（材料加工工程专业论文）点焊恒流模糊控制系统研究.pdf

两北工业人学工学硕上论文 摘要 现代工业对电阻点焊接头质量的要求越来越严格，从而要求对点焊过程与质 量必须采取更加精确的控制方法，以提高焊接接头的可靠性。本文针对传统点焊 控制器电流控制精度不高的缺点，将模糊控制技术应用到电阻点焊领域，提出了 采用点焊恒流模糊控制的方法实现对点焊过程电流进行实时控制的思想，设计了 点焊模糊控制器，实现y x u - 焊接电流的采集和模糊控制运算。 论文首先介绍了点焊恒流模糊控制的原理、模糊控制器控制参量、控制算法 的选择，以及焊接电流的逐点积分检测原理。其次，介绍了以焊接电流误差、焊 接电流误差变化率为输入，可控硅控制角增量为输出的模糊控制器设计方法与过 程。并对以8 0 c 1 9 6 k c 单j t 柑i 为核心的硬件系统、输入通道、输出通道、键盘显 示、报警电路等作了详细的分析，对控制系统软件的设计思想、主程序、设定程 序、中断程序、采样程序、数据处理程序、模糊控制程序以及系统的抗干扰措施 进行了系统性介绍。文章最后对系统调试过程中出现的问题及电流检测通道的模 拟检测结果进行了分析。 关键词：电阻点焊 逐点积分 恒流模糊控制器 8 0 c 1 9 6 k c 单片机 堕! ! 三些_ 大堂三兰堡主堡兰 a b s t r a c t m o d e r ni n d u s t r y sr e q u i r e m e n tt ot h er e s i s t a n c e s p o t - w e l d i n gj o i n t sq u a l i t yi s b e c o m i n gm o r ea n dm o r es t r i c t e r ，s om o r ea c c u r a t ec o n t r o lm e t h o di sr e q u i r e df o r t h ep r o c e s sa n dq u a l i t yo ft h es p o t - w e l d i n gs oa s t o p r o m o t et h er e l i a b i l i t yo f s p o t w e l d i n gj o i n t i nt h i sp a p e r , a i m i n ga tt h el o wc o n t r o lp r e c i s i o no ft h et r a d i t i o n a l s p o t w e l d i n gc o n t r o l l e r , t h ef u z z yl o g i cc o n t r o lt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h er e s i s t a n c e s p o t w e l d i n g t h em e t h o dt ot a k eu s eo fs p o tw e l d i n gi n v a r i a b l ec u r r e n tf u z z yc o n t r o l i si n t r o d u c e dt or e a l i z et h er e a l t i m ec o n t r o lt ot h ec u r r e n td u r i n gt h es p o t w e l d i n g c o n t r o lp r o c e s s ，s oas p o t - w e l d i n gc o n t r o l l e rb a s e do nf u z z yl o g i ci s d e s i g n e dt o r e a l i z et h ec o l l e c t i o no f t h ew e l d i n gc u r r e n ta n dt h ef u z z yc o n t r o lc a l c u l a t i o n f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fs p o tw e l d i n gi n v a r i a b l ec u r r e n tc o n t r o lb a s e do nf u z z y l o g i c ，t h ef u z z yc o n t r o l l e r , t h ec h o i c eo fc o n t r o la l g o r i t h ma n dt h ep r i n c i p l eo ft h e p o i n t b y p o i n ti m e g r a t i o no fw e l d i n gc u r r e n ta r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h em e t h o d a n dp r o c e s so ft h ed e s i g no ff u z z yc o n t r o l l e ri nw h i c hw e l d i n gc u r r e n te r r o ra n dt h e c h a n g i n gr a t eo fw e l d i n gc u r r e n te r r o ri su s e da sf u z z yi n p u t s ，a n dt h ei n c r e m e n to f t h e c o n t r o l l i n ga n g l eo fs c ra sf u z z yo u t p u t a n dt h eh a r d w a r es y s t e mt a k i n g 。8 0 c 1 9 6 k 。cm i c m 嘲u t e r 舔c o r e , i n p u tc h a n n e l ，o u t p u tc h a n n e l ，k e y b o a r d d i s p l a y , a l a r m i n gc i r c u i ta l ea n a l y s e di nd e t a i l t h ed e s i g ni d e ao ft h ec o n t r o l l i n g s y s t e ms o f t w a r e ，t h em a i np r o g r a m ，d a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m ，f u z z yc o n t r o l l i n g p r o g r a ma n dt h es y s t e ma n t i m e a s u r e sa r ei n t r o d u c e ds y s t e m a t i c a l l y a tl a s t ，t h e d i f f i c u l t i e sa e c t n r e di nt h es y s t e md e b u g g i n ga n dt h es i m u l a t i o nr e s u l to fc u r r e n t t e s t i n gc h a n n e la r ea n a l y s e d k e y w o r d s ： r e s i s t a n c es p o t w e l d i n g i n v a r i a b l ec u r r e n t t h ef k 珂c o n t r o l l e r p o i n t b y - p o i n ti n t e g r a t i o n 8 0 c 1 9 6 k cs i n g l em i c r o c o m p u t e r l i 西北工业人学工学硕士论文 第一章绪论 电阻点焊是一种广泛应用于机械制造中的焊接方法，尤其在汽车、航空领域。 该方法具有能量集中、操作简单、生产率高和易于实现自动化等优点。随着自动 化程度的日益提高，对焊接接头的质量和焊接接头的可靠性也提出了更高的要 求，因此，如何采用更加精确的控制方法来监控电阻点焊过程以满足现代化生产 的需要已经成为电阻点焊质量控制研究的重点川。 影晌电阻点焊质量的因素很多，包括工艺参数，如焊接电流、焊接时间、电 极静态压力、电极尺寸等，还包括些非工艺参数方面的因素，如工件表面的状 况，网压波动等。这些因素使焊接过程变得很复杂，尤其是点焊过程的瞬时性和 焊接熔核形成的不可见性，给点焊过程质量的控制带来了很大的困难。就目前点 焊质量控制的方法来说，或在定假设条件下建立数学模型，或以某些参数的稳 定来间接控制焊接质量，这些方法都有一定的局限性，对参数的控制精度不高， 难以获得满意的控制精度。因此，对焊接过程进行实时闭环控制，补偿各种影响 因素韵波动，形成合格的焊点，建立可靠的电阻点焊过程智能控制方法和系统， 已是目前各国学者关注的重点。 1 2 电阻点焊质量监控方法 由于电阻点焊应刖很广泛，在过去三十年中，人们不断提出了各种点焊质量 控制和监控方法，包括传统的控制方法，如恒流控制法、恒压控制法和电极位移 法等；目前，随着智能控制方法的逐渐成熟，人们又把模糊控制和人工神经网络 引入到了点焊控制领域。 1 2 i 传统的点焊质量监控方法 ( 1 ) 恒流控制法 理论和实践鄙蓖肌点焊过程中的焊接电流和其他的规范参数相比对熔核 的形成影响最大”。“。”。在点焊过程中，保证焊接电流有效值不变，以保持 焊接区热输入抓的小生，从h i j 稳定焊点的质量，这种方法是各国学者关注的重点。 其原理是通过检测焊接变压器二次或一次回路的电流有效值，并与给定的值比 较，当出现偏拍i ，j f l 糕l i f q q 管的控制角以维持焊接电流有效值的恒定。电流有 西北工业人学工学硕d 论文 效值的获得也可以通过测量可控硅的导通角与峰值查表得到7 1 。在焊接过程中， 测量上一周波的导通角与峰值得到焊接电流的有效值，而焊接电流有效值与可控 硅导通角又有一关系表，根据设定的有效值查表得到可控硅的控制角，网压的波 动通过对网压采样进行补偿。 在国内外这种控制方法目前已用于实际的生产中。国内在这方面作研究的 有西工大、哈工大、天津大学、南昌航院等高校限8 9 1 0 1 ：在国外，尤其 在欧洲和日本的各大汽车公司仍然以恒流控制为主，不过其产品从控制方式和 控制精度上要比国内先进。 恒流控制法能刖焊接过程中网路电压的波动、电阻性变化、电感性变化、 材料的表面状况等闪索进行补偿，但对分流等因素没有补偿作用。 c 2 ) 电极位移监控法 电极位移监控法又称热膨胀法，因电极位移直接反映了熔核的形成，所以 该方法是一种直接质量监控方法。其原理是点焊时，焊接区金属因加热熔化使体 积膨胀，因而产生摊力作用使上、下电极产生微小的相对位移。这种位移过程反 映了熔核的形成过程，与熔核的尺寸有着很好的对应关系，因此，可以位移的变 化作为反馈信息，别+ 点焊质量进行闭环控制。热膨胀电极位移法的控制思想是以 位移量和位移量的变化率为控制对象，以实际的电极位移曲线去跟踪给定的电极 位移曲线来调整焊接电流、焊接时问和电极压力。目前出现的控制方法有以下几 种： a 以位移姒l l 口h 酲：踪给定位移量曲线 在焊接过程- i 一每一刷波对实际电极位移进行检测，和离散化的标准位移 曲线相比较，揪捌控制器的算法得到调整后的可控硅的控制角，以此改变 焊接电流，使实i 5 , j ：l l r , j 电极位移曲线和给定的电极位移曲线相吻合。 b 以位移量的变化率跟踪给定位移量的变化率曲线 通过训整焊接l u 流的大小，使实际的位移量的变化率跟踪离散化后给定的 位移量的变化碍墨，当位移量得到最大值时，切断焊接电流。 c 电极臂挠坚监控法 焊接过私中，i 【= ! i 檄位移量是很小的，这样对位移传感器的精度要求很高， 而且要求t u r ) l 的桃惜刚性要好，加压机构摩擦力要小，机头随动性好。否 则，控制系统x i 起始的膨胀信号不敏感或不响应。针对这种情况，哈工大 提出了i 幺，法，利川叱微臂袱部的应变与焊点质量的对应关系进行实时控 制。 电极磨损、分流和蚓j 噩波动列其判别精度影响很小，对不锈钢和铝合金的 点焊也适用。l 划吲i 址刘现唢溅和板边距离较小的场合不适用，位移传感器的 p q 北丁业大学工学硕士论文 安装、不同材料、不同板厚、不同焊机等因素，导致位移量有所不同，需要重新 制定位移曲线。沓埘热膨胀法的研究过程中，也有以位移加速度、位移对通电时 间的积分值做监挎参数并取得较好的效果。 ( 3 ) 动鸯电阻法 焊接过程- i ；：力态l u 阻的变化反映了熔核的形成过程，可以作为实时质量监控 的依据。动态f b 叭? - j b 帅q 考虑了电极白j 电压和焊接电流对熔核形成的影响。在动 态电阻曲线上的柴些特征和熔核尺寸相对应，控制点焊过程中电阻曲线上的某些 特征量或跟踪p ( 1 i = 【曲线，f ! | ：f 可实现对电焊过程与质量的监控。目前动态电阻的表 示方法有： a 利用正半波电极f i i j 电压的峰值和正半波电流的有效值的商得到动态电 阻。 b 利用回鼢| j i j - _ j 态功率因数角束表示动态电阻，即r = x c o s 由，其中x 表示 焊接倒路的感抗，中表示焊接回路的功率因数角，可以用焊接电流滞后 电极问i 垃压的滞后角来代替。 c 利用品州l i 的导迎角粑裁祉动态电阻。 目前，动态电阻法的应用方式主要有： a 根据上川i | | j 峰值和其后的下降量作为判断依据。在动态电阻达到峰值以 后，检测二力态电阻的下降幅度，当达到设定值时，认为熔核尺寸满足了 要求，剀焊接r 乜流。这利- 方法将焊接时间作为控制量，针对于非涂层 钢板，a 【；1 。i v s h l s 提出了基于动态电阻可获得最大焊点直径的新控制 算法，该钾= 出适川范。，有很强的通用性，效果良好1 。 b 根据动态i 【变化涧。, f i 焊接n - l - f j 的闭环控制。当动态电阻的变化达到设 定值时认为焊点熔核尺寸达到了要求，切断焊接电流。 c 实测电枷：玳i 叫n 十l j 比较的反馈控制。这种方法是在每个周波的正半 波检测二力念r u 阻值并与标准的动态电阻值比较，根据其偏差，在负半周 波通过m1 m 叫安i u 流求改变动念电阻，使实际的动态电阻曲线跟踪标准 的动态 u 帅线。 动态电阻彬：涟- ”q 爪波动、也撒压力波动、电极磨损等因素引起的焊点尺寸 变化进行有效补伐。刈九力态i 幽i 线明显的材料，动态电阻监控法是一种较好 的控制方法。 ( 4 ) 电极间电压法 电极电压骺? 一j ：址以熔恢髟成过朽! 中电极间电压发生变化的曲线为依据取 它的某些表j i _ ：梦敏m 为雌羟刈缘，从 州空制焊点质量的方法。电极间电压可用下 西北_ 业夫学一 学硕士论文 式表示： u i l l j p d x 式中l 电流路径 j - 电流警i 度 p 电阻率 由于很多余属的热阻率与电阻率呈线性关系，电极间电压与焊接区温度及电 流路径的扩大有一定的对应关系。因此，可以利用电压监测或反馈控制焊接质量。 根据所焊材料的不同可以有以下几种监控方法： a 用电极问电压最大值监控。这种方法仅使用于低碳钢，因为其电压变化 有一峰值点。 b 电压降低j 吣度的方法。 c 电压积分的j 法。 b ，c 两种方法适川于除铝合金以外的其它材料，由于铝合金在点焊时，其电 压在最后下降后趋于稳定。 电压监控方法只收电极头之间的电压信息，比较简单，监控仪器成本低，使 用方便，适用于单札i 交流点焊，也适用于三相交流、直流脉冲和储能点焊。目前， 该监控方法主要使用i b 压积分法和电压降低幅度两种控制法1 3 。 ( 5 ) 麓量控制法 点焊熔核的大小与焊接区输入的热量有很大的关系。焊接区输入的热量越 多，熔核尺寸就越大，所以，可以运用焊接区输入的热量来作为熔核尺寸的判据。 目前，能量控制法主一毖啊三种控制模式：u i 积分法，u 2 积分法，1 2 积分法。采 用积分监控能较好地监测出由于分流造成的熔核直径变化。 这种方法的适用丽比较广。但是，熔核尺寸和输入能量值之间的关系比较模 糊，因此，能量设定值的确定比较麻烦，这对该方法的应用影响很大。 1 2 2 点焊监控方法的新进展 现有的各种点焊控制器都有一定的缺陷。为了获得更理想的控制效果，随着 计算机技术和智能控制技术的发展，自上世纪9 0 年代以来，人们又提出了一些 新的电阻点焊的监控方法，包括数理统计方法、计算机模拟方法和智能监控方法。 ( 1 ) 数理统计方法 数理统计方法赴以峡验数据为塘础，通过对实验数据的处理，帮助人们获得 实验数据的规律。 4 西北工业夫学1 = 学硕士论文 国外学者d a r w i s h 等人针对低碳钢材料，用多元回归分析法建立了接头强 度、熔核尺寸与焊接参数之间的数学模型1 1 4 1 西北工业大学在这方面也作了研 究，针对不锈钢材料，建立了熔核直径、熔核厚度与焊接电流、焊接时间、电极 静态压力、电极端面尺寸、工件厚度之间的线性回归模型，应用该模型对熔核尺 寸进行预测，得到了很好的应用效果巧1 。 ( 2 ) 敷值模拟方法 由于计算机技术的迅速发展，上世纪9 0 年代以来，t s a i 等人将有限元方法 引入到点焊质量控制领域中，对热膨胀电极位移进行了研究，得出了可寻的规律， 可直接用于点焊过程与质量实时控制1 1 6 1 。日本也由一些学者根据焊接过程中检 测到的电压和电流数据利用热传导数学模型进行有限元计算，求解温度场的分布 状况，根据得到的中心部位的温度上升速度进行反馈控制，实现了对点焊过程的 实时质量控制。在国i j ，也有用此方法对点焊过程建立数学模型的研究，哈工大 用有限元方法建立了点焊数学模型，计算点焊过程的热膨胀。对点焊过程进行控 制1 1 6 1 ( 3 ) 人工智能方法 随着人工智能的发展，专家系统、人工神经网络和模糊控制的研究与应用已 经相当成熟，因此，国内外焊接工作者都把目光集中到电阻点焊的过程智能控制 方面，实时地检测烨点的熔核状况，补偿各种因素的波动，以得到质量合格的焊 点。 把智能控制引入到点焊质量控制领域具有重要的意义。在点焊过程中，各种 因素互相耦合，传统的控制方法很难获得满意的结果。因传统的控制方法需要建 立精确的数学模型，域析把控制对象简化，获得数学模型，这种模型是近似的， 甚至是粗糙的。而且为了提高控制精度，使控制系统相当复杂，降低了控制系统 的实时性m ，。 模糊控制利用类t 圳, - j 二人脑的推理方法，依靠语言变量来抽象被控对象的物理 特性，建立起物理棋型，这样就避免了通过数学方法建立其精确的数学模型。另 外，模糊控制具有较f 统的p i d 控制较好的鲁棒性，充分利用人的控制经验。 人工神经网络匙模仿人类的大脑功能，具有推理、判断和学习能力，而且可 以用来逼近任意连续函数。因此，尤其适用于非线性时变系统。由于点焊过程各 参数之间关系复杂，川? f ：耦合，焊点质量( 熔核直径和熔核厚度) 与焊接参数之 间的关系很难拙述。把人工神经网络技术应用到点焊领域后，即可解决该问题。 因此。通过训练过的神经网络，检测点焊参数可以在线检测焊点的质量。 目前，在国外关j ：点焊的智能控制研究较国内先进。尤其在美国和e 1 本，相 西北工业大学工学硕士论文 关的研究成果已经应用到实际的点焊过程中。国外学者m e s s i e r 把人工神经网络 和模糊逻辑相结合，根掘焊接参数，用人工神经网络预测电极位移和位移变化率， 作为模糊控制器的输入，建立实时控制系统，并取得了良好的控制效果i l s 】。德 国学者b u r r n e i s t e r 认为当前焊接可综合利用三个电参数( 电极电压、焊接电流和 动态电阻) 和两个机械参数( 电极位移和电极加速度) 来检测焊点质量。用传统 控制方法建立这些参数和焊点质量的关系比较困难，所以，他利用模糊控制的思 想建立了这种关系【l 。在日本于1 9 9 5 年已经开展了电阻点焊模糊控制系统的仿 真研究和应用神经网络技术在线监控点焊质量的控制系统研究【2 0 1 。 在国内，开展这方而的研究相对较晚，利用模糊控制对点焊进行控制，从文 献上看，武汉理工大学【2 i l 、湖南大学【2 孙、洛阳工学院d 3 1 和西北工业大学正在进 行研究。 神经网络在点焊领域的应用，主要是用来对熔核直径的预测。西工大对这方 面作了研究，建立了基于神经网络的专家系统，把熔核质量( 熔核厚度和熔核直 径) 和点焊参数( 焊接电流、焊接时间、电极静压力、焊件厚度和电极端面直径) 联系起来“1 。哈工大的张忠典利用神经网络把焊接接头的力学性能和焊接参数 联系起来1 2 5 1 。在国内还有其它高校把神经网络引用到点焊领域2 6 2 7 1 。 总之，点焊过程的智能控制是点焊过程及质量控制的发展趋势之一。 1 。3 本课曩研究的目的、意义和内容 为了保证焊点质最，降低生产成本，国内外的焊接工作者从提高焊接设备技 术入手，围绕着点焊过程与质量控制，作了大量的研究工作，已经研制出了大量 的点焊质量监控器，其t ：l 相当一部分已用于实际的生产中。但是，随着工业上对 焊点质量要求越来越蕊，各国焊接工作者又去研制精度更高，功能更全面的控制 器。 计算机的飞速发展和广泛应用，使智能控制开始在焊接领域得到应用。本文 针对早期的点焊控制器的实时性不好，电流控制精度不高等缺点，提出了用模糊 控制算法对点焊过程进行控制。在系统中，焊接电流的采集用逐点积分法，即在 焊接过程中，正半波对焊接电流进行逐点积分，在负半波，计算电流的有效值， 调用模糊控制算法，调节可控硅的控制角。论文的研究内容主要有： ( 1 ) 设计出合理实川的焊接电流拾取电路、焊接电流采样启动电路、同步脉冲 电路、可控硅削! 发电路、电磁气阀驱动电路、脚踏开关电路和水压检测电 路等外围电路。 ( 2 ) 设计出方便简【n 的键盘显示电路和报警电路，供用户设定焊接参数和控制 系统的工作状态，i 司时向用户显示焊接参数和工作状态。 6 西北工业大学工学钡士论文 ( 3 ) 设计出以8 0 c 1 9 6 k c 为核心的实时性好、精度高的点焊模糊控制器 ( 4 ) 用汇编语言实现逐点积分法对焊接电流的采样与有效值计算和模糊控制 等各功能予程序。 ( 5 ) 到焊接现场对所发计的控制系统进行性能考核。 西北丁业人学工学顺i 论文 第二章总体方案设计及控制原理 点焊恒流控制器作为整个控制系统的核心，其控制算法的选择、控制器结构 的复杂程度、控制器各个参数的选择等，关系到控制系统的精度、实时性、稳定 性。因此，恒流控制器的设计作为整个控制系统的先行设计，对保证整个控制系 统的性能起着相当重要的作用。 2 1 控制量的选择 控制参量的选择必须要采集方便，而且要剥点焊熔核的形成具有相当的影 响。电阻焊理论与实践已证明，在焊接电流、电极压力和焊接时间等参数中，对 点焊接头性能影响最大的电参数就是焊接电流3 4 5 “1 。焊接电流的显著波动， 必将对点焊熔核的质量产生很大的影响。根据经验，当电流波动超过5 对，点 焊接头的熔核直径已有相当大的变化。因此，在焊接过程中，保持焊接电流的恒 定对保证熔核质量具有重要的意义。但是，由于实际的焊接过程受多种因素的影 响，例如电网电压的波动、多台焊机同时通电对电流的影响、磁性焊件伸入二次 回路、工件厚度、工件表面状况等因素，都会使稳定的焊接条件受到影响。因此， 选择焊接电流作为控制参量，具有使用传感器简单，信号处理电路简单，实时性 高等优点，而且对保证点焊熔核的质量具有重要的意义。 焊接时间也是影响点焊接头质量的重要因素。因此，在焊接过程中，对焊 接时间也进行控制。 2 2 控制算法的选择 控制理论发展到今天，已出现了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理 论三个阶段。经典控制理论和现代控制理论都是以控制对象的精确数学模型为基 础。应用前两种控制算法，在控制系统设计时如果无法找到简单的数学模型，控 制理论就不能得到成功的应用”“”1 。模糊控制依赖于被控系统的物理特性而不 需建立精确的数学模型。物理特性的提取靠人的直觉和经验，这些物理特性在人 脑中用自然语言来抽象成一系列的概念和规则，即模糊控制规则。根据模糊控制 规则表、误差和误差变化率的模糊子集生成控制决策表，在实时控制时，通过查 询规则表，可以得到每时刻的控制量。每种控制理论都有自己的优缺点，表2 1 对它们进行了比较。 焊接过程是个多参数棚微合的时变的非线性系统，影响焊点质量的因素 两北f 业人学t 学坝i ：论史 很多，并有很大的随机性，很难用精确的数学模型束描述，既使简化系统后建立 了对象的简单数学模型，控制效果也不是很好。另外，点焊过程时间短，要求控 制算法的实时性高。这使得经典控制理论和现代控制理论很难满足点焊质量控制 的要求。因此，权衡各种控制算法的利弊，本文的控制算法选择模糊控制。 表2 - i 几种控制理论的比较 经典控制理论2 9 。3 0 现代控制理论啪智能控制理论3 能有效地解决线性能反映系统全部 不需建立精确的 定常系统的控制问独立变量的变化数学模型。能发挥 题 过程 熟练专家操作的 优点良好自动化效果， 适用于大规模、非 线性复杂系统，可 靠性高，实时性商 要建立精确的数学需要建立精确的 模糊控制系统稳 模型，而且对于非数学模型，控制算定性判定理论不 线性，大延时、强法复杂，实时性不够完善，模糊建 耦合、时变参数复 好 模、模糊规则的建 缺点 杂的对象，以及难 立没有统的方 以获得数学模型或法 数学模型不精确的 系统控制效果不好 2 3 点焊恒流控制原理及循环过程 点焊控制过程时闯短，所以在焊接过程中，对控制的时序要求很严格。为 了提高对点焊电流的控制精度，在焊接电流的采集与有效值计算过程中，采用逐 点积分法，这种方法使得单片机c p u 费时较多。因此，本系统的每一步设计都 要考虑到焊接的时序问题，以保征控制系统具有良好的实时性。 2 3 1 点焊电流检测原理 本文把焊接电流作为控制参量，在控制过程中要实时地检测焊接电流的有 效值作为焊机的输出量，产，l i 以跨和误菱变化率，得到可控硅控制角的变化量。 为了提高焊接电流的控制精度，对焊接电流的实时采集与有效值计算采用逐点积 分法。电参数有效值的定义如f ： 两北t 业人学t 学 j j j ! i ：论义 ( 2 一1 ) 上式是连续的，需要把其转化为有限点求和，这可利用单片机来实现。当单片机 采样点数m 取值很大时电流有效值即式( 2 1 ) 可写成： 仁牿扣川m z 可以把式( 2 - - 2 ) 简化成如下式： j m ) + f ( 月) 】 卜1 堕_ ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 在式( 2 一1 ) ( 2 3 ) 中： t 焊接电流e 半周波通电时问 m 一焊接电流币半周波采样点数 i ( n ) 焊接电流瞬时值 at 采样时间脚隔 在电流采集过程中，单片机对电流瞬时值进行逐点采样，采样到的电流瞬时 值按式( 2 3 ) 处理，即得到电流有效值。逐点积分法的原理如图2 1 所示。 用有限点求和代替连续点积分会产生一定的误差，但由于单片机采样的速度 很快，采样点密集，接近连续积分，误差较小，能满足系统要求。本文系统中采 用8 0 c 1 9 6 k c 单片机，晶振1 2 m h z 时，一次a d 转换时间为2 2us 。 0l i l l “2 l “”t 1 4 1 “h 6 ) t 【t lq ” 图2 1逐点积分法原理 2 3 2 点焊电流控制原理 点焊控制系统原理方框圳矧所示2 2 。电流信号经过传感器、信号处理电 西北t 业大学丁学烦卜论文 路、a d 转换和有效值计算得到实际流过焊点的电流有效值，送入模糊控制器， 得到下一周波的控制角u ，对点焊机实施控制功能。 在焊接通电过程中，第一周波的控制角a 是由系统发出的一个初始值。当 电流过零时，启动a d 采样，对焊接电流进行逐点采样和求采样值的平方和运算。 电流到达下限阀值时停止a d 采样，对电流信号进行数据处理，求出电流有效值。 根据上一周波的电流有效值，汁算电流误差和误差变化率，从而奁模糊控制决策 表，得到可控硅的控制角a 的变化量d ，得到下一周波的控制角a ( k + 1 ) = a ( k ) + ao 。通电时每周波的控制时序如图2 3 所示。 工f 半波的同步脉冲送到8 0 c 1 9 6 k c 的e x t i n t 引脚，在该中断( 图2 3 中的 t l 时刻) 程序中，首先判断是否是通电标志，若是通电标志，装载h s o 口的时 f 1 1 j 寄存器和命令寄存器，对两个寄存器分别装载两次，时间寄存器的第一次装载 值到时，h s 0 0 引脚置“1 ”，第二次装载值到时，h s 0 0 引脚置“0 ”，这样可以 实现在可控硅控制角q 延时到时产生一定宽度的脉冲。所以可控硅触发脉冲的发 出( 图2 3 中的t 2 时刻和t 4 时刻) ，不需要对c p u 产生中断，h s 0 0 引脚自动 置“l ”，脉冲宽度到时，对h s 0 0 引脚自动置0 。这样可以节省c p u 的丌销， 使c p u 全力进行数值运算。 2 2点焊控制过程原理示意图 西北t 业人学丁学坝卜论文 h s i i 中断( 图2 3 中的t 2 时刻) 是当电流信号的币半波过零时产生的中 断，在该中断程序中，启动电流采样，对电流进行逐点采样并计算其有效值，数 值计算结束后调用模糊控制程序，计算下一周波的可控硅控制角n 。 负半波的同步脉冲送到8 0 c 1 9 6 k c 的h s i 0 引脚，该中断( 图2 3 中的t 3 时刻) 程序除了e x t i n ，l 中断的处理外，还要对通电周波数做减l 处理。 u1 誊 u 萋 一n 爷_ e ! n 罗t 2 3 3 点焊循环过程 幽2 3 通电时每周波的控制时序幽 完成一个焊点所包括的全部程序是一个焊接循环。对于一个较完整的复杂 的点焊焊接循环，通常包括十多个程序段。但是对于常用的金属材料，只需预压 程序段、通电一程序段、间隙程序段、通f 包二程序段、维持程序段五个程序段即 可满足要求，如图2 1 j 听示。 预压程序段实现划焊件的加压，能克服焊件的刚性，获得低而均匀的接触 电阻。 通电一程序段的作用是，当通电二：为焊接电流时，其作为对焊点的预热； 当通电二为焊后热处理时，其作为焊接电流。 问隙程序段作为通电一和通电二的问隙时间，为了提高生产效率，阳j 隙程 序段的时间应尽量短或为零。 通电二程序段的作用时，当通电一为焊接电流时，其作为焊后热处理：当 通电一为预热电流时，其作为焊接电流。 维持程序段，当焊接电流结束时，焊接熔核要在压力的作用下结晶，防止 两北_ | 业人学t 学母1 l 论文 熔核飞溅。维持时间到时，电磁气阀断电，截止压力。 单片机上电复位后，首先扫描设定焊接开关量，若为设定，则调用设定子 程序，对键盘进行扫描，并显示设定值。若为焊接，则转向焊接予程序，等待脚 踏开关的闭合。 焊接过程中首先要判断每一段的时阳j 是否为零，为零时，跳过该段的子程 序，不为零时，调用该段的子程序段。在焊接结束后，要进行电流、周波数显示 图2 4焊接循环过程示意图 和其它功能子程序调用。图2 5 示出了控制系统的控制流程方框图。 2 4 控制秉统功能及技术指标 2 4 1 控制系统功能 1 存储0 5 m m + o 5 m m ，1 o m m + 1 o m m ，1 5 m m + 1 5 r a m ，2 o m m + 2 o m m ， 2 5 m m + 2 5 r a m ，3 o m m + 3 o m m 六套焊接规范参数。 2 可进行用户自己设定参数和调用存储的参数两种选择。 3 五段程序控制：预压、通电一、间隙、通电二、维持。每段的时问可进 行调节，调节范围为o 9 9 周波。并且各段可自由组合或有些段可以省 略。 4 在数据处理时，可进行整型计算和浮点计算的选择。 5 具有故障种类显示报警功能。 明北i 业人学1 _ 学坝1 + 论_ 盘： 图2 5控制系统流程图 4 两：i 匕t 业大学t 学颂卜论义 2 4 2 控制系统要达到的主要技术指标 1 电流周波数控制误差为0 。 2 电流误差控制在2 以内，当网压在1 5 以内波动时，控制系统具有补 偿作用。控制系统对有铁磁物质伸入，焊件表面情况不好具有补偿作用。 3 控制系统使电流在3 个周波内达到稳定状态。 两北下业大学 = _ 学碳i ：i g 义 第三章模糊控制器的设计 模糊控制器是整个点焊控制系统的核心。其性能的好坏关系到整个控制系 统的稳定性与可靠性。在这一章主要介绍模糊控制器的设计过程，包括模糊控制 器结构的确定、各个参数的选择，以及模糊控制器的仿真结果及改进。 3 1 模糊控制的设计 模糊控制器的l ! 乏计通常包括以下几项内容 ( 1 ) 输入和输出参量的选择 ( 2 ) 模糊控制器维数的确定 ( 3 ) 模糊语音变量的选择 ( 4 ) 论域等级的确定 ( 5 ) 隶属函数的确定 ( 6 ) 模糊规则的建立 ( 7 ) 模糊推理方法的选择 ( 8 ) 解模糊化方法的选择 ( 9 ) 比例因子和量化因子的确定 ( 1 0 ) 模糊决策农的生成 下面对各个步骤逐一介绍 3 1 1 输入和输出参量的选择 如前所述，本控制系统在焊接过程中要对焊接电流和焊接时间进行控制。对 焊接时间的控制，只需计算焊接通电的周波数即可，不需模糊逻辑来控制。对焊 接电流的控制采用模糊控制来实现，即模糊控制器的输入参量选择实际焊接电流 与设定焊接电流的误差( a1 ) 。因此，本控制器属于单变量控制器，即只有一个 输入变量。 焊接电流的有效值与网路电压、焊接回路的阻抗特性和可控硅的控制角a 有 关。在焊接过程中，刁i 可能划前两者实施控制，只能通过调整控制角a 来改变电 流有效值的大小以补偿刚络电压和焊接回路阻抗变化对焊接电流造成的影n 向。因 此，选择控制角。的增量u 作为模糊控制器的输出变最。这样，通过模糊控制 器就建立了焊接电流跌毫兰与控制角增量a 之问的关系，如图3 1 所示。 6 两北l 一业人学t 学埘 i 论文 焊接电流误差a i臣 图3 1 模糊控制器单元 3 1 2 模糊控制器维数的确定 控制角的变化量d 在单变量模糊控制器中，输入量的个数称为模糊控制器的维数。人们在对被 控对象的手动控制过椰c h 根据误差、误差变化和误差变化的速率来调整可控量。 因此，常用的模糊控制器通常有三种，即维模糊控制器、二维模糊控制器和三 维模糊控制器，如图3 2 所示。对于一维模糊控制器，往往选择受控变量和输入 给定值的偏差e 作为输入变量，这种控制器虽然简单，但比较粗糙，很难反映受 控过程的动态特性品质。对于三维模糊控制器，三个输入变量为偏差量e 、偏差 变化率c c 、偏差变化率的速率e c c 。这种模糊控制器结构复杂，推理时间长，基 于模糊推理的控制算法的计算机实现困难，既使是采用离线计算，在线查表的方 法对计算机的要求也很高，一般较少采用，除非是对控制器的要求很高的场合。 点焊过程时间短，般几个周波或几个周波，焊接电流的正半波对电流信号采样 结束后，在小于1 0 r e s 的时间内要计算电流有效值和模糊控制运算，对控制器的 实时性要求很严格。对焊接电流的要求一般在2 ，一维模糊控制器不能达到 此精度。因此，从实时性和控制精度综合考虑，本文选择二维模糊控制器，如图 3 3 所示。两个输入变量分别是偏差变化量e ( 检测电流有效值和设定电流有效 值的偏差) 和偏差变化率e c = ( e e ) t ，其中t 为两次计算焊接电流有效 值时间间隔，即工频周期2 0 m s 。由于( e i e i - 1 ) 和( e 一e ) t 的变化率是一致 的，为了提高系统的实时性，本文用( e 1 e i _ 1 ) 代替( e i e ) ，t 作为模糊控制 器的第二个输入量，刘e c = e i e 。输出变量为晶闸管导通角的增量q 。仿真 结果验证了这种控制器能较好地反映受控过程中输出变量的动态特性，而且推理 时间又不长。 3 1 3 模糊语言变量的选择 模糊控制的控制脱则一般表示为一组模糊条件语句。在条件语句中用于描述 输入输出变量状态的词汇的集合，称为这些变量的词集，胡i 称为变量的模糊状念。 一个变量的语言值越多，对事物的批述就越准确，可能得到的控制效果就越好。 当然，过细的划分反而_ ，可能使控制规则变得复杂，给推理计算带来很大的困难， 而且生成的模糊决策表的行数和列数变多，编程时占用更多的存储空问，控制时， 两北下业大学t 学砸卜论义 实时性变差。语言变量取的少了，变量的描述变得粗糙，会导致控制器的性能变 坏。一般情况下，语毒变量的模糊子集数可取3 1 0 个。在本文中三个变量的语 言变量都取为 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大) ，用字母为 n b ，n m ， n s ，o ，p s ，p m ，p b 。 e ( a ) 维模糊控制器( b ) - - 维模糊控制器 模 e c 糊 l 至止压) 控 制 器 ( c ) e 维模糊控制器 阁3 2常用模糊控制器结构图 捧接电藏谩嚣变化率 剐3 3点焊过程模糊控制器结构示意图 两：i e t 业人学丁学颂i + 论文 3 1 4 论域等级的确定 模糊控制器的输入信号( 误差、误差变化) 的实际范围称为该变量的基本 论域。基本论域都是柑f ( 0 量。在本文中，焊接电流误差綦本论域是当焊接变压器 原边的级数确定时，词+ 控硅控制角在允许的范围内调节，焊接电流有效值变化的 最大值。根据实验，该值不会超过1 0 0 0 0 a 1 2 0 1 , 因此。焊接电流误差的基本沦域 可取( 5 0 0 0 a ，+ 5 0 0 0 a ) ，焊接电流误差变化的基本论域可取 1 0 0 0 0 a ，+ 1 0 0 0 0 a ) 。 由于可控硅控制角一般在焊接回路的功率因数角与功率因数角加9 0 0 之间的范围 变化，因此，可控硅控制角增量a 的基本论域可取卜4 5 ”，+ 4 5 0 ) 。在进行模糊推 理之前，首先要把其化到论域范围内，所以要进行论域等级划分。为了确保各模 糊子集能较好地覆盖论域，避免出现失控现象，通常论域等级要大于等于1 3 。 实际系统中，模糊化等级不直划分的过细、过密，否则它不仅会失去某些信 息，体现不出模糊量的睫处，而且会大大增加运算与推理过程的工作量，使计算 机实现更困难。通常墩等级域为( 0 ，1 2 m ) ，总等级数d = 2 m + l 。 根据经验，若总子集数s = 2 n 十l ，通常n = 2 4 ，则m = ( 2 3 ) n 为宦。在本文中， n = 3 ，所以，m = 6 至9 。考虑到焊接的具体情况，在焊接过程中焊接时问很短，对 实时性的要求要高j ：j ( f 梢度控制的要求，又要达到一定的控制精度，所以对于输 入变量m = 7 ，即焊接电流误差和焊接电流误差变化量的论域为卜7 ，一6 ，一5 ，4 ， 一3 ，一2 ，一1 ，o ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，- 4 - 6 ，+ 7 。对输出变量m = 8 ，即 可控硅控制角的增量aa 论域为卜8 ，一7 ，一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一l ，0 ，+ 1 ，+ 2 ， + 3 ，+ 4 ，十5 ，+ 6 ，+ 7 ， 8 。 3 1 5 隶属函数的确定 隶属函数用来表示模糊论域中各点对模糊语言变量的隶属程度。隶属函数在 一般情况下，是根据经验给出的，尤其对于对被控对象不甚了解的模糊控制器的 设计者来说，隶属函数的选取具有较大的随意性，这既使设计者有可能获得较满 意的控制性能，! 也使没计过程充满主观色彩。隶属函数的行状越陡，分辨率就 越高，控制灵敏度也较高：相反，若隶属函数的变化很缓慢，则控制特性也较平 缓，系统的稳定性好。l 西i i i - e ，在选择语言值的隶属函数时，一般在误差为零的附 近区域，采用分辨率较商的隶属函数，w i 在误差较大的区域，为使系统具有良好 的稳定性，常可采片j 分辨率较低的隶属函数。 最常见的隶属酌数的形状有三角形拟和高斯型，为了简便，在本文采用三角 形型隶属函数。在焊接过程中，要受到各种因素的干扰，焊接环境极其恶劣，磁 场的二l 二扰，网压的高频跳动等对焊接参数采集精确度都有很大的影响，采集到的 两北t 业人学丁学坝i 论殳 参数会可能包含各种噪声。如果隶属函数选择不当，输入量的隶属度可能最终主 要由噪声决定。因此，n ：本文中，当误差较大时，隶属函数选择平缓些，以增大 系统的模糊性，排除噪，旨的干扰；当误差较小时，为了增大系统的灵敏度，隶属 函数选择陡些。 两个隶属函数的交点的大小描述了两个模糊子集之洲的影响程度。当交点较 小时，控制动作的灵敏发较高，而交点较大具有较好的适应系统参数变化的能力。 交点值不宜取的过人或过小，过小时，控制动作变化特剧烈，系统不易稳定；过 大时，两个子集难以区分，造成控制灵敏度大大下降，控制精度降低。所以在本 文中，交点值在0 5 处。 图3 4 表示了输入变量焊接电流误差和焊接电流误差变化的隶属函数，将其 离散化后，如表3 一l 所示。图3 5 表示了输出变量可控硅控制角增量aq 的隶属 函数，将其离散化后如表3 2 所示。从仿真效果看，这种设计方法是合理的。 图3 4输入变量的隶属函数 农：3 - 1离散化后输入变量的隶属函数 、等级 隶属度 76543210l2 345 6 7 变鬣 n bl0 70 3 n mu 30 7lo 5 n so 5l0 5 z oo sl0 5 p s0 5l0 5 p