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j 町海大学碗士研究生论文自适应模糊控制电弧传感器设计 摘要 在现代社会高速发展的今天，c o , 气体保护焊得到越来越广泛的应用，但传统的手 工焊接方法已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求，发展和提高c 0 ：气体保 护焊的焊接过程自动跟踪技术是解决上述问题的主要途径。短路过渡的c o , 气体保护焊 过程具有非线性和不确定性，干扰因素众多，很难得到一个理想的数学模型进行控制。 而模糊控制作为一种基于人类思维来设计的智能控制方法，控制策略不需要数学模型， 为焊接自动化提供了一条较好的途径。本文介绍了短路过渡的c o 。气体保护焊电弧传感 器，通过对摆动过程中焊接电流的变化来判别焊缝偏移情况，采用模糊控制得到控制输 出，并将数据经串口通信传送到p c 机上加以显示和分析。以常规模糊控制器设计为基 础，探讨了量化困子和比例因子、隶属函数、非模糊化方法等对控制器控制性能的影响。 针对常规模糊控制器的不足，提出了全论域规则自调整模糊控制，实时调整控制器的控 制规则，从而使系统具有一定的自学习能力，并采用i a t l a b 对所设计的控制器性能进 行了仿真。同时，以单片机为主要控制硬件，进行了整个控制器的硬件和软件设计，最 后通过试验，验证了c 0 。气体保护焊自适应模糊控制电弧传感器的可行性和实用性。 关键词c o ：气体保护焊电弧传感自适应模糊控制单片机 河海大学硕士研究生论文自适应模糊控制电弧传感器设计 a b s t r a c t i nm o d e ms o c i e t y , c 0 2s h i e l d e dw e l d i n gc a nb es e e ne v e r y w h e r e ，b u th a n dw e l d i n g c a l l tm e e tt h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yr e q u i r e m e n t so fh i 曲- t e c hm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，i ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pa n dp r o m o t et h ea u t o m a t i o no fc 0 2 s h i e l d e dw e l d i n g t h ep r o c e s so f s h o r tc i r c u i tt r a n s i t i o ni sn o n - l i n e a ra n dw i t hm a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，a n di ti sd i f f i c u l tt o f i n da ni d e a lm o d e lf o rc o n t r 0 1 a sab r a n c ho fi n t e l l i g e n tc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o li sb a s e do nh u m a n st h o u g h ta n d d o e s n tr e l yo nm a t h e m a t i c a lm o d e l a n ds oi ti sag o o dm e t h o df o ra u t o - t r a c k i n gi nw e l d i n g i nt h i st h e s i s ，a na r cs e n s o rb a s e do nf u z z yc o n t r o li sd e s i g n e d t h r o u 曲t h ec h a n g eo f w e l d i n gc u r r e n ti nw a v i n g ，t h ea r cs e n s o rj u d g e st h ee x c u r s i o na n dp r o v i d e st h ea d j u s t i n g o u t p u t ，m e a n w h i l e ，i tt r a n s m i t s t h ed a t aa c q u i r e dt oap e r s o n a lc o m p u t e rt ob ed i s p l a y e da n d a n a l y z e d b a s e d o n g e n e r a lf u z z yc o n t r o l l e r ，t h et h e s i sg i v e sh o w t h ec o n t r o l l e r sp e r f o r m a n c e i si n f l u e n c e db yf a c t o r so f p r o p o r t i o n a l i t y ，m e m b e r s h i pf u n c t i o na n dd e f u z z i f i c a t i o nm e t h o d f o ro v e r c o m i n gt h es h o r t c o m i n g so fg e n e r a lf u z z yc o n t r o l l e r , r u l e ss e l f - a d j u s t i n gf u z z y c o n t r o l l e ri nw h o l ed o m a i ni sp u tf o _ l w a r d ，i tc a nr e a l t i m e l ya d j u s tt h ec o n t r o l l i n gr u l e s ，s oi t h a ss o m e s e l f - s t u d ya b i l i t y , a n d r e l a t i v es i m u l a t i o ni sd o n ei nm a t l a b m o r e o v e r , b a s e do n am c u ，t h eh a r d w a r ea n ds o r w a r ea r ed e s i g n e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h e s e l f - a d a p t i v ef u z z y c o n t r o l l e ri sp r o v e db yt e s t s k e y w o r d sc 0 2 s h i e l d e dw e l d i n g f u z z y c o n t r o l s e l f - a d a p t i v e m c u l i 河海大学硕士研究生论文 箱一章绪论 第一章绪论 自从1 8 8 1 年电弧焊发明以来。随着机械、电力、材料等行业的发展，焊接技术已成为一种最重 要的金属热加工技术。经过几十年的发展，出现了各种各样、不同类型的焊接方法，但目前世界上 应用最多最广的、综合性价比最高的焊接方法仍然是0 0 2 气体保护焊它广泛运用于农业机械、汽车 工业、船舶制造业、压力容器、石油化工、海洋工程等方面，成为机械制造业中应用最广、发展潜 力最大的焊接方法之一”1 。 和其它的电弧焊相比，c o t 电弧焊具有生产率高、焊接成本低、能耗低、抗锈能力强等优点但 c o ：电弧焊也有着难以克服的缺点：焊接过程中有金属飞溅，焊缝外形比较粗糙。且不论从焊接电源、 焊接材料和工艺上采用何种措施，也只能傻其飞溅减少，并不能完全消除。与氩弧焊、埋弧焊等相 比，这是c 0 ：气体保护焊的不足之处，也严重影响了c 嘎电弧焊的推广。 1 1c o ：气体保护焊焊缝跟踪传感器的发展 随着焊接自动化技术的迅猛发展。焊缝跟踪系统成为焊接领域的一项主要研究课t 早在4 0 年代 埋弧焊刚刚诞生，电弧焊走上自动化道路的初期，人们就急待解决焊缝跟踪这个问题，以避免由于 导轨安置和传动误差等原因造成的对中误差和操作工的校正操作。c 如气体保护自动电弧焊中这种 校正操作使工人无法承受强烈的弧光辐射。近几年来，由于窄间隙厚板自动焊、全位置自动焊、螺 旋管曲线焊及弧焊机器人的开发研究。使这一问题更加突出。 焊缝跟踪系统主要由传感器和随动机构组成，如图1 1 所示。从控制系统结构来看，它是以电 弧( 焊炬) 相对于焊缝中心位置的偏差作为被调量，焊炬位移量为操作量的闭环控制系统”a 在整 个闭环系统中，传感器起着非常重要的作用，它决定着系统的跟踪精度。在焊接过程中传感器必 须精确地检测出焊缝( 坡1 3 ) 的位置和形状信息。然后传送给控制器进行处理。随着大规模集成电 路、半导体技术、光纤及激光等的迅速发展，促进了焊接技术向自动化、智能化方向发展，出现了 多种用于焊缝跟踪的传感器它们主要是检测电磁、机械等各物理量的传感器。我们知道在电弧 焊接的过程中，存在着强烈的弧光、烟尘、电磁干扰以及高温辐射、飞溅，焊接过程伴随着热传导 b 物理化学冶金反应，工件会产生热变形，因此，用于电弧焊接的传感器必须具有很强的抗干扰能 力。 图l _ 1 焊缝跟踪系统示意图 目前，焊缝自动跟踪传感器主要有以下几类： ( 1 ) 接触式机械电子传感器利用与坡口接触的探针、杠杠等机构，通过光敏元件、微动开关等 产生偏差信号。 l 自适应模糊控制电弧传感器设计 ( 2 ) 电磁感应式传感器，利用差动变压器次级线圈输出电压的差值反映偏差信号。 ( 3 ) 光电传感器，利用自然光、激光等照射焊缝坡口或边缘，通过接收反射光判断差值。 ( 4 ) 电弧传感器，从电弧电流和电压的变化中获得焊缝横向和高低偏差信息。当焊炬与工件距 离变化时。电流相应改变，以保持原有的熔化率。因此电弧电流的变化反映了焊炬高度的变化， 通过电弧扫描焊缝的坡口。从电流波形特性中可获得焊炬横向对中的信息。 ( 5 ) 视觉传感器，通过c c d 等设备直接获取焊缝图像。经处理获取偏差信号。 ( 6 ) 超声波传感器，利用超声波脉冲在金属内传播时的界面反射现象，可以接收到反射波脉冲， 由入射反射波脉冲的行程，即可测得界面的位置。其测量精度主要取决于超声波的频率，一般 采用1 2 5 m h z 和2 5 i z 的晶体，频率越高，则误差越小。 以上传感器应用于不同场合，且各有优缺点： 接触式机械电子传感器其结构简单，抗干扰性好，工作可靠，但跟踪精度较低；由于采用机械 接触式，检测过程中受力，且处于高温的焊接环境中，磨损大，容易发生变形，影响跟踪精度；而 若将传感器尽量远离电弧，则又会产生导前误差。 电磁感应式传感器结构简单工作可靠。寿命长，但易受错边、强磁场等干扰。光电传感器结 构复杂，跟踪精度高但易受电弧光等干扰，抗干扰能力弱。由于传感器安装在焊枪的前方可能 会出现导前误差。 和其他传感器一样超声波传感器也存在着一定的问题：它对母材表面状况要求较高，承载超 声波的介质对超声波也有很大的影响。超声波传感器在c 吼电弧焊时，c o z 对超声波的吸收很严重， 使超声波的信号大大衰减其回波信号几乎为零”1 。 视觉传感器设备复杂，精度和可靠性较高。由于技术的先进和复杂性与可靠性常常是一对矛盾， 实际焊接生产结果表明，这一技术在焊接生产实际应用中，在可靠性方面还是存在一定的问题。其 次，视觉传感器技术的价格最高，难以应用于普通的焊接生产。只能h 于对产品质量较高、对自动 化水平要求较高的特殊焊接生产条什，如机器人生产线、人难以达到的危险焊接环境等。因此，视觉 传感器技术在焊缝位置及尺寸的检测方面虽然具有独特的前景，但在现今的条件下，对于一般的企 业，技术的可靠性、适用性及成本仍是任何一项技术应用的前提条件，因此，如何根据具体的焊接生 产研制出可靠的传感器就显得更为急迫和重要。 综台比较以上焊缝跟踪传感器的优缺点，考虑到c o z 气体保护焊时，存在着强烈的弧光、磁场、 烟尘、飞溅等干扰，工作环境极为恶劣，传感器能否在这种环境下稳定工作非常重要。相对于其他 传感器，电弧传感器结构简单，可在电弧状态下实时提供熔池表面位置信息，同时不受电弧的强弧 光、磁场、飞溅等干扰的影响。使其具有工作可靠、稳定性高等其他类型传感器所不能比的特点， 因此，国内外对于电弧传感器的研究很活跃。目前，国外已经有了商品化的用于弧焊机器人等的电 弧传感器，与国外相比国内存在着较大的差距，虽然也有这方面的研究成果，但在精确度、准确 度和抗干扰性等方面还不能令人满意。 1 2 模糊控制 尽管焊缝跟踪技术得到了很大的发展，但由于焊接是一个非常复杂的过程，焊接生产中 ：件的 2 塑整盔堂夔主堕塞生堡塞 塑= 童缝垒 加工误差、热变形、电磁干扰、卡具误差、焊接小车行走偏差及其他各种干扰因素的影响都会引 起焊炬位置的偏差，而这些影响因素都是不确定的、非线性的使得许多焊缝跟踪系统还不能得到 令人满意的结果( 如控制方法落后。系统稳定性、可靠性差笛) “1 。同时。由于电弧电流与焊炬高 度变化量之间是时变非线性的关系，其精确的数学模型难以建立尽管国内外学者研究了一些弧焊 工艺的动静态模型，但由于施焊现场存在严重的电磁干扰等，这些模型的适应性受到限制9 1 ，迄今 为止。还没有一种能满足所有焊接过程的焊缝跟踪系统每种焊缝跟踪系统都是针对具体焊接过程 而设计的，因此焊缝跟踪至今仍然是一个十分活跃的研究课题。 因此，在电弧传感焊缝跟踪控制中非常适于采用模糊控制器，它不需要被控对象的精确数学 模型，系统鲁棒性好，从而可使系统具有良好的性能。 模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采 用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是智能型的 模糊控制器。模糊控制系统的基本结构与原理如图1 2 所示，从图中可见模糊控制系统一般由以 下四个部分组成： ( 1 ) 模糊控制器：这是模糊控制系统的核心部分，也是和其它控制系统区别最火的环节。模糊 控制器由四个基本部分组成： 模蝴控制器 知识库 单一五_ ；i i 瓦一一i ；磊高面一+ 0 磊磊花一 1 一i一一三二：二= = = = ：=二一一= l 。一j 被控对蒙- - - 执行机构一n ，al 图1 2模糊控制系统结构图 a ) 模糊化：即把输入的精确量转化为模糊量。输入信号映射到相应论域上的一个点后，将其转 化为该论域上的一个模糊子集。 b ) 知识库：知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的目标，通常由数据库和模糊规则库 两部分组成。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、变换因子和模糊空间的分级数等；规则库 包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。它们反映了控制专家的经验和知识。 c ) 模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该推 理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。 d ) 解模糊化；作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际可用于控制的精确量，它 包括两部分内容：一是将模糊的控制量经去模糊变换变成表示在论域范围的精确量；二是将表示在 论域范围的精确量经量程转换变成实际的控制量。 ( 2 ) 输入输出接口装置：在实际系统中，多数被控对象的控制量及其可观测状态量是模拟量， 因此模糊控制器需要通过模数( a d ) 转换从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器的输出控 制量经数模( d a ) 转换为模拟信号卜送给执行机构去控制被控对象。 ( 3 ) 被控对象：可以是线性或非线性的、定常或时变的，也可是单变量或多变量，咀及具有强 耦合和干扰等多种情况。一般而言，对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，适宜选择模糊控 自适应模糊控制电弧传感器设计 制。 ( 4 ) 执行机构：可以是电气的，如交流、直流电动机伺服电动机、步进电动机等，也可为气 动和液压的，如各类气动调节阀和液压马达、液压阀等。 1 3 模糊控制技术的发展 由于模糊控制具有众多的优点，使它一经面世就成为全世界控制专家看好的控制方法，得到， 泛的应用。同时多种改进的或复合的模糊控伟4 器也不断涌现总结起来主要有以下几种类型： ( i ) 自校正模糊控制” ( 2 ) 自适应模糊控制 ( 3 ) 神经网络模糊控制 ( 4 ) 专家模糊控制 ( 5 ) 遗传算法模糊控制 从系统的稳定性和精度以及自学习能力等方面考虑，本文采用自适应模糊控制。 1 4 模糊控制技术在焊接中的应用 1 4 1 国外应用的情况 国外对于模糊控制在焊接中的应用起步较早，1 9 8 5 年，l a k o vd 采用模糊控制结合非接触式 激光传感器，对弧焊机器人焊缝跟踪进行了研究，试验结果表明效果良好。1 9 9 0 年，l a n g a r ig ” 在弧焊质量控制的研究中采用了模糊子集描述控制规则。该模糊子集的特征函数可以由自适应算法 进行修正，即每一条控制规则的具体内容随实际焊接过程状态的不同在不停变化着。1 9 9 1 年，k o u a t l i i ”“提出了“模糊圆”的方法进行论域划分及模糊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。日本的o s h i m ak e n j i “”采用模糊控制方法控制脉冲m a g 焊的熔宽并 建立了一套弧焊机器人模糊专家系统。1 9 9 2 年日本的山根敏针对脉冲m a g 焊接熔池的传感和模糊控 常0 进行了研究，提出用模糊控制器来控制熔池形状。日本的横尾尚志研究了模糊控制和模糊专家系 统，大岛健司研究了模糊控制宽度及焊缝跟踪控制的应用”“。 当前国外对于焊接中采用的模糊控制，已经进入到一个新的阶段，多种改进的或复合的模糊 控制器也不断涌现，如模糊专家控制器、模糊神经网络控制器等。此外，模糊系统建模、模糊控制 器的稳定性分析、模糊控制器的鲁棒性设计等一些热点和难点问题也都取得了进展。同时，模糊预 测控制、模糊诊断、模糊模式识别、模糊决镱与规划、模糊数据库与模糊程序设计语言等都属于较 为前沿的研究方向。 1 4 2 国内应用的情况 总体上来说，国内将模糊控制应用于弧焊过程的时间并未比国外晚太长时间，只是在应用的深 度以及系统的性能上还存在着不小的差距1 9 8 8 年，王嘉玲采用“模糊聚类分析”对不锈钢焊条的 工艺稳定性进行了分析，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 工艺稳定性和最有效地指导焊接生产。赵孔新提出在晶体管弧焊逆变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。根据人工掾作经验和实验总结出的模糊控制决策表，通 4 河海大学硕士研究生论文第一章绪论 过离线计算由m c s - 5 1 单片机实现了晶体管逆变弧焊电源的微机模糊控制。1 9 9 3 年，王坚应用模 糊逻辑学研究了p m i g 焊焊接电弧电压的模糊控制。1 9 9 5 年黄石生提出了参数自调整模糊与积分的 混合控制模式1 。 1 5 本文的主要任务 自适应模糊控制电弧传感器的研究主要包括传感方式和采用的控制方法的研究，本课题选用电 弧传感方式，采用自适应模糊控制方法，设计c o z 气体保护焊焊缝跟踪传感器，并将传感器采集到的 数据实时传送到p c 机上。进行波形显示等以及进一步的分析和处理。 基于以上设想。本课题主要完成以下任务： ( 1 ) 探讨在c o z 气体保护焊中，在考虑熔滴过渡等实际情况时如何更好、更准确地对焊炬偏移 方向和偏移量进行判别。 ( 2 ) 针对常规模糊控制器的不足之处，设计改进的、具有一定自学习能力的自适应模糊控制器， 分析各个参数的选择对控制器性能有何影响，并采用k i a t l a b 对设计的模糊控制器进行仿真，验证其 可行性和性能。 ( 3 ) 完成单片机自适应模糊控制器的硬件、软件设计。 ( 4 ) 完成上位机软件系统设计解决在高速数据采集时的数据串口传输问题。采取措施保证系 统的实时性。 ( 5 ) 通过试验检测所设计的自适应模糊控制电弧传感器性能。 5 自适应模糊控制电弧传感器设计 第二章模糊控制电弧传感焊缝跟踪系统理论基础 2 1 模糊控制电弧传感焊缝跟踪系统的工作原理 焊枪 廿匪：冈 叫皇墨卜 7y 易，l 匝巫乎1 j 二卜_ 屯圆卜 捍件佯仟 图2 1电弧传感焊缝跟踪系统工作原理 如图2 1 所示首先通过电弧传感器对焊接电流采样，经a d 转换，模糊量化后作为模糊控制 器的输入，根据模糊控制规则进行模糊推理，得到模糊输出，清晰化后得到步进电机的输出步数， 控制步进电机动作。使焊枪向减小位置偏差的方向移动，从而实现焊缝跟踪。 2 2 电弧传感器 2 2 1 电弧传感器发展概述 电弧传感器常用于内角的结构，可用于直接检测坡口位置在电弧状态下实时提供熔池表面位 置信息，也可用作弧焊机器人上的焊缝跟踪传感器，这也是电弧传感器当前成为各种焊接传感器中 最流行一种的原因。焊缝跟踪电弧传感器主要有以下几种： ( 1 ) 并列双丝电弧传感器。利用两个彼此独立的并列电弧对工件进行施焊，当焊枪的中心线未 对准坡口中心时，其作用焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个电流不相等，因 此根据两个电流差值即可判别焊炬位置并实现跟踪。 ( 2 ) 焊炬摆动式电弧传感器。当电弧在坡口中摆动时焊丝端部与母材之间距离随焊炬对中位 置而变化，它会引起焊接电流与电压的变化。由于受机械方面限制，摆动式电弧传感器的摆动频率 一般较低，限制了在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。在弧焊其他参数相同的条件下，摆动频率 越高摆动式电弧传感器的灵敏度越高。对于并列双丝电弧传感器和摆动电弧传感器，焊丝都需作 往复机械摆动。本文中采用的是摆动式电弧传感器。 ( 3 ) 旋转扫描电弧传感器。在带有焊丝导向的喷嘴旋转时旋转速度与焊接电流之间存在一定 的关系”1 。高速旋转电弧传感器可用于厚板问隙及角接焊缝的跟踪在结构上比摆动式电弧传感器 复杂，还需要在焊接工艺、信息处理等方面进行深入的研究目前尚未在实际生产中得到应用”。 由于电弧传感器具有许多的优点目前。国内外焊接界对电弧传感器的研究比较活跃。总体米 看与焊缝跟踪相关的电弧传感器的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 弧压传感式。通过对电弧电压的检测来反映焊炬与坡口表面距离的变化，主要用于钨极氢 弧焊中。对于c 0 z 气体保护焊来说。由于短路过渡弧压变动范围大，且其电源外特性一般为平特性 焊炬到工件距离的变化对电弧电压的影响很小，很难从电弧电压变化来判别是否偏离焊缝中心。 6 河海大学硕士研究生论文 第二章模糊控制电弧传感焊缝跟踪系统理论基础 ( 2 ) 弧流传感式。通过对焊接电流的检测来得到焊炬相对于坡口表面的距离变化从而判别焊 炬是否偏移，此种方法主要用于等速送丝熔化电弧焊中。 此外采用短路过渡频率、短路周期、电弧电阻变化等作为电弧传感器的信号也有一些研究 但目前对于气体保护焊来说还没有一种比较理想。因此综合考虑，本文采用弧流传感式。 2 2 2 电弧传感器的工作原理 知 彳i卮，缸 o 且焊枪左偏的偏移量 越大电流积分差值l 的绝对值l 工i 也越大。而当焊枪右偏时，同理可知，焊接电流积分差值五； s 卜5 x 0 ，且l 的绝对值i 五i 随着焊枪偏移量的增加而增大。这样，一方面，即使焊接过程中可能出 现尖峰干扰。但经分摊到整个左摆或右摆周期它的影响已大大减小；另一方面又可不必考虑焊 接电流脉冲的变化，从而有效地保证判断结论的正确性。 2 4 模糊控制的基本原理 2 4 1 模糊概念的起源 “模糊”一词的英语名称为“f u z z y ”从文字上理解包含了“含糊”、“不确定”等概念。人 们在生产中碰到许多事情，包括人脑的思维，都具有模糊性的特点。所谓“模糊性”。主要是指客观 事物彼此之间的差异在中间过度时的“不分明性”。例如：大和小，或很冷、冷、暖和、热和很热， 等等都很难用精确的数学语言划分出一条截然分明的界限。而经典数学只能精确地描述事物，难 以描述人们在日常生活中遇到的大量模糊现象和概念。随着科学技术的发展迫切要求能描述和处 理这些模糊现象和概念。人们在已有的经典数学的基础上，对它进行改造和扩充，产生了模糊数学。 模糊理论是在美国加闸大学伯克莱分校工程系的l o t f i a z a d e h 教授于1 9 6 5 年创立的模糊集合 理论的数学基础上发展起来的，是描述处理人类语言所特有的模糊信息的理论。主要包括模糊集合 ( 简称模糊集，f u z z ys e t ) 及其隶属函数( m e m b e r s h i pf u n c t i o n ) ，模糊糊算子( f u z z yo p e r a t o r ) 和模糊关系( f u z z yr e l a t i o n ) 。 z a d e h 教授首次提出了表达事物模糊性的重要概念隶属函数，从而突破了1 9 世纪末期德国 数学家g ，c o n t o r 创立的经典集合理论的局限性“。借助于隶属函数可以表达一个模糊概念从“完全 不属于”到“完全属于”的过渡，才能对所有的模糊概念进行定量表示。隶属函数的提出奠定了模 9 皇垩壅塑塑丝型皇墨生壁壁丝生 糊理论的数学基础。这样，象“冷”和“热”这些常规经典集合中无法解决的模糊概念就可以在模 糊集合中得到有效的表达为计算机处理这种语言信息提供了一种可行的方法。 1 9 7 4 年英国的e h m a m d a n i 首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个实验性的蒸汽机 控制，并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果。它的成功也标志着人们采用模糊逻辑进行 工业控制的开始从而宣告了模糊控制的问世。从将近半个世纪的发展来看，模糊逻辑应用最为广 泛的领域就是模糊控制，模糊控制在各种领域出人意料的解决了传统控制理论无法解决或难以解决 的问题，并取得了一些令人信服的成效。 对于模糊控制的评价是模糊控制不依赖于被控制对象精确的数学模型，当然它也不应该拒绝有 效的数学模型。模糊控制理论在特定条件下可以达到经典控制理论难以达到的“满意控制”，而不是 最佳控制。其次模糊理论的确有许多不完善之处比如模糊规则的获取和确定，隶属函数的选择以 及比较敏感的稳定性问题至今未褥到完善的解决。但是这些并不能否认模糊控制的科学性和有效性。 事实上它已经成为智能控制的一个重要分支。 2 4 2 模糊集合及隶属函数 在经典集合论中，任何一个元素与任何一个集合之问的关系，只有“属于”和“不属于” 两种情况，两者必居其一。而且只居其一，绝对不允许有模棱两可。比如“不大，丁8 的自然数”是 个清晰的概念，该概念的内涵和外延均是明确的。可是，我们也经常遇到没有明确外延的概念，这 种概念实质上是模糊概念。例如，“比8 大的多的自然数”就是一个模糊概念，无法划分一个明确的 界限，使得在这个界限内所有自然数都比8 大得多，而界限外的所有自然数都不比8 大得多。只能 说某个数属于“比8 大得多”的程度高，而另一个数属于“比8 大得多”的程度低，比如5 0 属于 “比8 大得多”的程度比1 6 属于“比8 大得多”的程度高。总的来说模糊集合的边界是不明确的 它是以不同强度( 隶属度) 具备某种特性的元素的整体。 模糊数学把集合的特征函数的取值范围扩大为 0 1 闭区间任意值的连续逻辑，并称之为模 糊集合的隶属函数，它是模糊集合的重要组成部分，在理论上隶属函数描述了一个论域中所有元素 属于模糊集合的强度。模糊系统中常用的隶属函数有高斯型、双侧高斯型、s i g m o i d 函数型、z 型、 s 型、梯形、三角形隶属函数，隶属函数可以是任意形状的曲线，取什么形状取决于它的使用是否 简单、方便、快速、有效，唯一的约束条件是隶属函数的值域为 o ，1 。 2 4 3 模糊关系 描述元素之间是否相关的数学模型称为关系，描述元素之闯相关程度的数学模型称为模糊关系。 显然模糊关系是普通关系的拓宽和发展，而普通关系可视为模糊关系的特例。模糊关系是模糊数学 的重要组成部分。当论域有限时，可用模期矩阵表示模糊关系。模期矩阵为模期关系的运算带来了 极大的方便，成为模糊关系的主要运算工具。 2 4 4 模糊推理 推理就是根据已知的一些命题按照一定的法则，去推断一个新的命题的恩维过程和思维方式。 简而言之，从已知条件求未知结果的思维过程就是推理。 使用传统的二值逻辑进行演绎推理和归纳推理时。只要大前提或者推理规则是正确的，小前提 是肯定的，那么就一定会得到确定的结论。然而，在现实生活中，我们获取的信息往往是不精确的、 1 0 不完善的；或者事实本身就是模糊而不完全正确的，但又必须利用且只能利用这些信息进行判断和 决策。此时，传统形式的逻辑和近代的数学逻辑均无法解决这类问题解决模糊性问题就需要用模 糊推理。 模糊逻辑推理是一种不确定性的推理方法，其基础是模糊逻辑它是在二值逻辑三段论的基础 上发展起来的一个严密的数学过程。通过总结模糊控制规则，建立模糊关系矩阵之后只要是已知 输入就可以相应地推理求出一个输出。 在实际应用中模糊控制有二种组成方式；一种是利用专业硬件芯片直接实现模糊控制的模糊 控制器。有推理速度快、控制精度高的特点，但它价格较贵、输入输出及模糊控制规则有限且灵活 性差，适用于单调或机械性操作控制。另一种是通过软件上的模糊控制葬法代替数字控制器的控制 算法的模糊控制，这种模糊控制器对资源开销少灵活性高应用范围比较广，是目前模糊控制应 用的主流。本文中采用后一种方式以单片机为硬件基础，通过软件编程实现模糊控制。 2 5 模糊控制的特点 ( 1 ) 模糊控制不依赖被控对象的精确数学模型，特别适宜对具有多输入一多输出的强耦合性、参 数的时变性和严重的非线性与不确定性的复杂系统或过程的控割。因为这类系统的精确数学模型很 难获得或根本无法找到。 ( z ) 模糊控制中的知识表示、模糊规则和合成推理是基于专家知识或熟练操作者的成热经验，并 通过学习可不断更新。模糊控制器是易于控制、易于掌握的较理想的非线性控制器，也是一种语言 控制器。 ( 3 ) 模糊控制抗干扰能力强响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。以模糊控制和 p i d 控制的比较为例，研究表明模糊控制较之后者不仅对被控对象参数变化适应能力强，而且在 对象模型结构发生较大改变的情况下，也能获得较好的控制效果”。 另外需要指出的是，在大多数应用中，传统控制与模糊控制是可以协同工作、互相补充的 而不是相互排斥的。 自适应模糊控制电弧传感器 殳计 第三章自适应模糊控制器设计 3 1 模糊控制器设计的设计内容 模糊控制系统的核心是模糊控制器，在本文中模糊控制依靠软件编程实现。实现模糊控制一般 需要完成以下任务：微机先采集被控对象输出信号的精确值，然后将该信号与给定值相比较得到误 差信号e ，把误差信号口的精确值进行模糊化变成模糊量，从而得到了误差e 的模糊语言集合的一 个子集丘f 此时实际上是一个模糊向量，最后，用f 和模糊控制规则斤( 模糊关系矩阵) 根据推理 的合成规则进行模糊决策，这样就可以得到模糊控制向量仉为了对被控对象实旆精确的控制，还 必须把模糊量转换为精确量( 非模糊化) u ，控制执行机构采取相应的动作。因此，整个自适应模糊 控制器的设计包括以下几项内容“： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量。 ( 2 ) 选择语言变量，确定模糊控制器的参数。 ( 3 ) 设计模糊控制器的控制规则。 ( 4 ) 进行模糊推理，确定模糊化及反模糊化方法。 ( 5 ) 编制模糊控制器算法的应用程序。 本章主要介绍模糊控制系统的结构、控制方法的设计以及应用k t t t l a b 仿真的结果控制器及系 统的硬件设计软件设计见下章。 3 1 1 模糊控制器的结构 模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。模糊控制器的控制规则一 般是根据人的手动控制规则提出的，两在手动控制中人所能获取的信息量基本为三个： ( i ) 误差e ，即实际采样值与给定初始值的偏差； ( 2 ) 误差变化a e ； ( 3 ) 误差变化的变化量a 2 e ； 因此模糊控制器的输入变量一般也取这三个。 模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制的维数。一维模糊控制器只以误差为输入变量，很难 反映过程的动态特性品质，它通常用于一阶被控对象，其动态性能不佳。从理论上讲，控制器的维 数越高，控制越精细，但模糊控制规则过于复杂，算法实现相当困难。而以误差和误差的变化作为 输入变量的二维模糊控制器。由于能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性。而控制规则 和算法又相对简单，因此这类结构的模糊控制器目前被广泛采用。 f u z z y 控制器 ，一、 厶 ii 。一 模糊 口 黼-p 叫苎竺翌竺h 控制 避 世-算法 图3 i 二维模糊控制器的结构 1 2 河海大学硕士研究生论文第三章自适应模糊控制器的设计 本文从系统的精度及稳定性来考虑，选用二维模糊控制器以焊枪左摆周期和右摆周期的焊接 电流离散积分差值三和差值的变化厶作为输入量，以步进电机的控制步数为输出量( 控制量) 。 整个系统的结构如图3 1 所示： 3 1 2 输入变量和输出变量词集的选择 模糊控制器的控制规则中描述语言变量也是根据人们对各种事物的变量的语言描述来制定。一 般来说，人们总是习惯于将同类事物分为大、中、小。或高、中、低三个等级。所以，一般选用“大、 中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态。考虑到变量的正、负性，一般在设 计模糊控制器时，人们对于误差、误差变化率和控制量的变化等语言变量，常用 负大，负中负小 零正小正中，正大) 这7 个语言变量来描述。用英文字头缩写则为 n b , 删：n s , z e , p s , ，馘 嘲。有时还将零值分为“正零( p o ) ”与“负零( ”两个值，这样就在原7 个值基础上构成8 个 语言变量值 n b , 删；n s , n 0 , m 愚p m , 户厨的模式。 选择较多的词汇来描述输入、输出变量，如选用正大、正较大、正偏中、正中、正较小正小、 零、负小、负较小、负中、负偏中、负较大和负大等1 3 个语言变量值，虽然可以使制定控制规则比 较灵活。控制规则本身也比较细致，但是相应地控制规则变得复杂，制定起来比较困难。而选择词 汇过小，则使得变量描述变得粗糙，导致控制器的性能变差。 根据以上原则，井综合考虑系统的控制精度和稳定性要求，输入输出变量均采用以下7 个词汇： 负大，负中，负小，零正小，正中正大 ： 英文缩写为： i n b , n m , 醛，z ，p s ，p m , p 豉； 3 1 3 论域的选择 根据语言变量的数目，模糊集论域中所含的元素的个数为模糊语言词集总数的= 倍以上，以确 保模糊集能较好的覆盖论域，避免出现失控现象。当然，增加论域中元素的个数，把等级细分，可 提高控制精度，但这受计算机字长的限制另外也增大计算量。因此把等级分得过细，对于模糊 控制来说必要性不大。因此，本系统根据所制定的语言变量的数目和系统精度要求，选取变量的论 域如下。 焊接电流离散积分差值变量、积分差值变化变量的论域都为： 卜6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 一1 ，0 ，i ，2 3 ，4 ，5 6 ) 控制步进电机步数的变量论域为： 卜6 ，- 5 ，- 4 - 3 - 2 ，- i ，0 1 ，2 ，3 4 ，5 ，6 3 1 4 比例因子的选择 当由计算机实现模糊控制算法进行模糊控制时每次采样得到的被控制量须经计算机计算，得 到模糊控制器的输入变量即误差五及误差变化厶。为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论 域转换到相应的模糊集论域，从而引出量化因子正和屁的概念。而经模糊控制算法给出的控制量( 精 确量) ，还不能直接控制对象，须将其转换到为控制对象所能接受的基本论域中去，所以又引出控制 量比例因子盂。 量化因子c 、屁和比例因子尼对控制系统的动静态性能有较大影响。具体表现为”： 1 3 自适应模糊控制电弧传感器设计 ( 1 ) 当丘增大时相当于缩小了误差的基本论域增大了误差变量的控制作用，因此使得上升 时间变短但丘过大时会出现超调并使得系统的过渡过程变长，严重时甚至使系统产生振荡；若 丘较小则系统上升较馒快速性差，同时稳态误差增大。 ( 2 ) 丘选择较大时，提高了模糊控制器的灵敏度，能有效地抑制超调，但系统的响应速度变 慢；鼠较小时则会产生较大的超调和振荡。缸对超调的影响十分明显。量化因子丘和肛的大小意 味着对输入变量误差和误差变化的不同加权程度，二者之间也相互影响。 ( 3 ) 输出比铡因子盂作为模糊控制器的输出增益，它的大小直接影响着控制器的输出和模糊控 制系统的特性。尼在系统响应的上升和稳定阶段对控制性能有不同影响。在上升阶段，五选择越大 系统态响应越快但容易导致系统超调；在稳定阶段。缸过大会；i 起振荡。缸铰小对系统稳定有利 但将延长响应时间。 另外，量化因子和比例因子的选择著不是唯一的。可能有几组不同的值，都能使系统获得较好 的响应特性。对于比较复杂的被控过程，有时采用一组固定的量化因子和比例因子难以收到预期的 控制效果，可以在控制过程中采用改变量化因子和比例因子的方法来优化控制性能。本文通过调整 控制过程中的控制规则在一定程度上与调整量化因子、比例因子的效果相当。 本文在制定量化因子和比例因子时，由于事先无法对模糊控制系统性能准确估计因此，采用 以下方法来确定输入精确量的量化和输出模糊量的比例转换 设误差精确量丑的实际变化范围为 a a ，将此区间的精确变量转化为论域 一n ，+ n 】区间的变 量y ，公式如下： y = 旦 ( 3 一1 ) 口 将相应的数值代入公式，则可以得出：正= 6 5 5 0 0 ，k 。= 6 3 4 0 0 。 若输出变量的实际变化范围为 - b ，b ，其论域区间为 - m ，m ，则输出变最的比例因子由下式 确定： h 盂= 二-( 3 - 2 ) ，打 将数值代入，可得盂= 6 0 0 6 = i 0 0 。 3 1 5 隶属函数的选择 在模糊控制系统中，对输入精确量进行模糊化的关键是确定其模糊集的隶属函数。隶属函数是 人们对客观事物不分明性的定量描述，必然带有人的主观性，不同的入对同一模糊概念会建立不完 全相同的隶属函数。隶属函数的优劣须经实际检验，并需要不断的学习和修正一般先通过主观经 验、调奄统计来初步建立然后通过实际检验来逐步完善并运用到控制系统中。 隶属函数形状和它在模糊子集论域内的分布状况，对模糊控制规则的完备性及模糊控制的互作 用性产生重要的影响，从而对控制效果发生作用。以下对各种隶属函数形状及其分布对模糊控制系 统性能所产生的影响进行了仿真实验和研究。所选取的隶属函数为实际控制系统中通常采用的三角 形( t r i ) 、梯形( t r a p ) 和高斯形( g a u s s ) ，被控对象是一个典型的二阶系统g ( s ) ；i ( s 2 + 8 s + 4 ) ， 采用的三角形、梯形和商斯形隶属函数如图3 2 所示，其中三角形隶属函数又分为均匀分布及非均 匀分布两种。系统阶跃响应曲线见图3 3 。 1 4 河海大学硕士研究生论文第三章自适应模糊控制器的设计 均匀分布的三角形隶属函数均匀分布的梯型隶属函数 非均匀分布的三角形隶属函数 均匀分布的高斯型隶属函数 图3 2 不同形状分布的隶属函数 图3 3 不同形状分布的隶属函数时模糊控制系统的阶跃响应 根据图3 3 所示的仿真结果可分析归纳出以下结论： ( 1 ) 隶属函数的形状对系统的稳定性和快速性有一定影响。采用三角形和高斯型隶属函数时系 统控制性能很接近，而梯形隶属函数的控制性能则比前两者稍差，特别表现为超调量和稳态误差较 大系统振荡加剧。一般而言，隶属函数的形状越陡，系统分辨率就越高，控制灵敏度也较高；相 反，若隶属函数形状较缓，则控制特性也较平缓。系统的稳定性较好。因此，在选择模糊变簧的隶 属函数时，在误差较小的区域，可采用分辨率高的隶属函数使系统具有较好的灵敏度：在误差较 大的论域。采用分辨率较低的隶属函数，使系统具有良好的鲁棒性。 ( 2 ) 当三角形隶属函数为非均匀分布时，对比均匀分布方式，系统稳态误差较小，响应更灵敏 曲线上升速度快。由于三角形隶属函数计算比较简单，控制系统的实时性比曲线形隶属函数要好 且采用非均匀分布时可以减小系统静差，提高响应速度，因此在实际控制系统中被广泛采刚。 ( 3 ) 在定义隶属函数时应考虑它们对论域的覆盖程度应使论域中的任何一点对于这些模糊 集的隶属度的最大值都不能太小，否则在这样的点上会出现“空档”，从而引起失控。所以，模糊集 的论域中所包含的元素的个数应为模糊集总数的2 3 倍，且相邻的模糊子集之间存在交集。 ( 4 ) 各模糊子集间的相互影响通常由这些模糊集中的任意两个模糊集中的最大隶属度的最大 值b 来描述这一影响。b 较大是模糊控制器对于被控对象参数变化的适应性强即鲁棒性强而b 较小是控制较灵敏。一般取b = 0 4 o 7 ，b 值过大时，会使两个语言变量值无法加以区分。 为满足上述要求，在本文中，根据制定的输入输出语言变量和论域范围，确定了语言变量的模 糊子集 甄 肌慨忍彤，例：船的隶属函数如图3 4 所示。 自适应模糊控制电弧传癌器设计 ll ( a ) 模糊输入量隶属函数( b ) 模糊输出量隶属度函数 图3 4 模糊输出量隶属度函数 为便于计算，系统的模糊集用模糊赋值表来定义，由上面的模糊输入变量、输出变量的的隶属 度函数曲线可以得到咀下的模糊赋值表： 表3 1 模糊变量二、厶、u 的赋值表 - 6- 5432一l012 3456 n 81 o0 70 3oo000 oo0oo 埘00 30 61 00 300ooo000 n s0oo00 6o ，9ooo0oo 0 2 百ooo0oo1 0000000 p s000 00o00 90 60o00 例ooooooo0 o 31 00 60 30 船00o000