 第一章绪论。介绍焊接工艺参数优化的国内外研究现状、正交试验设计的 基本原理和本课题的研究背景，意义及内容。 第二章c o ：气体保护焊工艺参数优化的模糊系统与神经网络基础。详细介绍 本论文所涉及到的模糊系统理论基础：模糊集、隶属度函数、模糊逻辑运算、 i f t h e n 规则和模糊推理。结合本论文的研究内容详细介绍神经元模型、神 经网络的基本结构、b p 网络结构和b p 算法。 第三章基于m a t l a b 模糊系统工具箱的c 0 。气体保护焊工艺参数优化。建立 c o ：气体保护焊工艺参数优化的模糊推理系统模型，从焊接经验数据总结得出模 糊推理规则，采用m a t l a b 语言实现模糊推理系统的创建及验证仿真。运用创建 好的模糊推理系统并结合j 下交试验设计实现c o ：气体保护焊工艺参数优化。 第四章基于m a t l a b 神经网络工具箱的c o ：气体保护焊工艺参数优化。建立 c o ：保护焊工艺参数优化的b p 网络模型，以焊接经验数据作为b p 网络的训练样 本，采用m a t l a b 语言实现b p 网络的创建、训练及验证仿真。运用创建好的神经 网络系统并结合正交试验设计实现c o ：气体保护焊工艺参数优化。 第五章三种智能优化方法的比较。研究分析基于遗传算法，基于模糊算法 和基于神经网络的三种c o 。气体保护焊工艺参数优化方法各自的优缺点，并对三 种优化方法的优化结果进行对比分析。 第六章焊接工艺参数的优化设计试验。设计焊接工艺参数的优化试验方案 并且进行工艺试验，利用小波分析仪，综合测试和评定影响焊接过程特性的工艺 参数，为弧焊电源焊接工艺参数数据库的建立提供依据。 广东i ：业大学l ：学硕f j 学位沦文 第二章c 0 2 气体保护焊工艺参数优化的模糊系统与神 经网络基础 c o ：气体保护焊过程是一个高度非线性、多变量耦合作用，同时又具有大量随 机不确定因素的复杂过程，要想实现工艺参数优化依靠传统的数学建模和分析方 法很难达到预期的效果，存在计算繁杂，工作量大，知识获取困难和自学习能力 差等问题。模糊算法和人工神经网络等人工智能技术因其具有高度的非线性映 射、自学习等功能而能很好的解决这些问题。随着模糊算法和人工神经网络等人 工智能技术的不断发展完善，其在焊接领域的应用也越来越广泛而深入。 2 1 模糊系统基本理论 人类的活动包括认识世界和改造世界两个方面，人们根据对客观世界的观 察、认识，作出相应的决策和行动，这一过程可以抽象为从输入空间到输出空间 的一种映射，完成这种映射的方法很多，如线性系统、专家系统、神经网络和模 糊系统。其中模糊系统是最快最方便的方法之一，这是因为模糊系统对系统的描 述与刻画是建立在自然语言的基础上，而人类经历几千年的历史发展形成的自然 语言无疑是人类最方便最有效的表达方式。模糊系统能快速方便地描述与处理问 题主要基于以下事实： ( 1 ) 模糊逻辑基于自然语言的描述。 ( 2 ) 模糊逻辑可以建立在专家经验的基础上。 ( 3 ) 模糊逻辑容许使用不精确的数据。 ( 4 ) 模糊逻辑在概念上易于理解。 ( 5 ) 模糊逻辑可以对任意复杂的非线性函数建模。 基于以上分析，建立c 0 ：气体保护焊工艺参数优化的的模糊系统是可行的。 该系统可以快速方便地完成从输入空间( 焊接工艺参数) 到输出空间( 焊缝几何 尺寸) 的映射，从而高效的实现c o ：气体保护焊1 ：艺参数优化。 第一章c q 气体保护烨i ：艺参数优化的的丰! ! 糊系统与神纾嗍络璀础 2 1 1 模糊集 模糊系统是建立在自然语言的基础上，而自然语言中常采用一些模糊的概 念，如“焊接速度很快、“焊接电压很高”等。如何描述这些模糊的概念，并对 它们进行分析、推理，这f 是模糊集合与模糊逻辑所要解决的问题。 模糊集是一种边界不分明的集合，模糊集与普通集合既有区别又有联系。对 于普通集合而言，任何一个元素要么属于该集合，要么不属于该集合，非此即彼， 具有精确明了的边界；而对于模糊集合，一个元素可以是即属于该集合又不属于 该集合，亦此办彼，边界不分明或界限模糊。 建立在模糊集基础上的模糊逻辑，任何陈述或命题的真实性只是一定程度的 真实性，与建立在普通集合基础上的布尔逻辑相比，模糊逻辑是一种广义化的逻 辑。在稚尔逻辑中，任何陈述或命题只有两种取值，即逻辑真和逻辑假，常用“1 ” 表示逻辑真，“o 表示逻辑假。而在模糊逻辑中，陈述或命题的取值除了真和假 ( “l 和“0 ”) 外，可取“0 与“1 之问的任何值，如0 6 8 ，即命题或陈述 在多大程度上为真或假，例如“焊接电压很高”这一概念，在普通集合中需要定 义一个明确的边界，如2 6 v 以上是焊接电压很高，而在模糊集合中，焊接电压很 高的定义没有一个明确的边界，2 6 v 以上是焊接电压很高，2 3 v 也属于焊接电压 很高，2 0 v 在一定程度上也属于焊接电压很高，只是他们属于焊接电压很高这一 集合的程度不同而已。 模糊性反映了事件的不确定性，但这种不确定性不同于随机性。随机性反映 的是客观上的自然的不确定性，或事件发生的偶然性，而模糊性则反映人们主观 理解上的不确定性，即人们对有关事件定义或概念描述在语言意义理解上的不确 定性。 2 1 2 模糊集的表示一一隶属度函数 模糊集使得某元素可以以一定程度属于某集合，某元素属于某集合的程度由 “0 ”与“1 ”之间的一个数值一一隶属度末刻画或描述。把一个具体的元素映射 到一个合适的隶属度是由隶属度函数来实现的。隶属度函数可以是任意形状的曲 线，唯一的约束条件是隶属度函数的值域为 0 ，1 。模糊系统中常用的隶属度 函数有很多，其中用的比较多就是高斯型隶属度函数( 如2 1 式所示) ，本文所采 9 广东f 业大学i ：学硕十学位论文 用的都是高斯型隶属度函数。 ( j c ) 2 f ( x ，仃，c ) = e 2 口2 ( 2 1 ) 高斯型隶属度函数有两个特征参数盯和c 。以本文焊接电压的“中”这个隶 属度函数为例，x 就是焊接电压，如果x 【1 5 ，3 0 ，盯= 1 5 9 3 ，c = 2 2 5 ，则隶属度函数 曲线如图2 - 1 所示。 图2 - 1 焊接电压的“中 隶属度函数曲线图 f i g 2 1t h em e d i u mm e m b e r s h i pf u c t i o nc u r v eo ft h ew e l d i n gv o l r a g e 2 1 3 模糊逻辑运算 在普通逻辑中，任何逻辑只有两个取值：真或假( “l ”或“0 ”) ，即普通逻 辑为二值逻辑。二值逻辑常见的关系有逻辑与、逻辑或，对应的逻辑运算有与运 算、或运算。集合a 与b 的二值逻辑运算分别记作： 彳n b = xx a 且x b ) ( 2 2 ) a u 召= 石ix a 或石b ) ( 2 3 ) 模糊逻辑是普通二值逻辑的推广，在模糊逻辑中，任何陈述都以一定程度的 真实性表示，其取值可以是“0 和“1 ”之问的任何实数，对应的模糊逻辑运算 ( 逻辑与、逻辑或) 分别为： 爿。8 ( x ) = m i n ( p 月( x ) ，z 8 ( x ) ) ( 2 4 ) 声f _ 。占( x ) = m a x ( p 月( x ) ，口( x ) ) ( 2 5 ) 其中儿表示a 的隶属度，a 。表示b 的隶属度。 l o 第一章c o , 气体保护焊l ：艺参数优化的的 荧糊系统与神经 c ) 9 络聃础 2 1 4lf t h e n 规则 最简单的i f t h e n 规则的形式是：“如果x 是a ，则y 是b 。 复合型的 i f t h e n 规则的形式很多，例如： “i fm 是a 且x 是bt h e n y 是c ，否则z 是d ”； “i fm 是a 且x 是b 且y 是ct h e n z 是d ； “i fi l l 是a 且x 是bt h e ny 是c 且z 是d ”。 这里a ，b ，c ，d 分别是论域m ，x ，y ，z 中模糊集的语义值，i f 部分是前 提或前件，t h e n 部分是结论或后件。以本文中的一条i f t h e n 规则为例： i f 根部间隙宽a n d 送丝速度慢a n d 焊接电压中a n d 焊接速度中 t h e n 焊缝高中a n d 熔深很深。 其中的宽，慢，中，中，中，很深分别是论域根部问隙，送丝速度，焊接电 压，焊接速度，焊缝高，熔深中模糊集的语义值，i f 根部间隙宽a n d 送丝速 度慢a n d 焊接电压中a n d 焊接速度中是前提，t h e n 焊缝高中a n d 熔深 很深是结论 解释i f t h e n 规则包括以下三个过程： ( 1 ) 输入模糊化。 确定出i f t h e n 规则前提中每个命题为真的程度( 即隶属度) 。 ( 2 ) 应用模糊算子。 如果规则的前提有几部分，则利用模糊算子可以确定出整个前提为真的程度 ( 即整个前提的隶属度) 。 ( 3 ) 应用蕴含算子。 由前提的隶属度和蕴含算子，可以确定出结论为真的程度( 即结论的隶属 度) 。 2 1 5 模糊推理 模糊推理是采用模糊逻辑由给定的输入到输出的过程。模糊推理包括五个方 面g ( 1 ) 输入变量模糊化，即把确定的输入转化为由隶属度描述的模糊集。 ( 2 ) 在模糊规则的前件中应有模糊算子( 与、或、非) 。 广东i ：业大学i ：学顺+ 学位论文 ( 3 ) 根据模糊蕴含运算由前提推断结论。 ( 4 ) 合成每一个规则的结论部分，得出总的结论。 ( 5 ) 反模糊化，即把输出的模糊量转化为确定的输出。 1 输入变量模糊化 输入变量是输入变量论域内的某一确定的数，输入变量经模糊化后，变为由 隶属度表示的0 和l 之间的某个数。模糊化常由隶属度函数求得。 2 应用模糊算子 输入变量模糊化后，我们就知道每个规则前件的每个命题被满足的程度。如 果给定规则的前件中不止一个命题，则需用模糊算子获得该规则前件被满足的程 度。模糊算子的输入是两个或多个输入变量经模糊化后得到的隶属度值，其输出 是整个前件的隶属度，模糊逻辑算子可取与算子m in ( 模糊交) ，或算子m a x ( 模糊 并) 。 3 模糊蕴含 ， 模糊蕴含可以看作一种模糊算子，其输入是规则的前件被满足的程度，输出 是一个模糊集，规则“如果x 是a ，则y 是b 表示了a 与b 之间的模糊蕴含关 系，记为a b 。 比较常用的模糊蕴含算子就是最小运算，即： a b 2m i n ( 一( z ) ，d 口( y ) )( 2 6 ) 4 模糊合成 模糊合成也是一种模糊算子。该算子的输入是每个规则输出的模糊集，输出 是这些模糊集经合成后得到的一个综合输出模糊集。常用的模糊合成算子有m a x ( 模糊并) 5 反模糊化 反模糊化把输出的模糊集化为确定数值的输出。常用的反模糊化的方法就是 中心法，也就是取输出模糊集的隶属度函数曲线与横坐标轴围城区域的中心或重 心对应的论域元素值为输出值 3 2 - 3 7 1 。 例如，对于本文中焊缝高与熔深的确定问题，确定焊缝高与熔深的依据是焊 接工艺参数( 根部间隙、送丝速度、焊接电压和焊接速度) ，将根部问隙划分为五 个档次：很窄、窄、中、宽、很宽，将送丝速度划分为五个档次：很慢、慢、中、 快、很快，将焊接电压划分为五个档次：很低、低、中、高、很高，将焊接速度 第二章c q 气体保护焊l ：艺参数优化的的模糊系统与神纾嗍络塔础 划分为五个档次：很慢、慢、中、快、很快，要确定的焊缝高也划r 分为五个档次： 很低、低、中、高、很高，熔深也划分为五个档次：很浅、浅、中、深、很深。 一次具体的焊接活动得到的焊缝高与熔深由表3 - 4 所示的十条规则柬确定，各隶 属度函数如图2 2 所示如果在某次焊接活动中，根部问隙= 1m m 、送丝速度 = 2 2 2 c m s 、焊接电压：2 2 v 、焊接速度= 7 5 m m s ，则由模糊推理得到焊缝高和熔深 的推理过程如图2 2 所示。 2 应用模糊算子( r a m ) 3 应用模糊蕴台 l n i 蟛 il 一 7 一 艮；| 眵|l ll | l 队ji 。 i *、l1 j l，i ： l 、i 剑箧“r 1 歪 ”落f 磁 数l | 氨l i 刷啃分。- i 设 。i ，羔士 厂1l l 卜| | 匠l 一毒莹| _ 一毒一弭一 y l矿1 ； j 史k 一了 ，、 。甭f|八l fi1 卜