（材料加工工程专业论文）基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制.pdf

| 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 p4 2 5 6 2 9 摘要 基于模糊控制的智能化闪光焊机控制系统是闪光焊机焊接系统的重要组成部 分。 该系统整体是主从分布式系统，上位机是基于p c 的w i n d o w s 程序，采用 c + + b u i l d e r 5 编写，为用户提供了友好的操作界面及相关数据库；下位机是以m c s 一5 1 单片机为核心的嵌入式系统，采用了模糊控制算法。上、下位机之间采用r s 一2 3 2 一c 协议的串口通信。 工件送进系统由电液伺服阀实现精确控制，焊接热量由大功率可控硅实现无级 调节，焊接电流及电压参数的采集采用霍尔传感器，实现了闭环控制。 【关键词】闪光焊分布式控制模糊控制单片机闭环伺服 vv一 第l 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 a b s t r a c t t h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o ls y s t e mo ff l a s hb u t tw e l d i n g ，t h em a i na n db a s i cp a r to f t h e f l a s hb u t tw e l d i n gm a c h i n e ，i st h eb a s i ct or e a l i z et h ea u t o m a t i o no f t h ew e l d i n gp r o c e s s i n g e n e r a l ，i t s ad i s t r i b u t e ds y s t e m t h ea p p l i c a t i o no np c ，w h i c hp r o g r a m m e di n c + + b u i l d e r 5a n dt h ed a t a b a s ed e v e l o p m e n t a lt o o l s ，s u p p l i e st h ei n t e r f a c eo fm a na n d m a c h i n e t h ec o r eo ft h es y s t e mi saf u z z yc o n t r o ls y s t e m 。w i t c hi sae m b e d d e ds y s t e m b a s e do nm c u ( m c s 一5 1 ) ，p r o g r a mi nc 5 1 t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep ca n d m c ui sr e a l i z e dt h r o u g ha s y n c h r o n o u ss e r i a lp o r ti nr s 一2 3 2 - cp r o t o c 0 1 f u r t h e rm o r e ，t h ef u z z yc o n t r o l l e rr e a l i z e st h ec o n t r o lo ft h ew o r k p i e c ef e e ds p e e d a n dt h e w e l d i n gh e a tt h r o u g ht h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h ma c c o r d i n g t ot h ec u r r e n t ， v o l t a g ep a r a m e t e ra n d t h ed i s p l a c e m e n t p a r a m e t e r f e e db a c k t h eh a r d w a r ea n ds o f h g a r ed e s i g ni sd e s c r i b e di n d e t a i li nt h i sp a p e r t h eo v e r a l l d e s i g nh a sb e e nt e s t e di ns i m u l a t e dc o n d i t i o n s ，f o l l o w e d t h ep r a c t i c ei nf a c t i ti sp r o v e d t h a tt h e p l a na n d c o n t r o li d e ai so r i g i n a la n da v a i l a b l e k e y w o r d s f l a s hb u t t w e l d i n g ，d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ，f u z z yc o n t r o l ，s i n g l ec h i p m i c r o p r o c e s s o r , c l o s e dl o o p s e r v os y s t e m 第2 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 1绪论 1 1闪光焊技术的原理、现状与发展 1 1 1闪光焊的机理、特点及应用 对焊( 对接电阻焊) 是一种常见的焊接接头形式，是点加热的塑性焊接。对焊 又可分为电阻对焊和闪光对焊两种。闪光焊作为一种有效的焊接手段广泛应用于机 电、建筑、交通、石油钻探和冶金工业等方面。 闪光对焊过程是多参数影响的不连续过程，目前较为成熟和应用较广的焊接工 艺有连续闪光焊和预热闪光焊两种。 连续闪光焊的焊接工艺过程包括闪光、顶锻、保持、恢复等阶段。其中闪光和 顶锻是形成焊接接头的重要阶段。闪光阶段的实质是工件端面的接触触点熔化，液 态金属过梁的不断形成和爆破的过程，同时析出大量的热来加热工件，因此闪光阶 段的主要作用是加热工件，热源主要是液体过梁的电阻和工件电阻，前者是主要的； 闪光阶段的另一个作用是烧掉工件端面的不平和脏物，使闪光后期工件端面上形成 一层均匀的液体金属层和适当的温度。研究表明【l j 闪光过程本身具有一定的自调节 作用。在一定范围内，能自动保证工件闪光速度与送进速度相等。闪光自调节作用 的实质是闪光功率自动调整的过程。国内对于闪光过程的研究【2 】表明：闪光过程是 不连续的。闪光过程中实际有效加热时间只占闪光时间的l o - 3 0 。如何改善闪光不 连续过程，使加热效率提高，是闪光对焊过程控制系统必需实现的一个课题，目前 仍需作出探索。顶锻是闪光后期对工件施加顶锻力，封闭工件对口间隙，排除液态 金属层、过热金属及氧化物夹杂，使工件对口和临近区域金属获得必要的塑性变形， 促使焊缝再结晶，从而获得牢固的焊接接头。其过程分为有电顶锻和无电顶锻阶段。 有电顶锻是为了在闪光停止后对焊件进行补充加热，以利于排除液态金属，进行塑 性变形。国外有关单位开展了对于顶锻变模式的研究工作【1 0 1 。但由于闪光接触电阻 消失，电流突然增大，对焊机容量的要求很大。为了减少焊机容量，使焊机容量充 分利用，降低电能消耗国外已着手研究不带电的顶锻过程【1 0 】。 预热闪光焊的工艺过程与连续闪光焊的不同之处在于，在闪光阶段之前有一个 预热阶段，通过预热使工件端面的温度提高到一个合适的温度值( 对刚来说是 8 0 0 9 0 0 c ) ，然后在进行闪光和顶锻。预热有分为闪光预热和顶锻预热两种。短路 预热是多次将两工件端面紧密接触、分开，接触时工件短路，施加一定的压力，并 通以预热电流。闪光预热是接通电源后，多次将两工件端面轻微接触、分开，在每 次接触都激起短暂的闪光。与短路预热相比，闪光预热的控制比较复杂。 第1 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 连续闪光焊主要用于截密集为1 0 0 0 m m 2 左右的闭合零件的对接，如车圈、铝窗 等，预热闪光焊则可焊接截面积为5 0 0 0 1 0 0 0 0 m m 2 黑色金属材料零件，如钢轨对接 接头等。 1 1 2 闪光焊设备及其发展 闪光焊设备即闪光焊机，主要由机械装置、供电装置和控制装置三部分组成。 闪光焊机的机械装置包括机架、导轨、加紧机构及送进机构。加紧机构包括动 夹具和静夹具，过去的加紧机构有弹簧式和偏心轮式，再往后出现了气压式和液压 式，目前普遍采用液压式。送进机构是使工件送进的装置，过去的送进机构有弹簧 式、手动杠杆式和电动凸轮式，目前较先进的是液压传动式。 闪光焊机的供电装置包括焊接变压器、输出功率调节机构和焊接回路。焊接变 压器是供电装置的核心，按其结构分为壳型、芯型和环型。常用的是壳型变压器。 输出功率调节机构，过去传统的是采用级数转换器，即采用改变焊接变压器的初级 匝数来获得不同的初级电压。从而进行输出功率的有级调节。新发展的是在变压器 初级晶闸管等可控整流开关元件，对焊机次级输出电压进行无级调节，从而达到调 节输出功率的目的。闪光焊机的焊接回路有焊接变压器次级绕组、软导线、电极等 组成，次级整流焊机还包括次级整流二极管。 闪光焊机的控制装置包括主电力开关控制装置以及其他焊接过程程序控制装 置。控制装置又常称为控制箱，其作用是：( 1 ) 可靠的接通和切断焊接变压器的控 制电源；( 2 ) 控制闪光焊机按预定的焊接循环自动工作；( 3 ) 均匀的控制焊接电流 及通电时间；( 4 ) 实现焊接接头的质量监控。焊接主电力开关控制主要指对电磁式 开关的控制、对可控整流元件( 如水银引燃管、晶闸管等) 的触发控制。焊接过程 控制包括记数、记时、程序切换、焊接参数记录及故障诊断与处理等等。传统的程 序控制采用逻辑门电路、接触继电器等来实现，随着计算机控制技术的发展，出现 了闪光焊接过程的微机控制装置，在国内外的闪光焊机中已经得到了具体应用。 闪光对焊可焊金属范围非常广泛，易于获得优质接头。如何提高闪光对焊过程 的质量，降低原材料损耗和电能源的消耗，是优化闪光对焊过程的目标。将先进的 闪光过程控制思想与微机技术、电液伺服技术相组合，是闪光对焊过程对焊的研究 方向。 1 2 智能控制的发展 智能控制术语于1 9 6 7 年由l e o n d e s 和m e n d e l 首先使用，从7 0 年代开始，傅 第2 页 ，- 一 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 京孙，g l o r i s o 和s a n i l i s 等人从控制角度出发，总结了人工智能技术与自适应、自 学习和自组织的关系，正式提出了建立智能控制理论的构想，傅京孙教授基于学习 控制系统，最早提出智能控制是人工智能和自动控制相结合的理论框架。 值得一提的是，1 9 6 5 年l a z a d e h 教授提出了模糊集合论，并由e h m a m d l a n i 于1 9 7 4 年首先将模糊推理应用于控制系统，出现了模糊控制，并且在近2 0 年的实 际应用引起了人们的普遍关注。 在进入8 0 年代以后，特别是9 0 年代末，人工智能的联结主义学派对神经网络 的研究取得了突破性进展，最具代表性的结果包括：1 9 8 2 年h o p f i e l d 提出了h o p f i e l d 网络模型，同年林立俊一和a r b i b 提出了竞争和协作神经网络，这一年f e l d m a r m 和 b a l l a r d 给出了所谓联络注意模型；1 9 8 4 年h i n t o n ，s e j n o u s k i 和a c h l e y 提出了玻尔 兹曼机，同年k o h o m e n 提出了联想记忆模型；特别是1 9 8 6 年r u m e l h a r t 和m c l e l l a n d 等人提出了p d p ( p a r a l l e ld i s t d b u e dp r o c e s s i n g ) 理论框架。在这个框架中给出了至今 很大的学习算法一误差反向传播算法( e r r b a c k p r o p a g a t i n gm e t h o d ，简称b p 算法) 人工神经网络的研究成果被迅速应用于智能控制系统中，出现了人工神经网络控制 的研究热潮。人工神经网络的学习、记忆能力与处理定量数据的能力恰好和模糊逻 辑的定性知识表达能力有互补性，因此，近年来，神经网络与模糊控制相结合的研 究形成一种趋势。 1 3 智能控制在焊接中的应用 1 3 1国外应用情况 1 9 8 5 年，l e c k o vd i m i t e r 对模糊控制自适应弧焊机器人进行了研究。提出用模 糊模型描述弧焊机器人工作状况不确定性，该机器人为示教型机器人，借助配置的 非接触式激光传感器，它能按示教内容对焊缝进行跟踪。试验结果表明：采用模糊 概念可以进行在线估计，预测和控制。该控制算法由三级微机控制器进行了验证， 效果良好。 1 9 8 9 年，日本的m u r a k a m is 研制了基于模糊控制的弧焊机器人焊缝跟踪控制 系统。该控制系统可以根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件距离间的关系确定焊点的 水平位移和垂直位移，并确定弧焊机器人焊枪的调整方向以及调整量。 1 9 9 0 年，l a n g a r ig u s 在弧焊质量控制的研究中采用了模糊子集描述控制规则， 对给定的参数模型，可以根据过程输出量的变化范围，按照在线修正规则建立弧焊 规程自组织模糊控制系统。 第3 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 英国的k o u a t l ii 以弧焊机器人焊接不规则焊缝为例，介绍了模糊逻辑理论的基 本原理和模糊控制器的设计技巧及具体规则。1 9 9 1 年k o u a t l i i z 提出了“模糊圆” 的方法进行论域划分及模糊集类型的选取，并采用智能工程技术提取过程信息以辅 助设计模糊逻辑控制器，从而使模糊逻辑控制器的设计变得更为简捷、有效。该方 法也由t i g 焊智能机器人进行裂缝补焊的应用实例得到了验证。 日本的大岛健司将模糊控制应用于焊接过程，而o s h i m a k e n j i 采用了模糊控制 方法控制脉冲m i g 焊的熔宽，并建立了一套弧焊机器人模糊专家系统。同年，日本 的k a n n a t e y a s i b ue l i j a hj r 也成功的应用模糊控制方法实现了m a g 焊熔池的控制。 1 9 9 2 日本的山敏根【1 4 1 针对脉冲m i g 焊接熔池的传感和模糊控制进行了研究， 得出了用模糊控制器来控制熔池形状。 1 9 9 2 年日本的原田章二介绍了用于铝焊接的模糊控制m i g 焊机的规范自动给 定以及模糊控制的效果。印南哲采用模糊控制进行c 0 2 m a g 自动焊机的开发，根 据模糊控制确定电极和母材之间的距离，以及最佳送丝速度。 1 9 9 3 年k i mjw 在c 0 2 气保焊的试验中，分别采用简单模糊控制器和自组织模 糊控制器对焊缝进行跟踪，并研制了一套电弧传感器焊缝跟踪系统。 1 9 9 4 年在i i w 第4 7 届年会上发表了关于带有模糊推理的机器人焊接时基于信 息处理的熔深控制知识的研究论文。 1 9 9 6 年，日本的a r a k i ，k e n j i 提出了用于点焊系统的自适应模糊控制器，将模糊 控制与自适应理论相结合，能够实时控制焊接电流和能量输出。同年，y a m a g u c h i 将神经网络引入摩擦焊接头的无损检测技术中，结果表明优于其他的一些统计方法。 1 3 2 国内发展情况 1 9 8 8 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。1 9 8 9 年，方字洞采用了一种基于逻辑模糊方法的形式化模型，并用模糊综 合评判方法对所选定的焊接方法进行了评判，评判结果与人们的经验结论基本相同。 赵孔新提出在晶体管逆变弧焊电源的研究中采用模糊控制器，以电流偏差和偏差变 化率作为两个输入量，根据人工操作经验和实验总结出的模糊控制决策表，通过软 件编程，由m c s 5 1 单片机系统实现了晶体管逆变弧焊电源的微机模糊控制。 1 9 9 3 年，王艰应用模糊逻辑研究了p m i g 焊焊接电弧电压的模糊控制。 1 9 9 4 年，陈强介绍了电弧焊中应用模糊控制的些研究工作与试验结果，并以 m i g 焊接熔透控制为例，说明一个典型的单输入单输出模糊控制系统的结构和决策 第4 页 ， 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 运算方法。 1 9 9 5 年，黄石生【1 6 】研究了t i g 焊熔宽的参数自调整模糊与积分的混合控制， 提出了参数的自调整模糊与积分的混合控制式，以兼顾系统的动静特性。 张慧，董春林等人研究了模糊控制技术在等离子焊接中的应用，介绍了等离子 焊接模糊控制系统的组成，模糊控制器隶属度和规则表的设训”。 1 9 9 7 年，张忠典等人采用神经网络估测器对系统焊接接头的焊点力学性能无损 在线分析，在此估测器中，经训练的神经网络将用于描述动态电阻曲线与焊点力学 性能的映射关系。试验结果证实了神经元网络用于描述这类场合的可行性和有效性。 甘工大樊丁等人通过神经网络的运用，实现对c 0 2 气体保护焊的过程智能控制， 达到自动减小焊接飞溅的目的。研究利用短路过渡开始及结束时的电弧声能量表征 飞溅的大小。一个神经网络用来辨识电弧声能量和短路过渡频率的关系，此参数作 为神经网络控制器的输入，实现对实际的c 0 2 焊接规范参数的控制。 1 9 9 7 年，吴林等人运用模糊神经网络和计算机图象处理技术对脉冲g t a w 焊 动特性进行控制，实验结果表明，该方法可用于控制复杂焊接过程中的复杂变量。 总之，智能控制虽然在许多领域得到了广泛研究和应用，但在焊接界却不仅起 步晚，而且也不够深入，焊接过程十分复杂，具有非线性、时变、干扰因素众多等 特点，很难获得准确的数学模型，智能控制在焊接领域研究和应用的未来发展方向 应主要放在如何使业已成熟的一些智能控制理论与焊接过程的实际结合起来，发展 专用的焊接智能控制器进而发展成通用的焊接智能控制器，其中将神经网络与模糊 控制相结合的估计器，学习和推理能非常类似于人脑，并易于硬件实现。 1 4 智能化闪光焊机的研制设想 1 4 1 模糊控制思想的引入 闪光焊过程是多参数综合影响、电气环境相对恶劣的过程，其焊接过程的不连 续性以及高度非线性使得对闪光焊过程建立精确的模型非常困难，甚至根本无法建 立数学模型，对于这样的复杂系统经典控制理论及现代控制理论都是无能为力的， 因为两种作为常规的控制理论，其共同特点是：各种理论方法都是建立在对象的数 学模型上的。在常规控制理论形成和发展过程中，特别是在控制系统理论遇到困难 时，人们已经注意到开辟控制理论的新途径避开数学模型，直接用机器模仿工 程技术人员的操作过程，实现对复杂过程的有效控制，这也就符合了新一代控制理 论智能控制的思想。 第s 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 在实际的生产过程中，技术熟练的焊工对于复杂的焊接过程都能应付自如的进 行操作，这主要得益与人类的智能考察焊工控制熔池的过程，若将焊工的操作经验加 以归纳总结，可以看到如下规律： 经验之一：如果熔池较小，且未见增大的趋势，则需加大焊接电流。 经验之二：如果焊接熔池合适，切没有变化的趋势，则维持原焊接电流。 观察判断：熔池稍觉偏大，且无变小的倾向。 所需操作：将焊接电流略微降低。 模糊控制就是以这种形式的人类的思维逻辑为基础建立的一种新型的控制技 术，它起源余6 0 年代发展起来的模糊数学。尽管目前在稳定性方面的理论尚有待进 一步的完善，但在广泛的实际应用中以显示出其突出的优越性能【6 】。 本课题中闪光焊机的控制系统就是基于模糊控制的智能化系统。有关模糊控制 器的原理与实现将在第二章详细讲述。 1 4 2 友好的操作界面及可靠的数据通信 智能化设备的一个显著特点是操作上的简单易行，即所谓的“傻瓜式”操作。因 此本闪光焊设备除了常规的控制箱之外，还配备了基于p c 的上位机操作界面，在 w i n d o w s 下采用窗口界面完成交互式人机对话，要完成某一功能，仅需用鼠标点 击相关功能按钮即可完成操作，工作过程中的运行状态出可由窗口的图形数字读 出。 同时上位机程序的另一个主要用途是采用数据库将每次运行时的焊接参数进行 保存，这样不仅可以针对具体工件进行相关焊接参数的优化选择，还可以在完成示 教操作取得满意效果后进行批量生产，从而大大提高生产效率。 设备的上位机和下位机的一个或多个单片机进行通讯，以完成信息收集与处理， 实现方便操作。本设备中采用了r s 一2 3 2 c 标准串口通信，并制定了相关通信协议配 合中间接口板的方法，实现了一台p c 与多个u 快速、有效的数据通讯。 第6 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 1 4 3 智能化闪光焊机的组成及控制 本智能化闪光焊机的主要组成部分包括机械装置、供电装置和控制装置三 部分。如图1 4 3 1 所示。 机械装置主要包括焊接主机机架，动、静夹具，以及液压站等。其中液压站通 过驱动动家具实现工件的送进与复位。 供电装置包括焊接变压器，晶闸管主电力开关等组成。 控制装置包括上位机、下位机的模糊控制器及控制箱等组成，通过控制箱与上 位机均可实现焊接操作过程。模糊控制器负责焊接参数的采集与处理，并通过执行 第7 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 机构实现对焊接过程工件进退、焊接热量的控制等。 1 5 课题来源及要求 1 5 1 课题来源 ， 本课题是基于国内外闪光焊过程控制系统的发展状况，为适应国内焊接生产的 发展要求，南京理工大学焊接教研室自拟课题，并与镇江正茂集团镇江锚链厂合作 开发的一个项目。 1 5 - 2 技术要求 1 ) 控制模块 a 采用较为先进的单片机作为控制系统的核心。 b 采用良好的适应复杂焊接过程的控制算法。 c 提供简洁实用的控制面板与状态显示功能。 d 提供上位机操作软件，并具有数据存贮能力。 e 提供上下位机之问可靠的数据传输能力。 2 ) 机械模块 a 采用电液伺服系统作为送进机构。 b 提供可靠的适应多用途的焊接电极。 3 ) 供电装置 a 主电力开关采用大功率可控硅。 b 采用移相调压方式调节热量。 第8 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 2 闪光焊智能控制系统总体设计方案 2 1闪光焊工作过程分析 目前国内闪光焊机焊接过程一般为： 按下启动开关，夹紧机构动作，将被焊两工件分别夹紧；送进系统( 多为凸轮 式) 动作，从而使动夹具夹持工件向静夹具夹持的工件移动；控制系统通过检测电 压信号判断两工件是否已经接触，接触后端面上的一点或数点便形成点接触，焊接 电流将其迅速加热至接触点熔化，在两端面间形成金属过梁，过梁内部被加热至呈 现金属蒸气。这样一直达到闪光稳定而剧烈的程度时，开始转入顶锻阶段。液体过 梁因端面间隙突然减小导致端面增大而不再爆破，闪光停止，工件端面区域进行了 足够而适当的塑性变形，把再闪光阶段氧化的金属排挤到毛刺中去，形成闪光焊接 接头。动夹具恢复到原位。整个过程动夹具按一定的位移曲线运动。 通过分析，可以得出传统的焊机无法对焊接过程进行有效的检测和控制调节， 没有采用良好的闭环控制；不能保证实时在线的控制和焊接过程的平稳，即焊机不 具有智能化控制功能没有参数预置、质量预测等功能。 针对以上问题，本课题中所设计智能化闪光焊机控制系统增加以下功能： 1 )设计开发上位机应用程序，主要提供友好的可视化操作界面，完成焊接过程的 控制与相关焊接参数的存贮，并可通过焊接电流曲线、动夹具位移曲线等数据 进行焊接质量评估。 2 )控制模式设置为示教、焊接两大部分，在示教模式下，针对不同工件进行焊接 过程的模拟，设置、保存焊接参数；在焊接模式下，则系统自动按照示教方案 进行焊接。 3 ) 采用的模糊控制思想实现焊接过程的控制，在焊接过程当中实现焊接的闭环控 制，并进行自动修正焊接输出控制。 4 )采用电液伺服阀作为动夹具送进控制系统，可根据实际需要得到不同的位移曲 线，从而实现了对工件送进的灵活控制。 2 2 总体设计方案逻辑框图 本智能化闪光焊机控制系统的总体逻辑框图如图2 2 1 所示。主要包括上位 p c 机、下位模糊控制器及焊接主机三大部分。p c 机与模糊控制器间采用串行通信， 模糊控制器对焊接电流、电压进行采集处理后输出控制信号。 第9 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 图2 2 1 智能化闪光焊机控制系统总体设计 2 2 1闪光焊机机械组成及原理 该智能化闪光焊机主要机械组成如图2 2 1 1 所示。 其中电液伺服系统包括油泵、驱动电机、油缸、电液伺服阀等，电液伺服阀接 受控制系统的控制信号，控制液压油缸的运动，来实现静、动夹具的夹紧、松开及 动夹具的前进、后退等动作。 焊接电源有大功率可控硅控制在焊接时提供电极( 动、静夹具) 所需电压与电 流。并使焊接电流按照焊接工艺可调。 第1 0 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 图2 2 1 1 闪光焊机主要机械组成 2 2 2 控制系统硬件电路总体设计 本控制系统硬件主要包括如图2 2 2 1 所示，实物照片见附录。 图2 2 2 1 控制系统硬件电路 1 ) 主控板：为控制系统核心，主要包括： a ) 8 0 5 1 单片机，它是模糊控制器的“大脑”，负责完成反馈数据的处理，并根 据模糊控制规律进行判决，发出控制命令。 b ) e p r o m 2 7 c 6 4 作为系统扩展的8 k 程序存储芯片，r a m 6 2 6 4 作为系统扩展 的8 k 数据存储器。 c ) 看门狗电路，为单片机系统提供上电复位、手动复位及程序跑飞或出现异 常时自动复位。 d ) a d 0 8 0 9 作为焊接电流、电压等模拟信号到单片机可识别的数字信号的a d 第1 l 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 转换芯片。 e ) 采用8 2 c 5 5 作为系统的并口扩展。 f ) 8 2 c 7 9 作为键盘l e d 显示控制芯片。 g ) 采用传统的7 4 h c l 3 8 进行地址译码，分别选通相应芯片。 2 ) 数据采集板：由a d 6 2 0 、i s 0 1 2 2 等应用电路组成，对传感器输出信号进行隔离、 滤波、采样保持，将稳定可靠的信号送至模数转换芯片。 3 ) 输出板：主要包括： a ) 光电耦合器t l p 5 2 1 、脉冲变压器及三极管将主控板输出的控制可控硅脉冲 列进行隔离放大电路。 b ) 光电耦合器t l p 5 2 1 、三极管将主控板输出的电液伺服阀控制信号进行隔离 放大电路。 c ) 光电耦合器t l p 5 2 1 、三极管主控板输出的l e d 显示控制信号隔离放大电 路。 4 ) 串口通信转接板：由两片m a x 2 3 2 芯片、五个d b 9 及拨码开关组成，实现r s 2 3 2 电平与r r l 电平的转换，并通过手拨码开关进行多路通信信道选择。 5 )电源板提供系统所需+ 5 v 、+ 1 2 v 、+ 2 4 v 电源。 2 2 3 控制系统软件总体设计 智能化闪光焊控制系统是一个较复杂的主从分布控制系统，其软件必须采用模 块化设计，各个模块完成特定的功能，由上位机以命令的形式统一调用。组织结构 如图2 2 3 1 所示。 上位机程序由高级语言c + + b u i l d e r 5 0 来编写，c + + b u i l d e r 5 0 是一个强大 的w m d o w s 平台上的开发工具，它面向对象的编程方法可以使开发人员在维护程序 是只需修改很小的代码，同时也加快了系统开发的速度；可视化的编程以及向导的 功能，使开发人员不必加入太多代码就可以开发出标准的w i n d o w s 程序；其自带数 据库开发工具b d e a d m i n i s t r i t e r 的访问特性允许对包括m i c r o s o f ts q ls e r v e r 和其他 企业数据库在内的大部分数据库建立数据库和前端应用程序。 在进行上位机程序编写时，开发人员主要利用其强大的界面设计功能，为使用 者提供一个友好的简洁的操作界面，包括示教时对动夹具方向的控制；焊接时焊接 参数的设定；利用其数据库访问功能为每一次示教建立数据库文件：显示示教和运 第1 2 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 i p c 王面云雨忑面i 磊i ? 圈圈圈 丁丁 弋夕 串口通信协议 彳、 ll 弋乡 圈匣巨 1 1下位机软件( c 5 1 )i j 一i 图2 2 2 1 控制系统软件总体结构 行时的一些数据和状况，如上下位机之间命令与数据的传送。上位机程序并不关心 底层的操作，它作为控制的“调度者”，负责通过串行通信向底层各个模块发出命 令和提供数据，协调各个部分运行，完成焊接过程。 下位机软主要采用单片机的c 语言c 5 l 编写，c 语言是一种编译型程序设 计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的的功能。c 语言有功能 丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现 对硬件的控制。另外c 语言是结构化程序设计语言，且具有完善的模块程序结构。 因此用c 语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显的增加软件的可 读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。同时，对于在 时间上要求比较严格的模块中运用了汇编语言以进行程序的优化。 涉及到底层的各项操作，又分为不同的模块，这样在软件编写上既相互独立， 完成各自不同的功能，又彼此联系，考虑到同时工作时的时序和对上位机命令的响 第1 3 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 应。下位机软件一共分为3 个独立的模块，分别是主程序、模糊控制器模块、串口 通信模块。 主程序根据上位机命令或键盘响应进行下位机各向操作的调度及监控。 模糊控制器模块有包括焊接参数采集与模糊化程序、模糊判决程序、模糊控制 判决表及相关控制程序等多个子模块。参数采集与模糊化模块完成焊接电流、焊接 电压的采样、a d 转换、模糊处理等控制：然后由模糊判决程序根据模糊判决表做 出控制选择；再由控制程序输出控制信号，该控制程序主要包括控制晶闸管脉冲列 产生程序、控制电液伺服阀电流信号产生程序、l e d 显示程序等。 串口通信监控模块完成上下位机间数据的接收与发送，并按照通信协议对上位 机命令进行“翻译”，交于主程序调用相关操作。 第1 4 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 3 模糊控制器的原理与实现 3 1 模糊控制器基础 3 1 1 模糊集合与隶属函数 从集合论可知，集合是指具有某种相同性质的事物的全体，构成集合的事物叫 集合的元素或元。而且在经典集合论当中，某个元素与某个集合之间只有属于和不 属于两种关系，不允许摸棱两可。 例如，不大于1 0 的自然数工( 0 ，1 ，1 0 ) 可以构成一个集合a ，表示为： a = x ix n ，x 1 0 j 经典集合论中对元素的描述只有属于和不属于两类，即真和假两个值。也因为 这中描使某些概念绝对化了。在现实生活中大量存在着不能仅用真和假描述绝对划 分的情况，例如“高个子”这个概念就不是绝对的，它反映了人们思想中的一种印 象，或是一种不严格的概念。而且人们对某人是不是高个子的描述一般为“真高”、 “挺高”、“不太高”、“不高”等。因此，对“高个子”这个集合来说，对元素的 描述是模糊的。这种由模糊概念描述的元素构成的集合就是模糊集合。 模糊集合的概念是由美国自动控制专家查德( l a z a d e h ) 提出的。它扩充了经 典集合的概念，对于某个元素是否属于某个集合，不仅用“0 ”和“1 ”两个值来描 述，而且把特征函数的取值扩充至f 0 1 1 闭区间的连续值。由此来描述该元素是否 属于模糊集合的程度。模糊集合的特征函数称为隶属函数。隶属函数的值成为隶属 度。 如何用数学式子表示各元素x 。的全体属于模糊集合j 的程度呢? 设论域u 即所讨论元素的全体为u ，彳是一个模糊集合，论域u 中的元素x ( 包 括五，托，x 拧) 属于j 的程度由隶属函数表示，记作：( x ) ，可表示为 壁j ! 兰2 三兰互! 兰121 苎! 坐j ! 苎121 兰；：坐互f 兰121 兰af ! ：兰2 第1 5 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 通常，模糊集合往往是某一论域的子集，故常被称为模糊子集。例如高个子人 的集合是人的集合的子集。 3 1 2 模糊集合的运算 由于模糊子集的特征函数是它的隶属函数，所以进行两个模糊子集运算时通常 都是逐点对其隶属度进行相应的运算。1 9 7 3 年b e l l m a n 和g i e t z 从数学证明了下述 结论。 1 ) 模糊集合的并 两个模糊子集彳和茸并的隶属函数j 岣( 为： 加( x ) - - m a x 嗡( x ) ，如( x ) 】 ( 3 5 ) 或表示为 j 惦( x ) 2 心( x ) v 如( x ) 】 ( 3 6 ) 式中“m a x ”和“v ”表示取最大运算，即取隶属度大的数为运算结果。 2 ) 模糊集合的交 两个模糊子集彳和豆交的隶属函数卢j 憎( x ) 为： 加( x ) - - m i n “a ( x ) ，如( x ) 1 ( 3 7 ) 或表示为 j 俯( x ) 2 心( z ) a i ( x ) 】 ( 3 8 ) 式中“m i n ”和“a ”表示取最小运算，即取隶属度较小的数为运算结果。 3 1 3 模糊关系 在经典集合中两个集合的关系是由他们的直积表示的，因此在分析关系之前先 给出集合直积的定义： 如果存在集合a 和b ，那么 a b = 0 ，6 ) ia a ，b b )( 3 9 ) 称为集合a 和b 的直积，也称为笛卡儿积。 式中花括号内竖线前的( 口，6 ) 表示a b 中的元素都是按先a ( a 的元素) 后b ( b 的元素) 的顺序各取一个元素，搭配成( 口，b ) 对，称为序偶。所有这些序偶( 口，6 ) 的 全体构成一个新的集合，称为直积a x b 。例如，若a = 妇。，口：，q ，b = 瓴，b 2 ，b 3 ， 那么直积a b 为： 第1 6 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 i ( d l ，6 i ) ( 口l ，b 2 ) ( a l ，如) i a x b = ( a 3 ，轨) ( 口2 ，b 2 ) ( 口2 ，玩) ( 3 1 0 ) i ( 码，b 。) ( a ，b 2 ) ( ，6 3 ) j 式中元素( d 。，b 。) ，( q ，b ：) 等等表示某种关系。这些元素的全体便是集合a 和b 的关系r 。r 是直积a b 的一个子集。关系r 取值为“0 ”或“1 ”。 模糊集合彳和百的直积彳占= ( 口，6 ) i 口互b 毫两中的一模糊子集复，则称为 彳到否的个模糊关系。模糊关系中序偶( 口，b ) 的隶属度为i ( 口，b ) 。 3 2 模糊控制器原理及基本构成 模糊控制可被认为是在总结采用人类自然语言概念操作经验的基础上升华而发 展起来的模仿人类智能行为的一类控制方法，即f u z z yc o n t r o l 。这类控制系统的核 心是f u z z y 控制器，其作用是将误差等精确量“模糊化”为模糊量，然后根据基于 语言控制规则或操作经验提取的模糊控制规则推理得到控制作用的模糊量，最后采 用一定的“清晰化”( 去模糊) 算法将模糊控制量转化为精确控制量的输入给执行机 构一完成系统的f u z z y 控制调节过程。 一般模糊控制系统的基本结构组成如图3 2 1 所示。 f u z z y 控制器 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 图3 2 1 基本f u z z y 控制系统结构 图中虚线框表示f u z z y 控制器，包括输入量的模糊化( f u z z i e r ) ，模糊控制算 法( 模糊推理机：f u z z yi n f e r e e n e o r ) ，控制量的模糊判决( 去模糊器：d e f u z z i e r ) 。 d 为系统设定值( 精确量) ，e ，a 分别为系统误差和误差变化率( 精确量) ；营，e e 分别为系统误差和误差变化的语言变量的f u z z y 集合，疗为f u z z y 推理算法给出的 控制作用语言变量的f u z z y 集合( f u z z y 量) ，u 为f u z z y 控制器的输出的控制作用 ( 精确量) ，y 为系统输出( 精确量) 。 图3 2 1 中控制器以误差e 和误差变化a 双变量为输入，控制作用u 为单变量输 出的双入单出控制器。常见的f u z z y 控制器结构还有以误差输入e 和控制作用u 输 出的单入单出形式等。应用中依控制对象的操作复杂性而确定不同的控制器结构。 第1 7 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 在模糊控制系统中，是运用模糊数学理论进行数量集合之间的变换，严格的模 糊推理计算，最终以计算机实现模糊控制算法运用于系统之中。其推理过程可以表 示为： 如果输入e 为豆，并且输入c e 为0 e ，那么输出u 便为疗，。可写成： 证ei s e j a n dc ei s c e t t h e n ui s u i 其中，e ，c e 为输入量，u 为输出量，豆，西，谚是表示人们知识的语言 值，如“大”、“中”、“小”等。这些语言值被定义为模糊子集。一系列这样的规则 就体现了人们对某一对象进行控制的思维过程。 事实上是将人类语言概念和思维方式的模糊性赋予模糊数学的工具严格地量化 实现，因此说“f u z z y 系统”不模糊。 3 3 智能化闪光焊机模糊控制器的实现 要实现语言控制的模糊控制器，就必须解决三个基本问题。第一先通过传感器 把要检测的物理量变成电量，再通过模数转换器把它换成精确的数字量，精确量输 入至模糊控制器后，首先要把精确的输入量转换成模糊集合的隶属函数，这一步称 为精确量的模糊化。其目的是把传感器的输入转换成知识库可以理解和操作的变量 格式。第二个问题是根据有经验的操作者和专家的经验制定出模糊控制规则，并进 行模糊逻辑推理，以得到一个模糊输出集合即一个新的模糊隶属函数，这一步称为 模糊控制规则的形成和推理。其目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每一个模 糊控制规则确定其适配的程度，并且通过加权计算合并那些规则的输出。要解决的 第三个问题是根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数，用不同的方法找一个具 有代表性的精确的值作为控制量，这一步称为模糊输出量的反模糊判决。其目的是 把分布范围概括合并成单点的输出值，加到控制器上实现控制。 本课题中，模糊控制器的核心是基于i n t e l 8 0 5 1 单片机系统的嵌入式应用系统。 其前向通道完成焊接电流，焊接电压以及动夹具位移量的采集，并通过软件实现该 输入量的模糊化，迸一步通过查表实现模糊判决由后项通道实现对电液饲服阀与晶 闸管的控制，从而实现对工件送进速度与焊接电流的调节，达到闭环控制的目的。 它的基本组成如图3 3 1 所示。 模糊控制器输入包括焊接电流i 、焊接电压u 、动夹具位移s 共3 个变量，输出 控制量主要包括电液伺服阀输入电流即p w m 脉冲信号以及可控硅触发脉冲信号共 两个变量。 第1 8 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 图3 3 1 模糊控制器基本组成 其中动夹具位移s 是由三个开关量表示的的，初始是开关均处于关断状态，当 动夹具运动至某个开关时开关打开。 根据闪光焊的焊接过程，本系统中设计的模糊控制器推理过程为： 在闪光焊的起始阶段，模糊输入量为动夹具位移s ，模糊输出量为p w m ，此时 模糊控制器为单入，单出形式： 在预热阶段，模糊控制器输入量为焊接电流与焊接电压反馈值，输出为p w m 脉冲及s c r 触发脉冲，此时模糊控制器为双入仞拙形式： 在顶锻阶段。模糊控制器输入量为焊接电流与焊接电压反馈值，输出为p w m 脉冲，此时模糊控制器为双入，单出形式； 在焊接结束时，模糊控制器输入量为模糊输入量为动夹具位移s ，模糊输出量 为p w m ，此时模糊控制器为单入，单出形式。 3 3 1 精确输入量的模糊化 输入模糊化的任务是把输入给模糊控制器的精确量转换成控制规则所需的模糊 量，既找出该精确量隶属于某个模糊子集的隶属度，常用的方法有正态分布法、梯 形表示法以及查表法。正态分布法与梯形表示法都需要大量的数据计算，而m c s - 5 1 系列单片机的计算能力相对较弱，但是其查表程序简单可靠。因此本系统中精确量 模糊化是通过查表得到的。 查表法的特点是计算速度快，并且由于输入被转化为有限的离散值，可以把模 糊控制的规则合并放于一个表中。经过这样的合并以后可以减少在线计算量，加快 模糊控制速度。但是由于输入量的舍入，造成一定的信息损失，从而影响系统的控 第1 9 页 硕士论文基于模糊控制的智能化闪光焊控制系统研制 制性能。因此在系统调试时耍反复修整表格，因此增加了调试的工作量。 要实现查表法首先要总结出输入量的的隶属函数值，明确精确量与模糊量之间 的对应关系。分析如下： 对于动夹具位移参量，主要是通过三个开关量k 1 ，k 2 ，k 3 ，得到的，它们在 软件中分别对应三个布尔量b k l ，b k 2 ，b k 3 ，。当动夹具在“起始”位置时，四个布 尔量为“假”；当经过第一个开关后，动夹具到达预热之前的位置，b k l 为“真”； 经过第二个开关时，为预热开始位置，b k 2 为“真”；当到达第三个开关时为“顶煅” 表3 3 1 1 动夹具位移模糊输入表 弋 b k lb k 2b k 3 s k s o0 0 s r q 100 s y r110 s d d111 开始位置，b k 3 为“真”。