（电力系统及其自动化专业论文）逆变弧焊电源自适应模糊控制技术研究.pdf

目录 f y 17 3 3 7 6 苕 目录 第一章绪论1 1 1 选题的目的和意义1 1 2 国内外研究动态1 1 3 主要控制对象介绍2 1 4 主要研究内容和任务3 第二章控制系统硬件设计5 2 1d s p 及其外围电路设计5 2 1 1t m s 3 2 0 l 砣4 0 7 a 简介5 2 1 2 辅助电源设计6 2 1 3 外扩存储器8 2 1 4 复位电路9 2 1 5j t a g 设计9 2 1 6 时钟以及锁相电路。1 0 2 2 采样电路设计1 1 2 2 1 电压采样电路设计1 1 2 2 2 电流采样电路的设计1 2 2 3 驱动及硬件保护电路设计。1 3 2 3 1 驱动电路设计1 3 2 3 2 硬件保护电路设计1 5 2 4 键盘输入及l c d 显示电路设计2 0 2 4 1 键盘输入硬件电路设计2 0 2 4 2l c d 显示电路设计2 1 第三章模糊自适应p i d 算法研究2 3 3 1 逆变弧焊电源的特性介绍。2 3 3 1 1 逆变弧焊电源自然输出特性2 3 3 1 2 外特性控制2 4 3 1 3 动特性控制2 4 3 2 模糊控制原理2 5 3 1 3 模糊自适应p i d 原理2 6 攻读学位期间的研究成果6 0 弱c 谢6 l 学位论文独创性声明6 2 学位论文知识产权权属声明6 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 国际钢铁协会( i i s i ) 公布的统计数据显刹1 l ：2 0 0 9 年全球6 7 个主要产钢国家 和地区的粗钢总产量为1 1 6 5 亿吨，其中，中国钢铁产量为5 6 7 8 亿吨，接近世界钢 铁产量的5 0 ，中国连续1 3 年保持世界第一，并且遥遥领先于其他国家；中国钢铁 产量的规模比排名2 8 位的日本、美国、俄罗斯、印度、韩国、德国、乌克兰等七 个国家的总和还多；预计2 0 1 0 年，世界钢铁产量将达到1 3 5 亿吨，中国的钢铁产 量突破6 亿吨。由于电焊机的作用对象主要是钢铁，因此，钢铁的产量能够直接反 映出市场对电焊机的需求量。 由于逆变焊机具有体积小、重量轻、焊接特性优良等特点，已成为当前电焊机 的发展方向。2 0 0 0 年，我国把i g b t 逆变电源列入高科技产品目录，成为焊接设备 行业唯一被列入的产品【2 】。其发展趋势如下【2 j ： 表1 1 近几年逆变焊机产量的年增长率表 年度 2 0 0 1 年 2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年2 0 0 7 年 增k 率 4 2 91 6 1 43 0 69 0 5 66 3 5 91 5 0 3 49 1 1 1 ( ) 由表1 1 的数据可以看出，近年来，逆变焊机产量的增长率总体呈逐年递增的 趋势，用户对于工业产品质量的要求越来越高，传统的模拟焊机已不能满足要求。 对于目前市场上出现的数字焊机，由于使用的控制方法比较传统，无法满足有些场 合对于逆变弧焊电源的动特性、外特性方面的要求。因此，本文采用自适应模糊控 制方法，使逆变弧焊电源的动态性能得以优化。 传统控制方法都有一个基本要求：即必须建立被控对象的精确数学模型并进行 整定。随着各个领域对自控系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力等 要求的不断提高，一些非线性、时变、过程机理复杂的控制对象由于很难建立精确 的数学模型而无法找到合适的控制方法【3 1 。模糊控制因此应运而生，模糊控制是在 总结人类自然语言概念、操作经验的基础上，模仿人类智能的一种控制方法1 4 j 。 自适应模糊控制不依赖被控对象的精确数学模型，其控制器也是一种易于控制、 易于掌握的较理想的非线性控制器；它的抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参 数的变化有较强的鲁棒性1 5 1 。 1 2 国内外研究动态 在上世纪五十年代由于飞行器控制的需要，美国麻省理工学院( m m 的怀特克 ( w h i t a k e r ) 教授首先提出了参考模型自适应方法，并且企图用它来解决飞行器的自 青岛大学硕+ 学位论文 问题。限于当时计算机技术和控制理论的发展水平，这些新的控制思想， 有的普及和推广i 引。 模糊控制器的研究最早是由p r o c y k & m a m d a n i 于1 9 7 9 年提出的，称作 模糊控制器。从那时起至今三十多年的时间里，自适应模糊控制理论得 展，提出了多种类型的自适应模糊控n 器t 5 , 6 1 。例如：基于神经网络的自 制器，模糊自适应p i d 控制器等等。 模糊控制理论真正应用在工业工程当中开始于2 0 世纪未期，主要应用 、电加热锅炉、变恒压供水系统、中央空调控制系统当中【7 d 5 1 。国外方 ，i i s k e n d e r 和八k a r a a r s l a n 对模糊控制算法和状态空间平均法做一比 模糊控制在控制逆变弧焊电源当中的优越性1 1 7 1 。2 0 0 6 年，c h i e n y il e e 应模糊控制应用在了交流焊机上，对于焊接时的金属屏蔽电弧的控制取 效果，但是对于自适应模糊控制应用在逆变直流弧焊电源没有进行研究 面，2 0 0 5 年，南昌大学叶建雄等人将f u z z y - p i d 控制器应用在了机器 系统当中，使得控制器输出的控制量抗干扰能力增强，提高了焊缝跟踪 性【1 2 1 。2 0 0 7 年，江苏大学的李娟对自整定因子模糊p i d 控制器进行了 了对于大滞后、时变系统的控制，应用该控制器依然能够保持很好的响 应速度和稳定性，具有较好的鲁棒性，控制精度方面优于常规模糊控制器i i 引。2 0 0 8 年，湖北工业大学的陈杰，将自适应模糊控制算法应用在了1 2 v 2 4 w 的开关f 乜源 上，并取得了良好的控制效果，但是对于具有较强非线性特点的逆变弧焊电源如何 应用模糊自适应算法并没有进行说明【1 4 】。另外，山东大学、华南理工大学、河南科 技大学等高校以及时代焊机有限公司也对模糊控制的逆变弧焊电源进行了研究，对 于推动模糊控制在逆变焊机上的应用做出了重要贡献。 1 3 主要控制对象介绍 本研究的逆变弧焊电源采用半桥主电路结构，半桥电路具有开关器件少，成本 低，变压器双向励磁而且没有偏磁问题等优点。比较适合用于功率在几百瓦至几千 瓦的电源当中。 2 第一章绪论 图1 2 半桥主电路结构 如图1 2 所示，逆变弧焊电源在进行焊接的过程中要不断的重复着短路引弧 燃弧短路的过程，对于短路状态要能够迅速的判断，并且采取施加推理的方法以期 迅速引弧，要求电源系统有很好的快速响应能力；燃弧阶段是一个恒流控制阶段， 期间由于手工操作的原因，可能引起电流的变化，要求电源系统能够提前预测电流 的变化趋势，输出相应的控制量。 通过采样电流、电压信号，判断当前焊机处于何种焊接状态；运用所研究控制 算法，根据当前反馈的电压、电流信号，计算出当前控制脉宽的大小，输入给q 1 和q 2 ，需要注意的是，q 1 和q 2 的驱动脉宽要时刻保持相等，并且占空比不应超 过5 0 ；q 1 和q 2 的驱动脉冲相位差为1 8 0 。，半桥主电路输出功率的大小和驱动 脉冲的脉宽成正比。 1 4 主要研究内容和任务 本课题研究的目标是要设计一套良好的控制系统，实现逆变弧焊电源的数字 化，尝试使用自适应迷糊控制算法应用于逆变弧焊电源上，使得逆变弧焊电源能够 获得良好的动态性能，弧焊机即使在恶劣的环境当中依然能够保持稳定性，保证焊 接质量。 ( 1 ) 逆变弧焊电源控制系统硬件设计 硬件设计包括d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 最小系统及外围电路的设计、驱动电路设 计、l e d 显示电路设计、键盘输入电路设计、采样电路设计、各种保护电路设计等 等，保证各个电路设计的正确性，给软件的编写创造条件。 ( 2 ) 逆变弧焊电源软件系统的设计 根据逆变弧焊电源的要求，需要编写p w m 的产生控制程序、a d 采样程序、 l c d 显示程序、键盘输入程序、滤波程序、模糊自适应p i d 算法程序、普通p i d 算 法程序，以及各类保护程序。 ( 3 ) 仿真及实验 3 l 青岛火学硕+ 学位论文 通过m 矧a b s i m u u n k 自带的模糊工具箱搭建模型，对设计的模糊自适应 器加以仿真验证，指导设计软件程序。将设计的软件程序应用到焊机中，测试 的稳态和动态性能。 由于逆变弧焊电源采用d s p ( t m s 3 2 0 u 陀4 0 7 ) 数字处理芯片控制，可以通过 软件来改变控制方式，从而实现两种控制方式的动特性和外特性的比较。 第二章控制系统硬件设计 第二章控制系统硬件设计 传统逆变弧焊电源采用模拟芯片控制，需要运用大量的运放以及逻辑芯片，以 d s p 芯片作为控制器实现数字化控制，可节约资源并提高焊机的各种性能。本章主 要介绍以d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 为核心的控制系统硬件电路设计。 2 1d s p 及其外围电路设计 2 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是1 r i 公司推出的一款d s p ，采用目前流行的哈弗结构，将一 个高性能的d s p 内核和微处理器的片内外围设备集成为一个芯片，是目前数字弧焊 电源中，应用较多的d s p 之一蛤1 9 l 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有1 4 4 个引脚，内部集成了d 转换器、大容量存储器、 定时器、比较单元、捕捉单元、p w m 波形发生器、数字i 0 口等。与其他数字控制 芯片相比，1 m s 3 2 0 u 吧4 0 7 a 还具有以下特点： 1 ) 采用了高性能的静态c m o s 制造技术，供电采用3 3 v 电源，最高运算速度 可以达到4 0 m i p s 。 2 ) 芯片内部含有3 2 k 字1 6 位f l a s h 程序存储器。 3 ) 可以扩展1 9 2 k 字的1 6 位外部存储器( 6 4 k 字程序存储器、6 4 k 字数据存 储器和6 4 k 字的i o 寻址空间。 4 ) 具有1 6 通道( 两个8 路) 1 0 位a d c 转换器，最快转换时间为5 0 0 n s 。具有 串行通信接口( s c i ) 模块；1 6 位串行外部设备接口( s p i ) 模块；控制器局域网( c a n ) 2 0 b 模块。 5 ) 具有两个事件管理器( e v a 和e ) 。其中，每个事件管理器都含有两个 1 6 位通用定时器；8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 输出通道；1 个能够快速封锁输出的 外部引脚；具有可编程死区控制功能；3 个捕捉单元。 6 ) 具有3 2 位累加器和3 2 位中央算术逻辑单元( 剐l u ) ；1 6 x1 6 位并行乘法器， 可以实现单指令周期的乘法运算；5 个外部中断源。 7 ) 具有看门狗( w d ) 定时器模块；具有4 0 个可编程的输入输出引脚；具有 1 1 4 9 1 1 9 9 0i e e e 标准的j t a g 仿真接口。 8 ) 具有比较宽的工作温度范围，普通级：4 0 8 5 0 c ；特殊级：4 0 1 2 5o c 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的两个事件管理器e v a 和e v b 各自有3 个全比较单元。每个 全比较单元带有可编程死区发生器，它以定时器1 ( e v a 模块) 和3 ( e v b 模块) 为时基。每个全比较单元可控制输出两路p w m 脉冲。可以选择全比较单元输出非 对称p w m 波形，对称p w m 波形，或者空间矢量p w m 波形。通过设置比较寄存 5 青岛人学硕十学位论文 值来设定脉宽，设置d b t c o n 来调节死区时间。 证功率电路的可靠工作，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 提供了功率保护引脚 p d p i n t a ( e v a 模块) 、p d p i n t b ( e v b 模块) 。通过它可以方便的实现过电压、 过电流、欠电压和过热保护等。一旦出现检测值超过给定值的情况，保护电路发出 两路故障信号，一路作为故障类别信号直接送d s p ；另一路使能d s p 的中断。在中 断服务程序中查询相应故障输入信号，做出相应处理，并将故障信号作为p w m 封 锁信号，致使p w m 输出为高阻态，封锁驱动信号，起到及时保护的作用。 d s p 控制系统包括硬件和软件系统，一般典型的d s p 的硬件系统包括复位电路、 外部存储器、供电系统、数字i o 接口、仿真( j t a g ) 接口以及各种通信接口，对 各部分具体的电路设计，本章将逐一介绍。d s p 的最小硬件系统如图2 1 所示： i 复位电路 外扩存储器 数字i o l 时钟电路 t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 通信接口 i 供电电源l - j t a g 2 1 2 辅助电源设计 图2 1d s p 最小系统总体框图 逆变弧焊电源控制系统中，d s p 芯片、驱动电路、电流互感器及各类运算放大 器所需要的供电电压不一致，并且某些供电电压要求相互隔离。所需要的电平主要 包括：驱动芯片供电电压+ 2 0 v 两路( 相互隔离) ，电流互感器和运算放大器供电电 压1 5 vd s p 供电电压+ 5 v 和+ 3 3 v 。 逆变弧焊电源的辅助电源只给控制系统供电，所需要的功率不是很大，考虑到 多路输出，因此选择双管反激变换器作为辅助电源的电路拓扑。相对于正激变换器， 反激变换器不需要输出滤波电感，结构简单，成本低：相对于半桥、全桥变换器， 反激变换器输入电压范围广，所需要的丌关器件少。相对于其他非隔离输入变换器， 反激变换器输入与输出电气隔离，安全可靠。反激变换器易于多路输出，常用于多 路输出的中小功率场合。双管反激变换器相对于单管反激变压器，虽然要多一个丌 6 第二章控制系统硬什设计 关器件，但是双管反激变换器当中的每个开关器件所承受的输入电压是单管反激当 中的开关器件所要承受输入电压的1 2 ，并且双管反激变换器的输出功率更大一些。 双管反激变换器主电路如图2 2 所示。 i j 崔q i 2 sd 6 d l2i 2s d 3 j 吒 一 一 = c l i 七一 一 z _ d 5 j 下 d 2 22sd 4 甄d 7 + 2 0 n v 。 d l l 图2 2 双管反激变换器主电路 对于图2 2 中的+ 1 5 v 输出，可利用l m 2 5 7 6 开关型降压稳压器，# j ：+ 1 5 v 电转 变为+ 5 v ，用于对其它逻辑电路的供电。由于d s p 的供电电压为+ 3 3 v ，采用t 1 提 供的低差稳压器t p s 7 7 1 3 3 可将+ 5 v 转换成+ 3 ，3 v 如图2 3 所示。 u 1 4 j j j 、? 图2 3t p s 7 7 1 3 3 接线图 图2 3 中，t p s 7 7 1 3 3 的第5 、6 脚为电压输入端，输入电压最高可达1 6 5 v ；第 7 、8 脚为输出端，可以输出1 5 0 m a 电流，纹波控制在1 1 5 m v 以内；第1 脚为反馈 输入端；第2 脚为输出复位端，通常接高电平：第3 脚为输入使能端，低电平有效； 第4 脚为地。t p s 7 7 1 3 3 的工作温度范围为4 0 。c 一1 2 5 。c ，是目前d s p 供电系统当中 7 外扩数据和程序存储器如图2 4 所示。 d sll y p s2 l v c c 1 3 完a 五c s3 l bb 1 2 1 y4 a l l j 2 y 1 0 6 2 b3 b 9 7 2 y3 a 8 广一 姗3 y u l a 4l i射 a 5 a 32 3a 6 4 3a 6 a 2 屹 ” ，a 7 a 1 a l0 e ，r d a 05 加 b h e 0 r a 玉d 0 e3 9 - l ，) o 7 c eb l e 3 8j ) 1 5 ，) l8 i ，o li ，0 1 6 3 7d l d 2 o i ，0 2i ，0 l j 3 6d 1 3 ，) 3l o i ，0 3 i ，0 l 3 5d 1 2 5 vi l i ，0 4i ，0 1 3 3 , t v s s1 2 v c cv s s 3 35 v d l j v s sv c c ，) 5l i ，o jl ，0 1 2 3 2，) l l d 61 5 i ，0 6l ，0 l l 3 lj ) 1 0 ，) 71 6 i ，0 7l ，0 1 0 0j ) 9 w e1 7 i ，0 8i ，0 9 2 9d 8 ，) s1 8 霄en c a l l o alj8 2 7 舶 a 1 3 ，0 a149 2 6 9 a 1 22 l a 1 3a l o 2 5a 1 0 a 1 2 l l 2 a 1 l 2 2 2 3 n cn c 图2 4 外扩数据、程序存储器原理图 c y 7 c 1 0 2 1 是高性能1 6 位的c m o s 静态s r a m ，它的存储空间为6 4 k b ，对其 可以进行多种模式的读与写操作。当输入信号c e 以及w e 同为低电平时，低8 位和高 8 位数据端口全部选通，可以将来自d s p 的d o d 1 5 端口的数据写到c y 7 c 1 0 2 1 地 址引脚为a o a 1 5 所指定的位置；当输入信号c e 和o e 同时为低电平时，读选通该芯 片。如果低字节使能位脚和高字节使能位尉圮都为低电平时，低8 位和高8 位的 数据将被读到d s p 中。 图2 4 中，数据存储器的选通信号丽与c y 7 c 1 0 2 1 的a 1 5 脚连接，通过两信 号的0 、1 变换，来分配地址空间。按照图2 4 的连接方式，分配后的数据存储地址 为：0 0 0 0 7 f f f ，程序存储器的地址为：8 0 0 0 一f f f f ，也就是各占3 2 k b 的存储空间。 这个存储空间对于本设计的在线仿真调试是足够的。 8 第二章控制系统硬1 ：，l ：设计 2 1 4 复位电路 d s p 的复位有两种，一种是上电复位，一种是手动复位。一般将上电复位和手 动复位信号直接送到d s p 的复位输入引脚船。基于上面两种情况的考虑，设计了 下面复位电路i 圳，如图2 5 所示。 7 图2 5 上电与手动复位电路 在电源刚接通瞬间，非门u 5 a 的输入端为低电平，非门u 5 b 的输出端也为低 电平，此时d s p 出于复位状态。电源接通后，电源通过电阻r 1 0 向电容c 1 2 充电， 待电容上的电压达到一定值时，t # l - ju 5 b 向d s p 的复位端输出高电平，此时d s p 处于工作状态。在工作过程中，需要d s p 复位时，按下复位丌关s w - p b ，这时，电 容c 1 2 通过复位开关放电，使d s p 复位端变为低电平，d s p 出于复位状念；松开 s b ，电源通过电阻r 1 0 向c 1 2 充电，等到c 1 2 电压达到一定值时，d s p 复位结束， 处于工作状态。 2 1 5j t a g 设计 编写的程序进行仿真实验时，必须通过j t a g 调试接口，将程序下载到外部r a m 当中，进行在线调试。对d s p 内部f l a s h 进行烧写操作时，也需要通过j t a g 调 试接口将程序烧写进f l a s h 。 9 青岛人学硕十学位论文 坤3 图2 6 j t a g 调试接口 如图2 6 所示，j t a g 调试接口共有1 4 脚，符合i e e e l l 4 9 1 标准。其中，e m u 0 和e m u l 分别为带内部上拉仿真器i 0 引脚咪和1 拱；t c k 带有内部上拉j t a g 测 试时钟；t d i 和t d o 分别是带有内部上拉的j t a g 测试数据输入和测试数据输出； t m s 是j t a g 测试方式的选择位；t r s t 是带内部下拉的j t a g 测试方式选择位。 2 1 6 时钟以及锁相电路 给d s p 芯片提供时钟有两种方法：一种是利用d s p 内部所提供的晶振电路， 在d s p 芯片的x t a l l 和x t a l 2 之间连接一个晶体以启动内部振荡器。另外一种是 直接外接一个晶体振荡器在x t a l l 脚，x t a l 2 脚悬空。本设计采用第一种方法， 如图2 7 所示。 图2 7 时钟电路 晶振的振荡频率为1 0 m h z ，可以通过设置d s p 内部寄存器，将频率锁相为4 倍频，可以获得4 0 m 的工作频率。图2 7 右侧的电路为d s p 内部锁相电路的滤波电 路。 1 0 第二章控制系统硬1 ：，l ：设计 2 2 采样电路设计 2 2 1 电压采样电路设计 逆变弧焊电源的输出电压在正常工作时为1 8 v - 3 5 v ，空载电压的尖峰值最大可 以达到8 0 v 。由于d s p 芯片最大可以承受3 3 v 的电压，需要首先对反馈电压进行 分压，再进行信号调理，如图2 8 所示。采用1 0 k 和3 0 0 欧姆的电阻进行分压。 v i n ( m a x ) 2 8 0 3 0 0 ( 3 0 0 + 1 0 0 0 0 ) = 2 3 3 v 2 - ( 1 ) t j 刳l j s 图2 8 电压采样电路 由于电压采样电路没有采用光耦隔离，为防止采样信号的干扰过大，设计了由 c 1 0 、c l l 、c 1 2 、c 1 3 、r 3 5 组成的滤波电路，可以有效的滤除高频干扰信号，吸收 电压尖峰。为了使得空载电压的有效值控制较低范围( 5 0 v 6 0 v ) 内，在输出侧并 联了4 0 0 q 的功率电阻r d 作为假负载。 由于电源输出电压处于不断变化当中，需要对采集来的电压信号进行处理，如 图2 9 所示。信号调理电路对于增大信号的输入阻抗，提高信号的准确性和抗干扰 的能力具有十分关键的作用。 信号采集电路是以运算放大器l f 3 5 3 为核心而进行设计的，l f 3 5 3 具有足够低 的失调电压和噪声容限，并且具有低功耗，高速度，频带宽( 4 m h z ) 的优点，仅需 要很小的电流就可以维持较高增益的带宽。 l 青岛大学硕士学位论文 m ) 3 = ：_ - 1 5 v - ( i l c 叮i ) 3 图2 9 电压信号调理电路 如图2 9 中运算放大器以及后端的r c 网络，事实上构成了有源滤波电路，这种 电路不适于高电压大电流的负载，对于本设计的电压信号的处理是比较合适的。图 中c 8 的大小通常选为输入电容的1 0 5 0 倍，此处选为0 1 u f 。为保证有合适的带宽， r 3 0 的大小选为5 1 0q 。 2 2 2 电流采样电路的设计 设计电流采样电路时，使用了北京世特美测控技术有限公司生产的 s n l t 2 0 0 c 4 v 6 s p 9 型霍尔传感器，它的工作电压是1 5 v ，主要参数见表2 1 。 表2 1s n i t 2 0 0 c 4 v 6 s p 9 型霍尔传感器主要参数 l ：作环境温度( t a ) 1 0 8 0 0 c 存储环境温度( 1 3 2 5 8 5o c 原边测鼙电流范围( 1 p ) 0 - 2 0 0 a 过载f l 匕力( c o v ) 3 0 0 副边额定输出电乐( v s n ) 4 v 副边火凋输出电压( v o f f ) 4 0 m v , - 4 0 m v 精度( a e ) d 3 d 4 ，他 们分别对应电源的一条自然输出特性曲线。占空比越大，相应的自然输出特性曲线 位置越靠上，其积分舰就越大，电源能够输出的功率和能量就越大。 _ ， 电源输出特性是逆变弧焊电源的本质特性，它取决于电源内部的阻抗条件和电 源的制作水平等。图3 1 中，在电流较小的a 区，随着电流的增加，电压下降较快， 原因在于占空比小时，电流较小，电流波动较大，电源内部输出电抗器等器件上的 压降大，电源内部压降越大，输出电压减小的越多。由于在a 区的工作过程并不稳 现代焊接技术的发展对逆变弧焊电源的要求越来越高。也就是蜕，要求弧焊电 第三章模糊自适应p i d 算法研究 源对外部变化能够做出快速，准确的响应。逆变式弧焊电源工作频率高，很小的输 出电抗器电感就可以达到滤波的要求，因而逆变式弧焊电源回路的时间常数小，电 磁惯性小，动态响应快，利用数字处理芯片实现p i d 算法或者智能算法，可以比较 方便的控制逆变器的d i d t 等动态参数。弧焊电源的动特性对电弧焊过程中的引弧、 燃弧和熔滴过渡状态，也就是电弧稳定性、飞溅等有很重要的影响，关系到能否获 得满意的焊接质量。因此，研究弧焊电源的动特性对优化焊机性能、改善焊接工艺 具有很重要的意义。 本设计的逆变弧焊电源采用的是双闭环控制系统，因此，除了要采样电流信号 外，还要采样电压信号。通过采样电流信号，实现恒流控制；通过采样电压信号， 实现短路、引弧、燃弧、断弧过程的控制。 图3 3 逆变弧焊电源外特性形状 如图3 3 所示，当焊接电压小于1 0 v 时，此时焊接并没有起弧，而是进入短路 状态，为了能够使得焊条迅速起弧，在原来给定电流的基础上，按照一定斜率加大 电流，直到顺利起弧。在焊接过程中，不断的在重复着短路与起弧的过程，增加推 力之后，可以保证焊接过程中不会因为短路而断弧，保证了焊接质量。 3 2 模糊控制原理 模糊控制由模糊化、模糊推理和解模糊化三个部分组成。模糊化的目的是将过 程状态信息的精确值转变为语言变量监督学习模糊子集的隶属函数。模糊推理是利 用模糊知识库中的模糊关系，推导出模糊控制动作的整个过程，可以用z a d e h 、 m a m d a n i 、s u g e n o 、l a r s e n 、t u r k e n 、k o s k o 等模糊推理方法加以实现 2 6 l 。 是本设计的主要特点。 3 3 模糊自适应p i d 原理 在现代工业控制中，对于模型准确、单一的控制对象来说，采用的还是经典的 控制理论也就是p i d ( 比例积分微分) 控制。但是单纯的p i d 控制有其局限性，就 是当控制对象模型变化时，例如，负载变化，温度变化，或者其他干扰因素存在的 情况下，确定参数的p i d 控制恐怕无法达到精确控制的要求 2 6 - 2 9 1 。 第三章模糊自适应p i d 算法研究 随看计算机技术的发展，人们利用工作中的经验作为知识，存储到计算机中， 计算机可以自动调整p i d 参数，这就是智能控制器。这种控制将经典的p i d 控制与 专家系统相结合，可以达到很好的控制效果，但是，它仍然需要控制对象的精确的 数学模型，因此应用范围受到限制。 在工作过程中，不同的人对控制的对象的经验并不相同，因此，经验是一个模 糊的概念；另外，控制过程中的某些变量以及各自的评价标准也不易定量表示，为 此本设计提出了模糊自适应p i d 的控制方法，将规则的条件、操作用模糊集表示， 并把这些模糊规则和评价指标，初始p i d 参数等相关信息以知识的形式存入到d s p 当中，然后根据系统的响应情况，运用模糊推理，就可自动实现p i d 参数的改变。 本设计模拟了增量式p i d 的控制方式，其离散化的数学表达式为1 8 1 ： “g ) = ( k + 叱) e ( f ) + ( k + 酏) e ( f ) + + 战) ( e ( f ) 一2 e ( i 一1 ) + e ( f 一2 ) ) ；3 一( 1 ) = k p c + 吒； 3 一( 2 ) 镌= 死+ 色； 3 一( 3 ) k d = k 如+ a k d ： 3 一( 4 ) 6 e o ) = e o ) 一2 e ( i - 1 ) + p o 一2 ) ；( k 0 ，1 ，2 ，) 3 一( 5 ) 其中，u ( i ) 为控制量；k v 为比例系数，k 肛为比例系数初始值；k i 为积分系 数，k i t 为积分系数初始值；k d 为微分系数，k 为微分系数初始值；e o ) 为第i 次采样电流与第i - 1 次采样电流的误差，e ( f 一1 ) 为第i 次采样值与第i - 1 次采样值的 误差，e ( 一2 ) 为第i - 2 次采样值与i - 3 次采样值的误差，6 e o ) 为电流的误差变化 率；a k p ，挑，j 匕为控制系数增量因子，为待求量。 为了实现模糊自适应与p i d 的有机结合，能够较为准确的制定模糊规则，现从 系统的稳定性、超调量、稳态精度和响应速度几个方面介绍p i d 三个系数足口、k i 、 k d 的作用幽1 。 ( 1 ) 比例系数的具体作用是加快系统的响应速度，太高系统的调节精度。k 一 的值越大，则系统的响应速度越快，调节精度也越高，但是容易产生超滑，如果过 b ( 毛) 表示毛的词集，也就是毛语言值名称的集合，它的每个值都可以用毛表示：u ( 毛) 表示对应变量的论域；g ( 毛) 表示对应变量的语法规则；m ( 毛) 表示毛的隶属度函数。 取论域u ( c ) = 卜3 ，3 】，u ( 6e ) = 【一3 ，3 1 ，u ( m p ) = 【- 6 ，6 】，u ( 舡) = 【0 0 6 ，0 0 6 ， u ( a h ) = 【3 ，3 】。 b ( 毛) 按照负大( n b ) 、负中( n m ) 、负小( n s ) 、零( z ) 、正小( p s ) 、j 下中( p m ) 、正 第二章模糊臼适应p i d 算法研究 大( p b ) 七个模糊子集来对五个变量进行模糊化处理，表示为： 善屡( 宇) ln b + n m + n s + z + p s + p m + p b ； 3 - ( 7 ) 为了便于计算，5 个模糊变量的隶属度函数统一为一种，如下图所示： a - 2 a 3 a 3 0a 3 2 a 3a 图3 6 模糊自适应隶属度函数 图中，【- a , a 】表示各变量的论域，其数学表达式为： n b ： 三cx一口，口 n m ： n s ： + a ) a 1 2 a 0 3 ( x + a ) 2 a ( 口- 3 x ) o 石s 一口 一a 一a 3 xs 一口 一a xs 一2 a 3 2 a 1 3 0 工s - a a 工s a 3 - a 1 3 口3 3 一( 8 ) 3 - ( 9 ) 3 一( 1 0 ) f 0 xs 一2 a 3 l ( 3 x + 2 口) 加 一2 a 3 xs0 1 ( 2 a 一3 x ) 2 a o 2 a 3 青岛人学硕十学位论文 f 0 xs a 3 l ( 3 x + a ) z a - a 3 xsa 3 p s ： 13 ( a 一石) 2 a 口3 a f o 胚o l3 x 2 a 0 工s2 口3 蹦： 1 3 ( a - x ) 口 2 a 3 a f 0 x sa 3 p b ： ( 3 x 一口) 2 口 a 3 口 其中，x 表示在各论域中的不同取值，据上述公式可以计算在论域当中每个x 在 糊子集中的隶属度，模糊集合表示为： m 一( b 艏) ) 3 ( 1 5 ) 模糊规则可以按照下面固定格式来设定， i fei s a n d6ei s t h e n 印i s ，脯i s ，m i s ； 实验过程中的经验，以及对p i d 系数的作用的理解，一共总结了4 9 条规则： 1 i f ei sn ba n d6ei sn bt h e n 却i sp b ，脯i sn b ，捌i sp s 2 i fei sn ba n d6ei sn bt h e n 助i sp b ，舡i sn b ，埘i sp s 3 i fei sn ba n d6ei sn st h e n 脚i sp m ，崩i sn m ，捌i sn b 4 i fei sn ba n d8ei szt h e nm o pi sp m ，舡i sn m ，材i sn i l 5 i fei sn ba n d6ei sp st h e n 印i sp s ，舡i sn s ，h k di sn b 6 i fei sn ba n d6ei sp mt h e n 助i sz ，殷i sz ，删i sn m 7 i fei sn ba n d6ei sp bt h e n 助i sz ，脯i sz 删i sp s 8 i fei sn ma n d8ei sn bt h e n 酞pi sp b ，酞ii sn b ，僦i sp s 9 i r ei sn ma n d6ei sn mt h e n 却i sp b ，舡i sb i b ，h k di sn s 1 0 i fei sn ma n d6ei sn st h e n 却i sp m ，脯i sn m ，枷i sn b 1 1 i fei sn ma n d6ei szt h e n h k pi sp s ，龇f i sn s ，从i sn m 第三章模糊白适应p i d 算法研究 1 3 i f ei sn ma n d6ei sp mt h e n 脚i sz 脯i sz ，, ! d c di sn s 1 4 i fei sn ma n d6ei sp bt h e n 却i sn s ，觚i sz ，删i sz 1 5 i fei sn sa n d6ei sn bt h e n 啦i sp m ，舡i sn b ，mi sz 1 6 i fei sn sa n d6ei sn mt h e n 却i sp m ，做fi sn m ，mi sn s 1 7 i f ei sn sa n d6ei sn st h e n 却i sp m ，脯i sn s ，从i sn m 1 8 i f ei sn sa n d6ei szt h e n 却i sp s ，触fi sn s ，删i sn m 1 9 i f ei sn sa n d8ei sp st h e n 却i sz ，敬ii sz ，幽i sn s 2 0 i f ei sn sa n d6ei sp mt h e n 却i sn s ，从fi sp s ，z k k di sn s 2 1 i fei sn sa n d6ei sp bt h e n 却i s n s ，战i sp s ，删i sz 2 2 i fei sza n d6ei sn bt h e n 却i sp m ，放fi sn m ，mi sz 2 3 i fei sza n d6ei sn m t h e n 脚i sp m ，脯i sn m ，删i sn s 2 4 i fei sza n d6ei sn st h e n 却i sp s ，撕i sn s ，删i sn s 2 5 i fei sza n d6ei sz t h e n , r c p i sz ，越fi sz ，姒i sn s 2 6 i fei sza n d6ei sp st h e n 却i sn s ，触fi sp s ，n e di sn s 2 7 i fei sza n d6ei sp mt h e n 却i sn m ，脯i sp m ，删i sn s 2 8 i fei sza n d6ei sp b t h e n 印i sn m ，战i sp m ，删i sz 2 9 i fei sp sa n d6ei sn bt h e n 却i sp s ，脯i sn m ，喇i sz 3 0 i fei sp sa n d6ei sn mt h e n 细i sp s ，从fi sn s ，材i sz 3 1 i fei sp sa n d6ei sn st h e n 脚i sz 脯i sz ，删i sz 3 2 i f ei sp sa n d6ei sz t h e n 咖i sn s ，h k i i sp s ，n e di sz 3 3 i fei sp sa n d8ei sn st h e n 脚i s n s ，舡i sp s ，喇i sz 3 4 i fei sp sa n d6ei sp mt h e n 却i sn m ，n c ii sp m ，删i sz 3 5 i fei sp sa n d6ei sp bt h e n 印i sn m ，脯i sp b ，崩i sz 3 6 i fei sp ma n d6ei sn bt h e n 脚i sp s ，脯i sz 喇i sp b 3 7 i fei sp ma n d6ei sn mt h e n 却i sz ，舫i sz n e di sp s 3 8 1 fei sp ma n d8ei sn st h e n 却i sn s ，脯i sp s ，删i sp s 3 9 i fei sp ma n d6ei sz t h e n 矽i sn m ，龇f i sp s ，删i sp s 4 0 i fei sp ma n d8ei sp st h e n a k pi sn m ，触f i sp m ，i 甜i sp s 3 1 青岛大学硕士学位论文 i fei sp ma n d6ei sp mt h e n 却i sn m ，a k ii sp b ，a k di sp s l f ei sp ma n d6ei sp bt h e n 助i sn b ，a k ii sp b ，a k di sp b l fei sp ba n d6ei sn bt h e n 印i sz ，a k ii sz ，a k di sp b i fei sp ma n d6ei sn mt h e n 却i s z ，a k i i sz ，a k di sp m 4 5 i fei sp ba n d6ei sn st h e n 却i sn m ，a k ii sp s a k di sp m 4 6 i f ei sp ba n d6ei szt h e na k pi sn m ，a k ii sp m ，a k di sp m 4 7 i fei sp ba n d6ei sp st h e na k pi sn m ，a k ii sp m ，a k di sp s 4 8 i fei sp ba n d6ei sp mt h e na k pi sn b ，a k ii sp b ，a k di sp s 4 9 1 fei sp ba n d6ei sp bt h e n 却i sn b ，a k ii sp b ，a k di sp b 去模糊化策略目前最主要有三种，一种是最大隶属度法，一种是系数加权平均 法，还有一种是重心法。第一种方法虽然忽略了较小隶属度元素的影响作用，但是 它具有结构简单，使用方便，算法的实时性较好的优点。第二种方法具有很好的灵 活性，可以改变加权系数改变系统的响应特性，但是系数的选择需要根据经验和实 验观测来进行调整，适应性较差。第三种方法从理论上来说比较合理，但是计算复 杂，对于实时性要求高的场合的并不实用。结合本控制对象的特点以及所选用的控 制芯片的特点，选择第一种去模糊的方法【圳。 最大隶属度法是指在推理结论的模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精确控 制量的方法。假设存在模糊集m ，所选择的隶属度最大的元素u 木应该满足的条件 是： 木) ) ，“u 3 - ( 1 6 ) 根据计算出的肼 半) ，按照设定的模糊规则和公式3 ( 8 )