铝合金脉冲MIG焊

铝合金脉冲 MIG 焊耦合模型的自适应控制仿真 摘摘 要要 由于铝合金脉冲 MIG 焊过程是一个非线性 强耦合和强时变的多变量复杂过程 仅仅靠控制某一个 参数来控制整个焊接过程 从而想获得满意的焊接质量 这是很困难的 因此针对铝合金脉冲 MIG 焊存 在的上述缺陷 本文通过分析 MIG 焊焊接参数之间的耦合关系 建立了 MIG 焊的多输入 多输出的耦合 模型 在此基础上 运用多变量控制理论分析了系统的耦合程度 设计了单神经元 PID 控制器 介绍了该 控制器的结构和算法 对铝合金脉冲 MIG 焊过程进行控制仿真 仿真结果表明 采用单神经元 PID 控制 器来控制铝合金 MIG 焊焊接过程 能取得比较满意的结果 关键词 铝合金 MIG 焊 耦合模型 解耦控制 系统仿真 ABSTRACT The aluminum alloy pulsed MIG welding process is a nonlinear strong coupling and strong time varying multivariable complex process just by controlling a certain parameter to control the entire welding process thereby to obtain a satisfactory weld quality it is very difficult Therefore pulsed MIG welding of aluminum alloy for the existence of these limitations this paper MIG welding parameters by analyzing the coupling relationship between the establishment of the MIG welding of multi input multiple output of the coupled model On this basis the use of multi variable control theory and the coupling system is analyzed the design of a single neuron PID controller Describes the controller structure and algorithm the aluminum alloy pulsed MIG welding process control simulation Simulation results show that the single neuron PID controller to control the aluminum MIG welding process can achieve satisfactory results KEY WORDS Lminum MIG welding Coupled model Decoupling control System Simulation 第一章第一章 前言前言 铝合金脉冲 MIG 焊过程是一个非线性 强耦合和强时变的多变量复杂过程 仅仅靠控 制某一个参数来控制焊接过程 从而想获得满意的焊接质量 这是很困难的 1 虽然通过 控制焊接干伸长能得到较为稳定的焊接过程 但是由于热积累作用 熔宽依然会继续增加 最后甚至可能出现塌陷 仍然会出现焊接过程失稳的现象 焊缝成形也无法保证 2 如果 通过调节双脉冲的方式对熔宽进行了控制 能够适当调整焊接过程的热输入 得到熔宽较 为均匀的焊缝 但是在试验过程中干伸长波动很大 焊接过程不容易稳定 得到的焊缝鱼 鳞纹不明显 由此可以表明单传感信息和单变量控制不足以实现铝合金脉冲 MIG 焊复杂过 程的传感和控制 因此 必须对铝合金 MIG 焊动态过程进行多信息传感和多变量实时控制 才能在保证焊接过程稳定的基础上 得到成形良好质量高的焊缝 3 第二章第二章 铝合金脉冲铝合金脉冲 MIG 焊耦合模型的建立焊耦合模型的建立 多变量控制模型可以采用状态空间模型形式或传递函数模型形式 本文采用后者 控 制输入量为脉冲电流占空比和送丝速度 控制输出量为熔池宽度和焊丝干伸长度 利用文 献 4 可知 熔池宽度 yw和电弧长度 yl受脉冲电流占空比 和送丝速度 vwire影响的 2 2 变 量控制系统的传递函数为 1 1 13640 4174 12 11 0 02530 4928 21 22 0 18450 96 5 045911 16911 0 240 9594 0 024210 2663 1 ss W ss Lwirewire ee G yG ss yGvv G ee s 1 经计算 耦合指标 D 为 0 5655 0 5655 1 69391 0 4345 0 4345 D 由此可知为强耦合 必须通过设计解耦补偿器来实现解耦控制 解耦方法有前馈解耦 控制 反馈解耦控制和对角解耦控制 本文采用反馈补偿解耦控制方法 反馈补偿解耦控 制的解耦器布置在反馈通道上 双输入双输出反馈补偿解耦控制系统结构如图 1 所示 图图 1 反馈补偿解耦控制系统结构反馈补偿解耦控制系统结构 由文献 5 可知 被控耦合系统输入与输出之间存在着强耦合关系 要对系统控制 就 必须进行解耦控制 第三章第三章 铝合金脉冲铝合金脉冲 MIG 焊的焊的耦合模型的控制仿真耦合模型的控制仿真 传统的 PID 调节器由于其技术成熟 在过程控制中获得了广泛的应用 但对一些复杂 过程 参数时变系统 由于 PID 的参数不易实时在线调整 在应用中影响系统的控制品质 神经元作为构成神经网络的基本单位 具有自学习和自适应能力 由它构成的控制系统算 法简单 易于实现 能够适应环境的变化 有较强的鲁棒性 可实时控制 最显著的一点 是不需要对被控对象进行精确的辨识 不需要知道被控对象的结构和参数 即单神经元控 制器的设计无需系统建模 单神经元的这些特点使它越来越多地引起人们的注意 并开始 得到应用 所以本文采用单神经元 PID 自适应控制结构来实现对铝合金 MIG 焊的耦合模 型进行控制仿真 6 单神经元 PID 控制器 Simulink 模型见图 2 图图 2 单神经元单神经元 PID 控制器控制器 Simulink 模型模型 第四章第四章 铝合金脉冲铝合金脉冲 MIG 焊耦合模型的控制仿真结果及分析焊耦合模型的控制仿真结果及分析 4 1 实验参数及结果分析实验参数及结果分析 本次实验 PID 控制器的参数为 Kp 0 2 Ki 0 05 Kd 5 加权值分别为 0 15 0 2 0 65 通过试验我们得到了一系列如下的试验数据 4 1 耦合模型未解耦情况下的仿真结果耦合模型未解耦情况下的仿真结果 图图 3 未解耦下的干伸长变化控制曲线未解耦下的干伸长变化控制曲线 图图 4 未解耦下的熔宽变化控制曲线未解耦下的熔宽变化控制曲线 4 2 耦合模型解耦情况下的仿真结果耦合模型解耦情况下的仿真结果 图图 5 解耦情况下的干伸长控制曲线解耦情况下的干伸长控制曲线 图图 6 解耦情况下的熔宽控制曲线解耦情况下的熔宽控制曲线 4 34 3 两种情况下的对比分析两种情况下的对比分析 由图 3 4 可知 由于没有采取解耦环节 两回路之间有着相互的干扰 干伸长控制回 路对熔宽控制回路的幅值影响相对不大 但导致熔宽控制回路调节时间增加 并且达不到 预期值 熔宽控制回路对干伸长控制回路的幅值影响较大 对调节时间和超调略有影响 也达不到预期值 在实际中 熔宽控制回路输入信号的变化很容易使电弧不稳 导致熄弧 由图 5 6 可知 单神经元自适应 PID 控制器消弱了各通道之间的耦合关系 并具有 一定的动态性能和稳态性能 使得熔宽和干伸长都达到预期值 由于系统消除耦合能力有 限 通道之间仍然有影响 但对铝合金 MIG 焊进一步研究提供了一些理论依据 4 2 结论结论 运用自适应 PID 控制 分析了铝合金 MIG 焊过程中采用不同焊接参数控制熔池宽度 和焊接干伸长时各回路之间的耦合关系 确定选用脉冲电流占空比和送丝速度作为控制系 统控制量 并针对以脉冲电流占空比 送丝速度作为输入 以铝合金 MIG 焊熔池熔宽和焊 丝干伸长为输出的双输入双输出的焊接对象模型的耦合特性 尝试采用了不同的铝合金 MIG 焊接过程双变量控制系统进行控制 通过仿真分析 发现采用单神经元 PID 自适应控 制来控制铝合金 MIG 焊焊接过程 能取得较满意的动态和稳态性能 通过本章的研究 为 以后铝合金 MIG 焊焊接过程多变量解耦控制的实现提供了理论依据 参考文献参考文献 1 吴开源 陆沛涛 李阳 等 脉冲 MIG 焊控制的研究现状与展望 J 电焊机 2003 33 2 1 2 2 石玗 铝合金脉冲 MIG 机器人焊接智能控制系统研究 D 兰州 兰州理工大学 2005 3 薛诚 石玗 樊丁 等 铝合金脉冲 MIG 焊过程解耦控制模型及仿真 J 焊接学报 2008