关 键 词：

焊缝 跟踪 光电 传感器 控制 节制 开题 报告 讲演 呈文 毕业论文 cad 图纸 机械 全套 资料

资源描述：

487 焊缝跟踪光电传感器控制【开题报告+毕业论文+CAD图纸】【机械全套资料】,焊缝,跟踪,光电,传感器,控制,节制,开题,报告,讲演,呈文,毕业论文,cad,图纸,机械,全套,资料

内容简介：

tt 1 tt 0 2 2 se s1t差3糊控制调整焊枪方向跟踪焊缝焊接结束？系统结束比例控制76351 2手控开关/手控机控手控方向98765432123456789 301012092825475432)16 )12 0)2)3)6)721098765432 11007 1906 1805 1704 1603 1502 1401 1300 1211湘 潭 大 学 兴湘学院 本科毕业设计（论文）开题报告 题 目 焊缝跟踪光电传感器控制 姓 名 李文彬 学号 2007964207 专 业 机械设计制造及其自动化 班级 07 机械一班 指导教师 李卫 职称 副教授 填写时间 2011 年 3 月 12 日 2011 年 3 月 说 明 1根据湘潭大学 毕业设计 (论文 )工作管理规定 ，学生必须撰写 毕业设计（论文）开题报告 ，由指导教师签署意见，系主任批准后实施。 2 开题报告是毕 业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。 3毕业设计 (论文 )开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于 2000 字。 5开题报告检查原则上在第 2 4 周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。 6. 填写说明： (1) 课题性质：可填 写 A工程设计； B 论文； C. 工程技术研究； (2) 课题来源：可填写 A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题； B企、事业单位委托课题； C 校 级基金课题； D自拟课题。 (3) 除自拟课题外，其它课题必须要填写课题的名称。 (4) 参考文献不能少于 10 篇。 (5) 填写内容的字体大小为小四，表格所留空不够可增页。 本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 李文彬 学 号 2007964207 专 业 机械设计制造及其自 动化 指导教师 李卫 职 称 副教授 所在系 工程 课题来源 自拟课题 课题性质 工程设计 课题名称 焊缝跟踪光电传感器控制 一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况 （ 1） 选题依据 该项目主要是解决现有的控制系统结构和运算复杂、成本高等问题。由于采用了多重比较和译码的方式，降低了焊炬的高度和人工白色标志带精度对焊缝自动跟踪控制系统精度的影响，使计算过程和电路结构极大简化。实际焊接工艺试验系统跟踪精度高，运行稳定可靠，实用性强。系统主要用于自动角焊机，在一定范围内进行焊缝水平跟踪，用于水平高低调节机构固定、工件旋转的环焊缝自动跟踪，在多种焊接专机上作为标准 配置，用于焊缝自动跟踪，装配在普通焊接设备上，实现焊缝自动跟踪，用于焊接机器人智能焊缝跟踪。 （ 2） 课程意义 制造业的不断发展，对自动化焊接与机器人焊接技术提出了更高的要求。作为焊接自动化的重要内容，焊缝自动跟踪在焊接生产中具有非常重要的作用。论文设计并研制了一套光电传感器式焊缝自动跟踪系统，该系统由光电传感器、控制系统和执行机构等组成，并根据系统的要求开发了基于 片机的跟踪系统软件。 （ 3） 国内外基本研究情况 在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。在工业发达国家，每年钢铁产量 的 40%以上要通过焊接才能转化为最终产品。自动化焊接技术问世以来，焊接生产的机械化、自动化和机器人一直在不断发展之中。据统计，日本在 1975 年共有焊接工人 460， 930 名，而 1985 年减少为 335， 600 名， 1990 年则为 210， 800 名，在过去的二十多年中，焊接工作不断地由手工操作转化为自动、半自动焊接乃至机器人焊接。随着现代焊接生产的自动化程度越来越高以及机器人焊接技术的发展，对焊接自动跟踪技术的要求也越来越迫切。 二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施 （ 1） 研究内容 缝跟踪作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点，包括电子技术、计算机焊、焊接、结构、流体、光学、电磁等学科，国内外众多研究工作者投入到这一领域进行研究，从示教型焊接机器人到程序控制焊接系统，再到移动式自动焊缝跟踪技术，焊接自动化的每一次进步都显著提高了生产效率。焊接技术的自动化、柔韧性和智能化是未来焊接技术发展的必然趋势。焊接自动跟踪主要由传感器、控制器、执行机构三大部分组成，并构成一个闭环反馈系统 。 （ 2） 关键理论和技术 传感器是焊缝自动跟踪系统的关键部分。其作用是精确检测出焊缝的 位置和形状信息比转化为电信号。控制系统才能对信号进行处理，并根据检测结果控制自动调节机构调整焊枪位置，从而实现焊缝自动跟踪。 （ 3） 完成课题的方案和措施 接触式传感器是最早使用的传感器，其特点为不受电弧干扰、工作可靠、成本低，曾在生产中得到广泛应用，但由于跟踪精度不高，目前正在被其他传感器方法取代。声学传感器尤其是超声波传感器结构简单、精度高、价格便宜。超声波传感器由超声波发生及接受装置组成。超声波传感器的测量精度主要取决于超声波的频率，频率越高，误差越小，一般超声波的频率在 弧传感器的工 作原理是在焊接过程中，当焊枪与工件之间的相对位置发生变化时，会引起电弧电压和电流的变化，这些变化都可以作为特征信号被提取出来实现焊枪高低和左右两个方向的跟踪控制。 三、主要特色及工作进度 第 1 4 周： 搜集资料，掌握 用方法。 第 5 8 周：了解焊缝跟踪光电传感器控制系统。提出可行性控制方案。 第 9 12 周：选择元器件、画梯形图。 第 13 16 周：编程调试 第 17 周：制图、写论文准备答辩 四、主要参考文献 （按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出） 1 B o b I r v i n g S e n s o r s a n d c o n t r o l s c o n t i n u e t o c l o s et h el o o pi n a r cw e l d i n _ g J We l d i n g J o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 7 8 ( 4) ： 3 1 3 6 2 潘际銮 现代弧焊控制 M 北京：机械工业出版社， 2 0 0 0 3 陈 强， 潘际銮， 大岛健司 焊接过程的模糊控制 J 机械工 程学报， 1 9 9 5 ， 3 1 ( 4 ) ： 8 7 9 1 4 蒋力培，张甲英，马宏泽传感器超前检测式焊缝自动跟踪系 统的控制模型 J 焊接学报， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 3 ) ： 1 8 4 1 8 9 5 陈伯蠡 焊接冶金原理 M 北京：清华大学出版社， 1 9 9 1 6 张文钺 焊接冶金学 ( 基本原理 ) M 北京：机械工业出版 社 ， 1 9 9 6 7 陈武柱 ,王勇 ,林青松 焊管 M, 1992(5) :1 - 10. 8 潘际銮 ,陈武柱 . 焊缝棱边双向激光自动跟踪系统 N. 焊接学报 , 1984(2) :34 - 40. 9 李士勇 经控制和智能控制论 J 哈尔滨工业 大学出版社 ,1996. 指导教师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 系意见 系主任签名： 年 月 日 院意见 教学院长签名： 年 月 日 湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目： 学 院： 兴湘学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2007964207 姓 名： 李文彬 指导教师： 李 卫 完成日期： 2011年05月20日 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书设计（论文）题目： 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计 学 号： 2007964207 姓名 李文彬 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 李 卫 系主任： 一、主要内容及基本要求： 1、检索国外焊缝跟踪光电传感器控制系统的发展动态，分析国内的现状； 2、分析焊缝跟踪光电传感器控制系统设计的关键技术问题； 3、完成焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计的一体化设计； 4、完成焊缝跟踪光电传感器控制系统设计； 5、完成焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计中硬件设计； 6、完成焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计中软件设计； 7、完成毕业论文的文稿工作，要求：总字数不低于一万字，使用A4编辑及打印装订成册； 8、技术图纸：控制系统原理图1张（0号）、控制系统程序流程图1张（0号）、电动机结构原理图1张（1号）； 9、翻译英文技术资料：翻译国焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计的（或相关课题）开发及设计的英文资料。要求：3000单词，复印原稿与翻译(打印)稿同册装订。 二、重点设计的问题： 1、 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计方案选择设计； 2、 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计软件设计； 3、 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计中外围设备硬件的设计。 三、进度安排 各阶段完成的内容起止时间1资料检索、查询2011年2月20 日 3月5 日2系统总体方案构思及设计2011年3月6日 3月20日3完成焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计方案选择设计2011年3月 21日 4月10日4完成焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计硬件设计； 2011年4月11日 4月25日5完成焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计软件的设计2011年4月26日 5月10日6毕业设计论文撰写和编辑2011年5月11日 5月19日7交毕业设计说明书和图纸，答辩准备2011年5月 20 日 5月 25 日四、应收集的资料及主要参考文献1贾剑平，张华，徐建宁.电弧传感器的设计现状与展望J.焊接.2005（11）北京 2左士强，.焊缝自动跟踪技术的发展和系统基本结构J.煤矿现代化，2008,84(3)北京 3姚河清,.一种基于DSP的焊缝跟踪模糊控制器系统的设计J.仪器仪表用户.2004(6)北京 4康丽，焊缝跟踪系统及焊接过程智能控制技术的设计J.山西科技，2008(3)：北京 5叶建雄，张华，谢剑锋，神经网络在焊缝跟踪中的应用设计J，焊接技术，No(2)(2006)北京。 6丁度坤，BP神经网络在焊缝位置识别中的应用，焊缝技术，No(3)(2007).北京。 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号 2007964207 姓名 李文彬 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备设计方案的设计能力、设计方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价评阅人： 2011年5月 日湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学 号： 2007964207 姓名： 李文彬 专 业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 56 页 图 表 3 张论文（设计）题目： 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计 内容提要：该题目主要是解决现有的控制系统结构和运算复杂等问题。由于采用了多重比较和译码的方式，降低了焊炬的高度和人工白色标志带精度对焊缝自动跟踪控制系统精度的影响，使计算过程和电路结构极大简化。系统主要用于自动角焊机，在一定范围内进行焊缝水平跟踪，实现焊缝自动跟踪，用于焊接机器人智能焊缝跟踪。焊缝跟踪作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点，包括电子技术，计算机焊接，焊接，结构，流体，光学，电磁等学科，国内外众多研究工作者投入到这一领域进行研究，从事教型焊接机器人到程序控制焊接系统，再到移动式自动焊接跟踪技术，焊接自动化的每一次进步都显著提高了生产效率。传感器是焊缝自动跟踪系统的关键部分。其作用是精确检测出焊缝的位置和形状信息比较化为电信号。控制系统才能对信号进行处理，并根据检测结果控制自动调节机构调整焊枪位置，从而实现焊缝跟踪。因此为了适应以上要求，本课题将对弧焊机器人光电传感器式智能焊缝跟踪系统进行设计，与其它系统相比较，从理论上它具有以下几个方面的优点，光电传感器跟踪精度高，控制系统多重选择，系统经过理论分析，在大范围内采用PID控制，在小范围内则转化成模糊控制，两者的转化由微机程序根据事先给定的误差范围自动选择切换，相关的焊接实验与仿真表明，光电传感器式焊缝自动跟踪系统总体上达到了设计要求，具有深入开发的潜力。指导教师评语指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组： 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日基于光电传感器的智能焊缝跟踪系统的设计摘要焊接自动化具有提高生产效率，优化产品质量和改善劳动条件等优点，能够大力促进制造业经济的发展，而焊缝跟踪技术是实现焊接自动化的必要技术，因此，发展焊缝跟踪技术具有重要意义。本文设计的光电传感器式焊缝自动跟踪系统有三个主要部分组成，即光电传感器，控制系统和执行机构三个主要部分。控制系统是基于MSC-51的单片机系统，跟踪执行机构系统由焊接小车和双十字滑架组成。对于常态表面状态和打磨表面状态下的工件，系统针对性地采用两种不同的信号采集和处理方法：对于表面常态下的工件，采用了加权比较的信号处理方法；对于表面打磨的工件，采用了另一种信号处理方法信号差值比较的方法。因此，这两种方法的综合使用可以有效地提高传感器的准确性和适应性。在分析前人实验经验的基础上，本系统的执行机构采用的是小车配合双十字滑架的模式。系统经过理论分析，建立了相应的数学模型，并在此基础上设计了符合系统要求的模糊-PID控制系统。模糊-PID控制系统采用开关切换控制的方式，在大误差范围内采用PID控制，在小误差范围内则转换成模糊控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的误差范围自动选择切换。仿真设计表明，该模型不仅简单可靠，而且跟踪精度高。相关的焊接实验与仿真表明，光电传感器式焊缝自动跟踪系统总体上达到了设计要求，具有深入开发的潜力。关键词：光电传感器；焊缝跟踪；单片机；模糊-PID控制AbstractWelding Automation has the advantages of increasing production efficiency,optimizing products quality and improving working conditions,etc.So it canvigorously promote the economic development of the manufacturing.Thedevelopment of the seam tracking technology which is a necessary for the weldingautomation technology has a great significance.In this paper,Seam Tracking System Based on Photoelectric Sensor has threemain components,namely,Photoelectric Sensor,a sub-system of control and theexecutive machine.The whole control system is consists of MSC-51 microcomputerhardware and the corresponding control software.The executive machine has twoparts,one of parts is called welded car,the other is the double-cross slider machine.the system has two different signal acquisition-processing methods for thedifferent surfaces of workpiece:For the normal surface of the workpiece,it uses themethod of comparing the signal;for the polished surface of the workpiece,it useanother different kind method of signal processingsubtraction-divided method.Therefore,it can effectively improve the accuracy and adaptability of thephotoelectric sensor by these ways.Based on the experience,the executive machine is made up by welded car anddouble-cross slider machine.By the theoretical analysis of the system,we establishthe corresponding mathematical model,and design the Fuzzy-PID control systemwhich can meet the requirements of the system.Fuzzy-PID control system uses aprogram switch to convert.when the warp detected is big,the Proportional control isapplied;when the warp detected is small,Fuzzy technology is applied.Theconversion of program switch is decided by the warp range.By the simulation,itshows that these methods are not only simple and reliable,but also more accurate forthe seam tracking.After the welding experiment and simulation,it shows that seam tracking systembased on photoelectric sensor can meet the requirements of designing generally,it candevelop more better in the future.Key Words: Photoelectric Sensor；Seam Tracking；Microcomputer；Fuzzy-PID Control目 录摘 要 .I ABSTRACT.II第一章 绪论. .11.1选题依据及课题意义. .21.2国内外设计现状. .21.2.1焊缝自动跟踪技术概述. . .31.2.2焊缝跟踪传感器的发展状况.31.2.3焊缝自动跟踪中控制理论发展概况. .61.2.4焊缝跟踪伺服系统和执行机构. .101.3本文设计的主要内容. . .10第二章 光电传感器的设计. .122.1光电传感器的组成和原理. . .122.1.1光电传感器的元件组成. . .122.1.2光电传感器的电路设计. . .132.1.3传感器元件的选择和工作特性. . .142.1.4光电传感器的工作原理. . .152.2影响光电传感器工作的因素. .162.2.1传感器高度实验. .162.2.2工件表面状况影响实验. . .172.2.3人工辅助线影响实验. . .182.2.4弧光影响实验. . . 182.2.5白线偏移实验及数据处理. . .192.3工件表面打磨状态下传感器信号采集实验. . .22第三章 硬件选择及系统整体组成. .253.1焊接小车和执行机构. . .253.1.1焊接小车. . .253.1.2执行机构. . .253.1.3十字滑架步进电机驱动控制电路. .273.2 MSC-51单片机系统. . .293.2.1单片机的P口分配. . .29 3.2.2单片机存储空间分配. . .29第四章 焊缝跟踪控制系统.314.1数学模型的建立. . .314.1.1控制原理. . .314.1.2数学模型. . .324.2控制器的设计. . .344.2.1 Fuzzy-PID复合控制器. . .344.2.2 PID控制部分. . .374.2.3模糊控制器的设计. . .374.3仿真与分析. . .45第五章 结论和分析. .505.1光电传感器式焊缝自动跟踪系统的设计结论. . .505.2进一步设计的建议. . .50参考文献. . .51附录：中文翻译和外文资料.52致谢. . .59第一章 绪论1.1 选题依据及课题意义焊接技术作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点。焊接技术的自动化、柔性化与智能化是未来焊接技术发展的必然趋势。采用机器人焊接不但可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、而且可以实现小批量产品的焊接自动化。近几年来，国内外对焊接自动化的设计主要集中以下几个方面：(1)具有焊缝智能识别与跟踪功能的焊接机器人系统，是目前设计的热点和难点，在智能识别方面以电弧传感器和光电传感器为两大典型代表，且目前已出现了比较成熟的系统。(2)焊接多自由度的焊接机器人系统。(3)多机器人组成的焊接柔性制造系统。随着科学技术的不断发展，和对产品质量要求的不断提高，弧焊机器人正朝着“高效化、自动化、智能化、柔性化”的方向发展，所采用的传感器多是电弧传感器或光电传感器。但从整体上看，目前国内外大量应用的弧焊机器人系统基本都属于示教再现阶段或离线编程阶段的成果，虽然这类机器人能够完成大量的重复性的工作，具有简单、直观、易于操作和重复定位精度高等优点，但当工件变更种类时，一般都要求系统更换工装，这在小批量、多品种的生产中必然会导致成本提升的问题。而且，由于焊接是一种热加工工艺过程，一些尺寸较大、刚性较差（如薄板）的工件在焊接过程中很可能会产生热变形，或者由于大型焊件的焊缝开口一致性不好，可能会导致实际的焊道偏离了预先示教的轨迹，此时，示教再现法就难以保证焊接质量。造成这个局面的主要原因是由于焊接过程是一个多参数相互耦合的时变的非线性系统，影响焊接质量的因素众多，并带有显著的随机性，很难用精确的数学模型来描述，这使得已往的一些线性分析方法，在不同程度上存在适应性差、对经验依赖性大等缺点。因此，虽然传统型的机器人己经有所应用，但是在精度要求更高和产品经常变化的场合是不合适的，仍需要设计开发能灵活移动，有一定智能的焊接机械，以适应不同结构、不同地点的焊接任务。所以有必要加入自动跟踪装置以增强它们的适应性，发展配带传感器、智能化更加灵活的制造系统的需求非常迫切。由于待焊工件存在下料加工及装配的误差，焊接热过程引起的变形事先也难以预料，因此给定轨迹的目标控制（或离线编程）方式己无能为力，具有焊缝自动跟踪能力的自适应系统自然成为首选目标。因此，为了适应以上要求，本课题将对弧焊机器人光电传感器式智能焊缝跟踪系统进行设计和改进。与其它系统相比，从理论上讲它具有以下几个方面的优点：（1）传感器方面光电传感器跟踪精度高，动态响应快，信息丰富，是目前设计得最多的传感器之一。传感器包括信号光源和接收器两部分，结构形式种类繁多。所用信号光源有白炽灯、激光、红外光等；按接收器件的特征可分为单点式光电传感器和图像传感器两大类。前者以单个或几个分支光电器件为接收元件，后者以集成光电器件(如CCD、PSD等)为接收元件。单点式光电传感器以人工辅助线塑料胶带，白漆线等、坡口面或坡口棱边作为跟踪基准，据此可获得跟踪信号。单点式光电传感器还有许多其它形式，其结构和控制电路都比较简单，成本低，容易产业化，所以本课题采用单点式光电传感器。（2）控制系统方面由于焊接过程的特殊性，其往往表现为一些复杂的非线性系统，难以找到合适的数学物理模型，对此传统的控制方法就容易显现出它自身的局限性。因此，在自动焊接过程如何模仿人类特有的智能来实现复杂的焊接控制是目前和将来焊接自动化的重要内容。目前，在焊缝跟踪设计领域涉及的人工智能方法主要有模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法三种，目前运用最多的是模糊控制方法。模糊控制可以不需要建立被控对象的精确数学模型，它是一种基于规则的非线性控制方法。它所采用的语言型控制规则是基于现场操作人员的控制经验或相关专家的知识。因此，在处理一些复杂性、不确定性问题的性能方面，就单一方法来讲，相对于传统经典控制方法，选择模糊控制方法要更加的合适。但是，模糊控制也有其自身的不足，由于模糊控制表的量化等级有限，造成其精确度不高，还有就是自适应能力有限和易产生震荡现象等缺点。因此，单一控制方法都有其不足之处，往往达不到较理想的效果，所以本课题计划把两种控制方法综合起来应用：即模糊控制-PID复合控制方法。其中，最常见的一种就是Fuzzy-P双模控制方法。这种复合控制方法的原理是在大偏差范围内采用经典比例控制，而在小偏差范围内则采用模糊控制，二都之间的转换由程序根据事先给定的误差范围自动转换来实现的。这种改进的控制方法的优点主要是比例控制可以进行高速的纠编，而在小偏差范围内模糊控制则可以很好的消除稳态误差。因此，它可以提高控制的速度和控制的稳态性能。1.2 国内外设计现状1.2.1 焊缝自动跟踪技术概述焊缝自动跟踪系统一般有传感器、控制器、执行机构三大部分组成，常构成一个闭环反馈系统。焊缝自动跟踪系统是一定程度上的智能控制系统，要提高焊缝跟踪系统的精度，除了在软件方面的改进之外，还需要以上三大部分硬件方面的提升：1、自动跟踪传感器方面。设计更加灵敏的传感器，使系统具有更强的实时性。2、控制器方面。设计功能强、成本低的控制器硬件，设计更加合理有效的协调各自由度运动控制的原理与方法。3、执行机构方面。需要设计出更为合理的自由度配置形式和结构，以保证机构更为轻便、运动灵活。1.2.2 焊缝跟踪传感器的发展状况设计和发展智能化的焊接自动化系统是保证焊接质量、提高生产效率、改善劳动条件的重要手段，也是目前焊接技术的发展方向。世界上许多著名的焊接设备设计和制造机构都在努力开发这一领域。焊接过程自动控制系统首先要解决的问题是焊缝跟踪。经过几十年的设计和实践，焊缝跟踪技术已经取得了长足的进步，而新型传感器的不断出现正是这一进步的标志。对于焊接传感器，目前还没有形成统一的定义。大家普遍认为，一个传感器，如果能够检测到焊接质量的外部和内部状况（比如坡口变化、溶池子尺寸、温度变化、电弧声光等特征信息），并能将检测值作为信号输出，以监测和控制焊接生产过程，就可以称之为传感器。焊接传感器是焊缝自动跟踪系统的关键组成部分。在整个系统中的作用是精确检测出焊缝的位置和形状信息并转化为电信号。控制系统之后再对信号进行处理，并根据检测结果，控制自动调节机构调整焊枪位置，从而实现焊缝自动跟踪。跟踪传感器从原理上来分有多种形式。其中比较重要的有接触式传感器、电磁传感器、直接式的电弧传感器和间接式的光电传感器。最早使用的是接触式传感器。但是由于磨损大，易变形等，所以不适用于高速焊接。针对压力容器中采用最多的I型坡口，使用电磁传感器的焊缝自动跟踪系统能较好的实现压力容器焊接过程中的焊缝自动跟踪。其理论基础为电磁理论。对于液压支架的焊接，此种传感器不适合。其原因在于传感器与焊丝之间有一定的距离，难以实现液压支架角型焊缝的实时跟踪。电磁式传感器按频率分为高频式（涡流传感器）和普通频率式两种，高频式（涡流）传感器的频率为30-160KHz，而普通式的频率低于10KHz。它的不足是容易受到焊接过程中的电磁噪声和工件错边的影响产生电磁误差信号。声学传感器尤其是超声波传感器结构简单，精度高，价格便宜。超声波传感器主要由超声波发生和接收装置两大部分组成。超声波传感器的测量精度主要取决于超声波的频率，频率越高，误差越小，一般超声波的频率在1.25-2.5MHZ。超声波传感器不易受焊接中的电磁、光、烟尘等干扰，但需要贴近工件，又对噪声比较敏感，因而容易受到噪声干扰，如CO2焊接的应用中就有一定的限制。电弧传感器的工作原理：在焊接过程中，焊枪与工件之间的相对位置发生变化时，会引起电弧电压和电流的变化，这些变化都可以作为特征信号被提取出来，用于实现焊枪高低和左右两个方向的跟踪控制。电弧传感器以电弧本身为传感器，相对其它传感器来说，它结构更加简单，保用方便灵活，它的最大优势是它能抗弧光，高温及强磁场能力很强。因为它不受弧光、磁场、飞溅、烟尘等干扰，因而，它具有响应快、精度高，抗干扰强等特点。它的缺点如下：由于它是以电弧本身作为检测元件，所以只有在焊接过程中才能发挥作用。另外，焊枪的摆动或旋转机构比较复杂，电弧各参数间耦合性很强，实际得到的波形未达到预期的效果，故需要对所得的数据进行滤波，且控制量需要根据大量的实验经验来确定，对于无对称侧壁或根本无侧壁的接头形式，现有的传感器不能识别，也不能实现对焊接起始点与终止点的自动检测。国内外已做了很多电弧传感器的焊缝跟踪方面的工作。电弧摆动的实现有多种方法，可以通过摆动焊炬，也可以是焊炬不动，通过电磁力来驱动电弧摆动，或者将气体吹入电弧中，利用热收缩效应使电弧摆动。光学传感器精度高、再现性好，可以实现对坡口形状、宽度和截面的检测和焊缝跟踪,为焊接参数的自适应控制提供依据。光电传感器又可以分为基于分立光电元件的单点式光电传感器和能够获得坡口图像信息的视觉传感器。视觉传感器能够检测坡口二维图像信息，由于其包括的信息多、灵敏度高、动作相应快,成为最新式、功能最强、性能最先进的焊缝自动跟踪传感器。利用视觉传感器的焊缝自动跟踪系统是未来焊接自动化的发展趋势。根据辅助光源形式的不同，焊缝跟踪视觉传感器可以分为基于结构光的视觉传感器和基于光点扫描的视觉传感器。与采用结构光的视觉传感器相比较,采用光点扫描获得二维图像信息的视觉传感器的缺点是所使用的振镜结构复杂,价格昂贵。视觉传感器所能获得的信息量大，同时，随着计算机技术和图像处理技术的迅速发展，大大提高了焊接系统的外部适应能力。特别是CCD传感器因其可靠的性能、清晰直观的图像和良好的使用效果而得到了普遍的重视。例如，线阵CCD图像传感器,它的白炽灯光通过光导纤维投射在工件上形成圆形光斑，其反射光成像于上方的器件上，由于是线阵（包含个光敏单元），仅获得光斑中与焊缝垂直的一条线的信号，与工件表面对应的光敏单元信号强，与缝隙对应的光敏单元信号弱，用微机处理256这个信号，即可求出焊线中心线的位置，用于自动跟踪。这类传感器由于光斑面积大，如何提高其光照度以获得必要的信噪比是其关健。其工作原理如图11所示。 图1-1 线阵CCD图像传感器单点式光电传感器相对视觉传感器来说，它的结构更加简单，对相应设备的要求条件没那么高，价格更加便宜，在满足跟踪精度要求的条件下，更容易实现产业化，对提高国内的焊接自动化水平大有裨益。但它采集的信息量相对视觉传感器要少，对实验的条件和环境要求较高，抗干扰能力有待提高。1.2.3 焊缝自动跟踪中控制理论发展概况发达国家对弧焊过程的焊缝跟踪已进行了很多年的设计和探索，取得了可观的成绩。近代由于电子技术、计算机技术的发展和模糊数学、神经网络的出现，并将其应用到焊接这一复杂的不确定性的非线性系统，使焊缝跟踪跨入一个崭新的朝代智能焊缝跟踪时代。所谓现代智能控制就是主要利用人的操作经验、知识和推理规则，同时利用控制系统所提供的某些信息得出相应的控制动作，以达到预期控制目的的一种控制方法。目前，采用的控制方法主要可以分为经典控制方法和现代智能控制方法两大类，而经典控制方法主要有PID控制，智能控制则主要有模糊控制、神经网络、专家系统等等。1）经典控制方法的发展应用经典控制方法中应用最普遍的是PID控制方法，这种方法的实质是检测出被控对象的某个或某些状态参数，与期望值进行比较，得出偏差值，输送到采用PID算法设计的控制器中，得出控制量，控制执行机构的动作，从而减小甚至消除偏差。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。这种控制方法也是工程中较为成熟的一种方法。常规PID控制也有许多不完善之处，其中最主要的问题就是PID控制器参数的整定问题，且一旦整定计算好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而实际中，由于实际系统参数等发生变化，而使系统很难达到最佳的控制效果。现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂，它不仅表现在控制系统具有多输入、多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性特性，而且从系统对象所能获得的知识讯息量也相对地减少，然而对控制性能的要求却日益提高。因此，采用常规PID控制器难以获得满意的控制效果。它的发展趋势是与智能控制相结合，形成控制性能更优的复合控制。2) 模糊控制方法在焊缝跟踪中的发展状况模糊控制是基于丰富操作经验总结出的、用自然语言表述控制策略，或通过大量实际操作数据归纳总结出的控制规则，用计算机予以实现的自动控制。它与传统控制的最大不同，在于不需要知道控制对象的数学模型，而需要积累对设备进行控制的操作经验或数据。由于模糊控制是以人的操作经验为基础，而不依赖于控制系统的数学模型，实际上是把人的智能融入了控制系统，自然实现了人的某些潜能，所以它属于一种智能控制。1965年，美国加州大学自动控制系L.A.Zedeh教授把经典集合与J.Lukasiewicz的多值逻辑融为一体，用数字或函数表述和运算含有像“冷”、“热”之类纯属主观意义的模糊概念，创立了模糊集合理论，这就开创了模糊控制数学基础的设计。其后，出现了许多设计模糊集合理论和模糊逻辑推理的成果：1968年提出了模糊算法概念，1970年提出模糊决策，1971年提出模糊排序，1973年，L.A.Zedeh引入语言变量这个概念，提出模糊if-then规则来量化人类模糊语言的知识规则，建议把模糊逻辑应用于控制领域，从而奠定了模糊控制的理论基础。1983年，日本富士电机开创了模糊控制在日本的第一项应用水净化处理。日本的S.Murakami等人设计了基于模糊控制的焊缝跟踪系统，根据语言规则设计了模糊滤波器和模糊控制器，控制效果很好。1989年日本将模糊控制应用于电冰箱、洗衣机、微波炉等消费产品上，把模糊控制的应用推向了高潮。1985年，保加利亚的D.Lakov提出用模糊模型描述弧焊过程的不确定性，借助于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，实验结果表明，采用模糊集概念可以进行在线评估、预测和控制。随着计算机及其相关技术的发展和模糊控制的广泛应用，出现了许多模糊硬件系统，进一步推动了模糊控制理论的发展和应用。模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制、专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。3) 神经网络控制方法在焊缝跟踪中的发展状况人工神经网络控制是在设计人脑结构和功能的基础上，通过简化、抽象和模拟，建立神经网络模型，再通过相应的计算机系统，实现反映人脑结构和功能来处理问题的过程控制。神经网络擅长于从输入-输出数据中学习有用的知识，总结出规律性的东西。神经网络控制是把模仿人脑生理结构和工作机理的数学模型人工神经网络跟自动控制相结合的产物，它具有人脑可以并行处理信息、模式识别、记忆和自学习的能力，因而对于多维、非线性、强耦合和不确定的复杂系统能够很好地实现自动控制。神经网络控制技术的设计主要集中在以下几个方面：模糊神经网络的设计；模糊神经网络与遗传算法(GA)的结合；模糊神经网络与其他控制方法综台的选择；闭环系统稳定性的设计；新型神经网络和快速算法及其在控制系统中的应用的设计。尽管神经控制相对于常规控制在某些方面有无可比拟的优势,它可以用来处理常规控制方法难以处理的复杂非线性系统的控制问题，而这并不意味着对所有的非线性系统的控制问题，神经控制就一定比常规控制好。对有些可以用常规控制解决的非线性系统的控制问题，究竟采用哪一种方法好，目前尚无定论。因此，可将神经控制和常规控制用于相同的非线性系统，并对它们的控制效果进行比较设计。它可为人们选择合适的控制方案提供指导。目前，误差传播神经网络及BP网络是应用最广、且它的基本思想也最直观的，BP网络的特点是进行误差逆传播，即根据网络的希望输出与网络实际输出之差的误差信号，由输出层经中间层向输入层逐层修正连接权及各单元的输出阈值，BP算法在求误差函数的极小值，通过样本的反复训练并朝减少偏差的方向修改权值，直到达到满意的精度为止。在国内焊缝跟踪领域方面，华南理工大学把神经网络技术应用于弧焊机器人中，利用神经网络在笛卡尔空间轨迹的补偿作用，设计出了一种基于笛卡尔空间轨迹调整的机器人焊缝跟踪神经网络控制器，这种控制器具有良好的控制特性和较强的鲁棒性，显著提高了弧焊机器人的焊缝跟踪精。上海交通大学设计了基于高斯基模糊神经网络的移动焊接机器人焊缝实时跟踪系统，对所设计的焊接移动机器人建立了运动学模型并设计了基于高斯基模糊神经网络的焊缝跟踪控制器。采用Denavit-Hartenberg(D-H)齐次坐标变换法分析了机器人本体和滑架对焊炬点位姿的运动学行为,采用高斯函数作为隶属函数,以滑架位置和小车方位角作为输入,焊炬的转向调整角作为输出,利用神经网络的自学习和自适应能力,实现模糊隶属函数和控制规则的在线修改。焊缝跟踪试验验证了所设计控制器的有效性,其跟踪精度可控制在0.5 mm以内。广东工业大学把BP神经网络应用在焊缝位置识别中，,使用视觉传感器采集焊接熔池图像,选取图像中熔池前端部分进行处理,先对其进行中值滤波与灰度变换,在此基础上,获取每一幅熔池图像的质心值、质心位移、质心速度及电弧与焊缝的偏差值作为训练样本数据。以质心值、质心位移和质心速度为输入量,以偏差值为输出量,利用BP神经网络建立其数学模型,最后对该模型进行检验，实验证明了有效性。在国外，英国利物浦大学的专家们进行了大量的关于人工神经质网络控制在TIG焊接中的应用的设计，且取得了很好的结果。他们利用比较成功的焊接实验结果作为数据，建立了一个人工神经网络系统。该系统可以根据焊接参数对焊缝的质量进行较准确的预测判断。日本的Y.Suga等人将神经网络运用到焊缝跟踪中，在该系统中采用了视觉传感器并用神经网络进行图像处理以获得焊缝的形状数据，实验结果表明此系统具有较强的鲁棒性，能有较地进行焊缝跟踪。国内外焊接界的设计者们对焊接过程中焊缝的自动跟踪技术进行了大量而且富有成效的设计，特别是在控制算法上进行了许多尝试工，从传统的控制算法到现代控制算法，以及目前比较受人们关注的模糊控制和神经网络算法都进行细致的设计，并获得了许多富贵的应用成果。4) 焊接专家系统方法在焊缝跟踪中的发展状况专家系统是一种基于知识的计算程序系统，它能够利用已获取的特定领域的专家知识，模拟人类专家解决问题的能力，对所面临的问题做出具有专家水平的结论。随着人工智能技术、神经元网络和模糊推理等技术发展，专家系统有了较大的发展。焊接领域的专家系统的设计约始于80年代中。最早见于报道的是美国科罗拉多矿业学院(CSM)与美国焊接设计所(AWI)联合开发的焊接材料选择系统Weldselector。我国与国外几乎同时开始焊接专家系统的设计工作。最早见于报道的经过国内外焊接工作者的不懈努力,目前焊接专家系统设计已触及焊接生产的所有主要方面,主要集中在工艺制定、缺陷分析、材料设备选择等方面。工艺选择与工艺制定专家系统。这是目前最主要的焊接专家系统应用领域,有关工艺选择及工艺制定的焊接专家系统约占70%。焊接过程实时控制专家系统。这是焊接专家系统发展的一个重要方向,但目前已开发的系统不是很多。国外已开发的此类专家系统有美国的GeneralDigital Industries开发的NEWCS，Adaptive technologies开发的Camtech1000和Adaptitech1000，AWI&NIST开发的Weld excel，还有就是日本的NKK公司开发的Expert System for Control of Welding arc meters。其中Weld excel与NEWCS两个软件虽已将离线工艺设与在线实时控制结合起来,但只是按已经拟订的工艺对工艺参数进行调整。而Camtech1000和Adaptitech1000则具有真正的实时性,可完成零件定位、焊接操作、质量检查等功能。Expert System for Control of Welding arc meters还可给出最优焊接参数,从而控制焊接设备,保持恒定的熔深和焊道高度。焊接专家系统的开发与设计虽然已取得了可喜的成就,但其发展程度还相当不完善,焊接专家系统今后的发展趋势为：专家系统与人工神经网络、面向对象技术、模糊系统等智能技术结合起来形成混合系统,克服单一技术的缺陷与不足；充分利用焊接数据库,设计以当前获得快速发展的焊接数据库作为知识源的自动知识获取机制将成为焊接专家系统的一个值得重视的设计方向；系统的集成将进一步加强；多媒体技术将在焊接专家系统中得到进一步应用。多媒体技术以其生动的图文声效果、强大的感染力有着广阔的发展空间,但目前由于其巨大的工作量仅限于在培训、销售环节的焊接软件中应用,随着计算机软、硬件环境的进一步发展,将会更多地应用于焊接专家系统中。5) 复合控制方法在焊缝跟踪中的发展状况在很多情况下,单独采用一种控制方法都有不足之处,往往达不到理想的效果。如果采用上述两种或者三种方法复合的控制方法,则可以互补不足,得到很好的控制效果。在实际的应用中,已有很多的例子证明了这种复合控制方法的优越性。例如：模糊数学-PID复合控制方法、专家系统-PID复合方法等等诸多复合控制方法。2006年巴西大学的Alfaro Sadek CA将人工神经网络和模糊控制结合起来,神经网络用来提高计算机的视觉效果,模糊控制规则用来保证传感器的连续光感。在其系统中,采用了12个处理器、多个传感器,采取了并行结构,实验结果证明该种方法比总线控制的效果好。国内，南昌大学设计了一种基于神经网络结构的模糊控制器,并将它与PID控制器相结合,动态的调整PID参数。系统根据技术人员的经验和知识,离线的进行学习,使得模糊神经网络掌握调节PID参数的规则,模糊神经网络根据系统的偏差和偏差变化率实时的对PID的三个参数进行优化。以电弧传感器作为对象,通过仿真试验,证明了在相同的PID算法下,此控制方法起到较好的效果,说明此算法是可行的。专家系统善于逻辑性推理,但学习比较慢,难以满足快速时变系统的控制要求;模糊控制长于模糊信息处理和决策,但对复杂对象的控制精度不够;神经网络分布式存蓄信息具有很好的自组织、自学习能力,但还需提高学习速度,避免局部最优而取得全局最优。随着智能控制设计的不断深入,神经网络、专家系统、模糊控制己经开始相互渗透和结合,智能控制技术在焊接中的应用越来越广泛。如神经网络与模糊控制的结合,专家系统和神经网络的结合,以及模糊专家控制系统的应用等等。普遍认为,将专家系统作为自适应单元,将模糊计算作为决策单元而把神经网络作为补偿单元是目前智能控制发展最有潜力的方法。三者的结合使得控制系统具有更强的自适应、自学习、自组织和更好的控制品质。目前,在弧焊过程控制中,专家系统主要用于熔深和熔宽控制、电弧稳定性控制、焊缝跟踪和规范参数的专家知识优化等方面;模糊及其复合控制多用于电弧稳定性控制;模糊控制和神经网络结合多用于熔宽、熔深和焊缝跟踪上;神经网络利用其“学习”功能主要应用于熔深和熔宽的检测,再与模糊控制器结合,完成焊接质量和焊缝的跟踪。1.2.4 焊缝跟踪伺服系统和执行机构焊缝跟踪系统中，用于驱动执行机构的电动机，目前常用的有步进电动机、直流伺服电动机、无刷直流伺服电动机和交流伺服电动机等。在近年开发的焊缝跟踪系统中步进电动机还占有很大的部分,而采用直流伺服电动机和无刷直流伺服电动机则是今后的发展趋势。对于焊缝跟踪的执行机构的机械装置，最重要的是行走机构，它的灵活性和稳定性对跟踪精度起着很重要的作用。车轮式移动装置机构简单，动作稳定、灵活,最适合于平地行走,很多焊缝跟踪执行机构都应用轮式结构。车轮轮式结构分为三轮式、四轮式和六轮式结构。三轮式机构的特点是但它的旋转中心也与车体的中心不一致。而六轮式机构控制和操纵起来比较复杂。因此在焊接和其他行业中大多采用四轮移动机构的典型结构。随着计算机技术和自动化技术的发展，专门用于焊接的机器人也得到了迅速的发展，机械手机构被广泛应用于焊缝自动跟踪机构。1.3 本文设计的主要内容本文要开展如下几个方面的工作：1.设计并自制光电传感器，分析哪些主要因素影响传感器的精准度和灵敏度，最终确定传感器的最佳工作状态。2.为了进一步提高传感器识别的精确度和灵敏度，使之能够对工件不同表面状态的焊缝保持一定的跟踪精度，需要改进光电传感器的信号采集和数据处理方式。3.建立基于光电传感器的焊缝跟踪系统的数学模式，结合现在各种先进控制技术，设计适合于光电传感器的焊缝跟踪的智能控制方法，并对整个系统进行Matlab仿真。第二章 光电传感器的设计本章主要介绍了三个方面：一是介绍了光电传感器的组成和工作原理；二是通过做一系列的实验，对传感器进行调试，确定了传感器的最佳工作状态，以及实现其最佳工作状态所需的条件；三是通过做白线和黑线偏移实验，分析大量数据，得出工件不同表面状态下的信号变化规率，进而总结出信号处理的数学方法分别为信号加权比较和信号差值比较的方法，信号加权比较方法针对的是表面为常态的工件，信号差值比较方法针对的是表面打磨的工件。这两种方法的确立，为后面控制器的设计打下了基础。2.1 光电传感器的组成和原理2.1.1 光电传感器的元件组成光电传感器核心元件主要有两部分组成，一部分是光源，也就是发光器件，我们在这里选用发光二极管;别一部分是对光源发出光的接受元件，也就是光敏元件，我们在这里选用光敏三极管作为接受元件。对于发光器件，我们选用发光二极管，发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。它们具有以下几种特点：发光(能量转换)效率高，反应(开关)时间快可以达到很高的闪烁频率，使用寿命长,耐震荡等机械冲击，体积小，便于聚焦。本实验中作为接受元件的光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。因此，它与光敏二极管相比，具有更大的光电流放大作用，也即有更高的灵敏度。光敏三极管工作原理图如下图2-1所示。图2-1 光敏三级管的工作原理图2.1.2 光电传感器的电路设计由光敏三极管的工作原理，我们可以知道，光敏三极管在一定的光强度照射时，它处于导通准状态，当在一定的有效范围内时，光强度增大（或减小），光敏三极管的电阻也就减小（或增大），当与它串联的电阻一旦选定确定时，每一个并联支路中的电流的大小就由光敏三极管中的电阻决定，进而与光敏三极管串联的电阻的两端电压也随之而改变，我们通过测量并联支路中串联电阻的两端的电压的大小来反映并联支路的电流导通的情况，也即串联电阻的两端电压能间接反映出照射到光敏三极管的光强度。如光电传感器的电路图2-2所示，我们只需要测出电路中L，M和R端的电压就能间接的知道三个光敏管的光强度。图2-2 光电传感器的电路原理图2.1.3 传感器元件的选择和工作特性为了有效的准确的反映出焊缝的偏移状况，那么三个发光二极管发出的光强度应该尽量一致，但实际上发出的光强度完全一样的三个发光二极管是不存在的，我们只能在允许一定的误差内，选择发光强度尽量相近的就行。因此，我们在大量同样规格的发光二极管中选出性能尽可能相近的三个。同理，光敏三极管的选定也是依据这个原则选择，三个光敏三极管的特性大抵相同，且都在其光电特性曲线的线性区内工作，如光线太强，超出光敏管的线性区，则出现饱和现象，传感器无法在饱和区内感应出光强度的变化；如光线太弱，也同样不在光敏管的线性内，既不敏锐，也不能有规律反映出光强度的变化。所选用的光敏管的光电特性曲线如下图2-3所示。 图2-3 光敏三极管的光电特性2.1.4 光电传感器的工作原理首先，为了更加有效的检测出焊缝，我们在焊缝上画一条人工辅助白线，然后利用我们设计的光电传感器检测人工辅助白线，根据人工白线的不同偏差情况，传感器相应的输出不同的偏差信号。光电传感器内装有三只发光二极管和三只光敏三极管。它的工作原理如下：发光二极管发出的光照到工件表面上反射回来被光敏三极管接受，根据白线处反光量较大的原理，离白线最近的光敏三极管输出的电流信号比另外两只光敏三极管要强，因此与其串联的电阻输出的电压信号也就更高。这样，我们只要对光电传感器输出的信号（也即图2-2中L，M，R端的电压）做一比较，就能反映出焊缝实际偏差情况，工作原理如图2-5所示。 图2-5 光电传感器的工作原理图2.2 影响光电传感器工作的因素要确定系统中传感器的最佳工作状态，首先需要明确有哪些因素会明显地影响传感器数据采集的准确度和灵敏度，经分析，主要影响因素有：传感器的硬件特征，焊接钢板种类，传感器与焊接钢板的高度，焊接钢板的表面状况，焊接钢板有无人工辅助线，以及人工辅助线的宽度等因素，以下就对各因素分别展开实验。为了验证文献39中传感器工作的可靠性，我们重复了其传感器高度、人工辅助线等实验，以此作为进一步改进传感器性能的基础。2.2.1 传感器高度实验传感器与焊缝钢板的高度直接影响到系统焊缝跟踪的精度，这个实验就是要确定传感器的最佳高度。实验方法如下：1、传感器（可以固定在小车的十字滑架上）竖直垂直于水平的白线，且传感器中间的发光二极管和光敏管正对白线。2、调节传感器底端与钢板的距离（如4mm），再用万用表测量中间光敏管的输出电压；3、改变传感器的高度（如高度分别为6mm,8mm时），相应的测量出中间光敏管的输出电压。4、将传感器水平移动，使中间光敏管偏离白线，并测量出相应的电压。5、将以上数据记录成表。传感器在每个高度状态（如高度为4mm）下其输出电压都测试3次，并将取得的3个数据取中值。实验的数据结果如上表2-1所示。表2-1 传感器高度实验数据从以上表中数据，我们可以看出传感器的高度为4mm时，三个光敏管能同时达到比较理想的灵敏度。高度越小，传感器越灵敏，但如果太近，移动的传感器容易与表面不平的工件发生接触摩擦，损坏传感器。高度太大时，三个传感器的灵敏度都降低。所以，通过实验，我们把传感器与焊缝钢板的高度定为4mm。2.2.2 工件表面状况影响实验为了检测传感器在各种不同表面状况下是否能依然正常工作，我们做工件表面状况影响实验。我们这里用的焊缝钢板是Q235-A,钢板的表面状况分为：工件表面状况一般，表面有油污，表面有铁锈以及表面经过打磨四种情况，分别对这四种情况的做传感器探测实验，并将实验得出的数据绘制成表2-2所示。表2-2 钢板不同表面状态实验从以上实验数据可知，传感器对表面普通、油污及铁锈的工件能有效地工作，虽然工件表面状况不同，但输出的信号都呈线性规律，即信号都能用相同的数学处理方法。不同与前面三种情况，工件表面打磨时，工件有白线得到的信号反而比没白线时的要小，原因主要是：钢板经过打磨，表面会比较平整，类似于镜面，容易产生镜面反射，而添加的白线会削弱镜面反射能力，因而信号要小，也不呈现前面状况的信号规律。2.2.3 人工辅助线影响实验由于受光电传感器本身局限的影响，为了提高光电传感器的准确性和灵敏性，我们在工件上增加一条人工辅助线，为了能够确定人工辅助线的宽度和颜色对传感器信号的影响程度，我们进行了人工辅助线影响实验。传感器的高度为4mm，实验工件为碳素钢钢板。人工辅助线的颜色分红、白两种，线宽分4mm、2mm两种。实验方法和步骤参考前面的传感器高度实验，实验数据见下表2-3所示。表2-3 人工辅助线影响实验数据 由以上实验数据可以看出，人工辅助线对传感器信号影响是明显的。相比红色人工辅助线，白线在提高传感器灵敏度方面更具优势，因此使用白线作为本实验的人工辅助线。辅助线太粗，传感器跟踪精度下降；如果太细，感应信号又不明显。由以上实验数据来看，我们选用宽度为4mm左右的白色人工辅助线，现实中并不要求白线任一处的宽度都精确为4mm，即达不到，也不必达到它只是条辅助线，经数学处理后并不影响最后的控制效果。而要画一条4mm左右宽度的白线并不是很难实现，只需要用一根直径大约是4mm左右的粉笔就行，正常条件下大部分人用粉笔画线时都实现4mm左右的宽度。因此，增加人工白线能改善传感器的灵敏度和精度，且操作简单可行。2.2.4 弧光影响实验在室内正常光照条件下，不管是室内是亮还是暗，传感都能正常工作，因为传感器光敏管接受的光主要来自传感器发光二极管发出的反射光。但弧光对传感器的影响就要考虑在内了：一方面，弧光部分光谱处于光敏管接受光谱范围内，需要特殊过滤；另一方面强烈的弧光还有可能使光敏管直接处于电流饱和的工作状态，无法检测出白线偏移状况，这种情况下，更谈不上对信号进行数学方法。为了解决这个问题，我们目前采用机械遮挡的方法，用橡胶把传感器的底端围一圈，橡胶底端与工件距离不能大于1mm。这样，柔软的橡胶即使与不平的工件表面发生摩擦，也不会影响传感器的正常移动，且橡胶更换简单，成本低。实验方法：传感器高度为4mm，工件为普通碳素钢钢板，白线宽度为4mm，参照前面的实验方法和步骤，按下表2-4所示条件进行相关的实验，并将实验所得填入表中。实验详细数据见表2-4。表2-4 弧光影响实验数据由以上实验数据可知，橡胶遮挡的条件下，传感器输出信号没有出现大的或者无规律的波动，无橡胶时，则出现相反的情况。原因有两个：一是强弧光的直接干扰，且弧光的强度也是不恒定的。二是焊接点的变化（如焊接点的堆高），弧光点对光敏管的照射角度和距离是不断变化的，即使轻微的变化也会被放大，进而导致传感器的信号变化很大。以上缺陷是弧焊本身所具有的局限，因此，只能通过外加方法加以克服。实验证明，采用橡胶遮挡弧光的方法，可以有效地克服弧光对传感器的干扰。2.2.5 白线偏移实验及数据处理通过以上的各种实验，我们能够得出传感器最佳工作状态所需要的安装高度和其它要求，除此之外，实验还需要进一步明确以下两个方面问题：一是工件不同表面状况（这里主要是常态表面和打磨表面两种表面状况）下，传感器检测白线偏移的信号输出规律（也就是考察传感器在垂直焊缝方向上检测白线偏移时，其输出的信号变化规律）；二是对于工件不同表面状况得到的信号，根据的它们呈现的规律，建立相应的信号数学处理模式。这是本章节中最重要的一部分，关系到信号的有效采集与处理。一工件表面常态下（包括工件表面有铁锈，油污的情况）时，传感器对偏移白线的数据采集。实验条件设定如下：传感器在最佳工作条件下采集数据，传感器高度为4mm且底端橡胶遮挡，白线宽度为4mm，做白线偏移实验。我们先选用表面普通的工件，把传感器安装在的传感器十字滑架上（另一个十字滑架是焊炬滑架，是用来安装焊炬的），工件水平放置，步进电机驱动滑架使传感器垂直于白线方向水平左右移动，通过水平移动传感器来模拟白线偏移。传感器水平移动距离和方向如下表2-5所示，即左右方向1mm、2mm、3mm、4mm，实验所得数据见下表2-5。表2-5 工件表面为普通时白线偏移实验结果 白线 偏差 情况 输出电压（V） 左光敏管信号 中光敏管信号 右光敏管信号偏左4mm 0.52 0.54 0.54 1.20 1.26 1.34 1.72 1.72 1.80 偏左 3mm 0.50 0.50 0.52 1.74 1.78 1.80 1.10 1.14 1.18 偏左 2mm 0.50 0.54 0.58 2.06 2.10 2.14 0.98 1.00 1.04 偏左 1mm 0.54 0.58 0.62 2.12 2.20 2.20 0.84 0.86 0.92 居中 0.54 0.58 0.64 2.24 2.30 2.38 0.76 0.82 0.84 偏右 1mm 0.60 0.64 0.66 2.08 2.14 2.14 0.72 0.78 0.78 偏右 2mm 0.68 0.72 0.74 1.60 1.64 1.68 0.66 0.68 0.72 偏右 3mm 0.78 0.82 0.86 1.22 1.24 1.28 0.64 0.68 0.68 偏右 4mm 1.10 1.14 1.18 0.88 0.90 0.92 0.62 0.66 0.68 无白 色 0.32 0.34 0.38 0.58 0.64 0.68 0.56 0.58 0.62之后，我们再选用表面铁锈较多的工件，按同的方法和步骤重复上面的实验，得实验数据如下表2-6所示。表2-6 工件表面铁锈较多时白线偏移实验结果白线 偏差 情况 输出电压（V） 左光敏管信号 中光敏管信号 右光敏管信号偏左4mm 0.88 0.88 0.92 2.26 2.30 2.32 1.30 1.34 1.40 偏左 3mm 0.88 0.90 0.92 2.42 2.48 2.50 1.32 1.38 1.40 偏左 2mm 0.88 0.92 0.94 2.64 2.64 2.68 1.20 1.24 1.30 偏左 1mm 0.90 0.92 0.96 2.74 2.76 2.82 1.16 1.22 1.28 居中 0.96 0.96 0.98 2.82 2.86 2.90 1.06 1.10 1.14 偏右 1mm 0.98 1.00 1.00 2.72 2.74 2.80 1.04 1.06 1.10 偏右 2mm 0.92 1.00 1.04 2.58 2.62 2.64 0.94 1.00 1.04 偏右 3mm 1.00 1.04 1.10 2.48 2.52 2.54 0.92 0.94 0.98 偏右 4mm 1.16 1.20 1.22 2.10 2.14 2.16 0.92 0.94 0.96 无白 色 0.62 0.64 0.66 1.22 1.24 1.28 0.82 0.84 0.88二工件表面常态下的数据处理。理论上说，当没有白线，或白线居中时，左右两个光敏管输出信号值的大小应该是一样的，但实际上，右边光敏管的输出值总是要比左边的大，原因有两方面：一是左右两个光敏管本身不可能完全一样，输出值总有差别；二是光敏管底部接受光的孔的大小也不可能总是一样。这样综合起来导致右边光敏管输出的信号值总是要比左边的大0.1左右，但这种固有误差是传感器本身所拥有的，不是随机的，因此可以通过数学处理的方法消除。通过对以上实验数据的分析总结，我们得出以下公式表示如下： （2-1）中公式2-1：表示数学处理后的焊缝偏差值，前面的正负号表示焊缝的偏移方向，正代表焊缝右偏，负代表焊缝左偏；：表示传感器左边光敏管的输出信号；：表示传感器右边光敏管的输出信号；：表示传感器中间光敏管的输出信号；分子加0.1是为了抵消总是比小0.1的固有差值，之后再将差值与加权后的中间信号相除，这样就可得出焊缝偏差值的经验公式，它不是由严格的数学模式推导而成的。由表2-5和2-6可以看出，只要左右偏差大于1mm，的值总是-11，而在时，我们认为焊缝是居中的，1因此就成为焊缝有无偏差的界线。这是保证偏差的精度在1mm内的依据，为整个系统的跟踪精度提供了数学基础。2.3 工件表面打磨状态下传感器信号采集实验之所以把本实验单独列为一个小节，是为了弥补文献39中传感器的局限，以进一步提高光电传感器的适应性。通过前面的相关实验，我们可以知道，在同样有白线存在的条件下，经过打磨的钢板对传感器的影响，与正常条件下的钢板对传感器的影响是截然不同的。正常条件下，在针对有铁锈，油污的钢板时，传感器付出的信号数据反映规律与我们最初设计传感器时的工作原理是相符合的，也就是在传感器三只光敏管中，离白线越近的越近的光敏管输出的电压信号越大。但是在打磨过的钢板却没有体现出这种规律，反而出出了相反的情况，既离白线越近的那路光敏管输出的电压信号反而越小。之所以出现这种情况，是因为在有铁锈，油污条件下，钢板中白线部分结光的反射能力比没有白线部分的反射能力要强，因而离白线越近的光敏管接受到更强的光照，输出的电压信号也就越大，但是当钢板经过打磨时，钢板中白线部分对光线漫反射的能力反而比无白线部分的弱，因此，离白线越近的光敏管输出的电压信号反而越小。如果传感器只能对正常条件下铁锈，油污的钢板才能正常工作，那么传感器显然有很大的局限性，因为在大多数的工业要求中，需要对焊件的坡口进行打磨坡口打磨后的工件能有效地减少焊缝中的氧化物、夹杂，有利于提高焊缝的性能。因此，我们需要提高传感器对工件不同表面状态的适应性。针对这种情况，我们的应对方法是：一方面把人工辅助线改为黑色的；另一方面相应的改变信号的数学处理方法。实验方法：1、传感器高度为4mm，传感器前端橡胶遮挡。2、用黑色的水笔笔尖的宽度为4mm，在Q235-A工件上，画一条宽度为4mm的人工辅助黑线，仿照白线偏移实验。得出的数据如表2-7所示。表2-7 工件表面打磨时黑线偏移实验结果白线 偏差 情况 输出电压（V） 偏差计算左光敏管信号 中光敏管信号 右光敏管信号 偏左 3mm 2.88 2.90 2.91 3.08 3.10 3.12 3.19 3.22 3.23 -5.32 偏左 2mm 2.91 2.95 2.95 3.01 3.05 3.06 3.18 3.20 3.21 -3.32 偏左 1mm 3.04 3.05 3.07 2.95 2.95 2.97 3.17 3.18 3.20 -1.13 居中 3.09 3.10 3.10 2.98 2.90 2.92 3.10 3.12 3.13 -0.18 偏右 1mm 3.16 3.17 3.19 2.92 2.94 2.95 3.03 3.04 3.04 +1.18 偏右 2mm 3.20 3.21 3.22 3.06 3.06 3.08 2.93 2.94 2.96 +3.60 偏右 3mm 3.21 3.23 3.24 3.11 3.12 3.12 2.88 2.89 2.90 +6.18通过以上数据分析，我们可以得出如下公式来反映焊缝偏差的情况，即： （2-2）公式2-2中sgn：为符号函数，取决于的值的正负，“+”表示焊缝右偏，“-”表示焊缝左偏。 ，：分别表示为，两个值中较大和较小的数值。以上信号差值比较的数学处理方法，可以弥补文献39中不能对表面打磨的工作进行焊缝跟踪的不足，提高了系统的适应性。由于对于工件不同表面状况有两种不同的信号处理方式，因此，在对之后的控制系统的模糊变量进行赋值时，应根据工件表面两种不同状态各自对E和EC进行赋值。同样，我们在设计程序时就得设计两个子程序分别对应以上两种不同的情况。第三章 硬件选择及系统整体组成本章主要讲述了光电传感器焊缝跟踪系统的硬件组成，着重介绍了焊接小车和执行机构的组装，明确了由两个十字滑架组装成的执行机构的工作原理，并改进了十字滑架步进电机驱动电路。最后，重点介绍了单片机机控制系统的元件组成，以及单片机是如何对焊接小车和十字滑架进行相应的驱动和控制。一般的智能化焊接系统可细分为传感系统、运算处理系统、焊缝跟踪系统、控制执行系统和电源系统等。本文所采用的焊接系统主要由自制光电传感器、焊接小车及MSC-51单片机系统、弧焊机器、十字滑架等设备组成。弧焊机器使用的是唐山松下公司的KR500焊机，而MSC-51单片机系统则由伟福E6000/S仿真器来实现，小车上的执行机构由两个十字滑架组合而成，两个十字滑架X、Y轴都是由步进电机驱动。由于是使用自制的传感器，因而有些设备需要相应地进行改装及设置。对于弧焊电源之类可以直接拿来使用的设备我们就不在文中重述了，下面只对焊接小车和十字滑架的改装以及单片机的设置进行论述。3.1 焊接小车和执行机构3.1.1 焊接小车我们这里采用的焊接小车是经过自己改装的，它能沿垂直于焊缝直线方向前后匀速行走，上面安装两个十字滑架。焊接速度既是小车的行走速度，因此它的速度可以根据实验要求来制定。3.1.2 执行机构本实验的执行机构是由两个十字滑架组合而成，双十字滑架如示意图3-3所示，其中一个十字滑架安装焊炬，另一个安装传感器，它们的整体安装结构如示意图3-4所示：图3-4 跟踪执行机构整体示意图如图3-4所示，我们把X轴上装有传感器的十字滑架叫做传感器十字滑架，为了便于描述，用十字滑架A表示；把X轴上同时装有焊炬和十字滑架A的基座的十字滑架叫做焊炬十字滑架，用十字滑架B表示。总的来说，十字滑架B是用于控制焊炬左右移动，十字滑架A用于控制传感器，而整个十字滑架A和焊炬又是在十字滑架B的同一个X轴上同步移动的，因此传感器在垂直于焊缝方向的位移是十字滑架A、B各自X轴的位移的总和，焊炬垂直于焊缝方向的位移则是十字滑架B的X轴的位移，明确这点有利于后面的数学建模。这种由两个十字滑架组成的执行机构的工作原理是：光电传感器在前面实时检测焊缝偏差，然后延迟固定的一段时间之后，让焊炬执行机构（也即十字滑架B的X轴）做完全相同的垂直焊缝方向的水平移动。例如，光电传感器根据检测点焊缝的偏差情况向左移动3mm,经过延迟一段时间之后，焊炬到检测点时也相当地向左移动3mm，此时传感器则向右回移3mm，以保持它的独立检测不受焊炬移动的影响。除此之外，执行机构的设计方法还有其它两种方案：一是执行机构只用一个十字滑架，把传感器与焊炬一同固定在十字滑架X轴上；二是如文献39中所用的执行机构，即用一套旋转机构代替一套十字滑架，焊炬和旋转机构都固定连接在十字滑架上，旋转机构可绕一固定点旋转摆动，传感器则固定在旋转机构上。对于方案一，如果只用一套十字滑架的话，那么，坡口中心与导轨间的距离变化不能太大，也即是焊缝偏差不能变化太大，如果陡然增大，传感器发出的检测光无法探测到焊缝传感器发出的检测光及其反射能被接受到是有一定范围的，会导致跟踪的失败。方案一的优点是整个机构简单，缺点是传感器的要求高传感器要有能检测偏差范围大且提供相应精度的能力。对于方案二，它与本方案相比，在经济上更加实惠，但精度上则要逊色。它的原理是：传感器按一定的弧度摆动来跟踪焊缝，再延迟一段时间后，焊炬相应跟随移动的是弧度两端的直线距离。缺点是总个系统的结构复杂，增加了控制的难度，反而使控制的精度下降了。综合以上，为了更加有效的提高焊接的精度，我们还是决定使用组合的两套十字滑架作为焊缝跟踪的执行机构，虽然成本会比前两个方案都要高，但是可以使系统的结构更加合理简单，跟踪精度更高。3.1.3 十字滑架步进电机驱动控制电路实验中的两个十字滑架需要进行一定的改装和调试，驱动控制电路的设计思路是：一、电路应具有一定的驱动能力，能反应快速。二、电机速度的改变可以通过调节脉冲频率或占空比来实现，为了能实现电机的速度能在一定范围内匀速可调，因此，电路应满足脉冲频率或占空比可调性好的要求。三、为了能使控制执行机构左右方向移动，电路应该能实现对电机正反转向的控制。这样，控制执行机构的执行方向就可以由电机的正反转向来控制，它的执行量就可以由电机的转速以及此速度下单片机控制的持续时间来决定。我们使用的两个十字滑架都是采用VEXTA步进电机驱动的。这种电机自身功率驱动模块的设置是：方向控制端是图3-5中的CCW，高电平电机正转，低电平电机反转；开关控制端是图中3-5中的CW，高电平电机工作，低电平电机不工作。因此，我们改装的驱动控制电路是为了能实现对驱动模块的有效控制。它的电路如图3-5所示。图3-5 十字滑架步进电机驱动控制电路如图3-5所示，驱动控制电路中的电路方波发生器是由一个555构成的，通过它可以调节它的占空比。通电初始时，555的2脚起始电平为低电平，555置位，3脚输出高电平。为了便于公式的推导，我们假设电位器RP上部分的电阻和下半部分的电阻分别为和。电流经过R1，RA和D1给C2充电，当充到C2上的电荷的电压达到阀值电平的2VDD/3时，555复位，3脚输出低电平，这时候，C2的电荷经过R2RB和D2放电，这样电路又回到初始状态，电路就是按上述循环方式工作的。占空比公式如下： （3-1） 公式3-1中：RP为电位器的总电阻。为电容器C2放电时间；为电容器C2充电时间；如果我们要调节步进电机的转速，就可按公式3-1所示，调节电位器来改变及的阻值，进而改变脉冲波的占空比以实现转速的改变。由图3-6可知，当机控/手控开关转换到机控档位置时，电路工作与否的状态就由单片机P1.3的输出信号决定。当单片机P1.3输出低电平信号时，光耦导通，V+通过光耦加到555的8脚，电路开始输出脉冲波；反之，光耦不导通，电路不工作。电机的正反转向则由单片机P1.4的输出信号决定，当P1.4输出高电平信号时，光耦导通,CCW输出高电平，步进电机正转；反之，步进电机反转。另外，要实现由人来控制电机的开关，只要把机控/手控开关转换到手控档位置即可，单片机的P1.4作用机制不变。3.2 MSC-51单片机系统本实验采用的单片机是80C51型，它是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。80C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。因此，它完全可以满足我们焊缝跟踪的要求。传感器的焊缝跟踪信号是模拟信号，以进入单片机的CPU之前，需要经过AD将模拟信号转变成，经过CPU处理决策之后，将数字信号传给DA转换成模拟信号，最后执行机构根据模拟信号执行相应的动作。在上述信号转变和处理的过程中，还包括74LS573，74LS90及GAL16V8等一些辅助元件的参与。单片机系统电路原理如图3-6所示，使用的控制板是SCB-51B型。3.2.1 单片机的P口分配对单片机的控制，其实就是对I/O口的控制，无论单片机对外界进行何种控制，或接受外部的何种控制，都是通过I/O口进行的。51单片机总共有P0、P1、P2、P3四个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个I/O端口都能作输入输出口用，其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问.如图3-7所示，我们使用的单片机的各个P口的定义如下：PO口接ADC0809的数字量输出端。P1.0接ADC0809的EOC信号端。P1.1接传感器十字滑架左右开关（低电平有效）。P1.2接传感器十字滑架左右方向。P1.3接焊炬十字滑架左右开关（低电平有效）。P1.4接焊炬十字滑架左右方向。3.2.2 单片机存储空间分配单片机需要对低128字节的数据存储器RAM定义空间分配：一、工作寄存器空间：00H-0FH区。二、数据缓冲区：10H-6FH区。用于存储传感采集到的信号，和对信号进行一定的数学处理，比如前面介绍的两种情况下，白线偏移信号的处理三、用户堆栈区：70H-7FH区。用于存储各子程序。图3-5 8051 单片机系统电路原理图第四章 焊缝跟踪控制系统本章主要介绍了控制系统的数学建模，采用按干扰值补偿的开环控制模型，并根据光电传感器焊缝跟踪的的特点，设计了Fuzzy-PID双模控制器。模糊-PID控制系统采用开关切换控制的方式，在大误差范围内采用PID控制，在小误差范围内则转换成模糊控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的误差范围自动选择切换。仿真设计表明，该模型不仅简单可靠，而且跟踪精度高。通过对系统的仿真，证明了系统的可操作性和可行性。4.1 数学模型的建立4.1.1 控制原理本系统采用的是按干扰值补偿的开环控制，这类系统的输入量是外部干扰信号（本文即为焊缝的变动），经过测量利用干扰信号产生控制作用，以补偿或抵消对系统产生的影响。其控制过程如图4-1所示。图4-1 干扰值补偿的开环控制按干扰值补偿的开环控制有以下两个特点：一是外部输入的干扰量经测量、计算、执行装置到被控对象单向传递；二是在系统的干扰信号端加入测量装置以后，可将干扰量检测出来并对其进行补偿。本系统的被控量是垂直于焊接方向上焊炬相对于焊缝的距离，干扰量是焊缝的变动量。由于传感器的检测点在焊炬的焊接点前的某一固定的距离，传感器先检测出检测点的焊缝干扰量，经过一段时间后，焊炬才到达刚才传感器的检测点，再执行相应的补偿量以补偿干扰量。4.1.2 数学模型图4-2 焊缝跟踪过程示意图如图4-2所示：纵坐标Y表示各曲线垂直于焊接方向上相对导轨的偏差量；横坐标X表示焊炬或传感器沿导轨行走的距离，以t作为相应的行走时间。实验中，前置传感器与焊炬的实际距离和焊接小车沿X轴行走的速度，可以由实际情况确定下来的，在这里为了建模的方便，我们分别用和表示，因而，焊炬相对传感器的延迟时间=/。我们先假设以下几个量：R (t)：为焊缝曲线，也即为系统的输入量。Y 1(t)：为传感器跟踪曲线； S 1(t)：为传感器执行机构（传感器十字滑架）跟踪的执行量。Y1 (t)：为焊炬的调节曲线；S2 (t)：为焊炬执行机构（焊炬十字滑架）跟踪的执行量。Y1(t)、Y2 (t)均为系统的输入量，且与执行量S 1(t)、S 2(t)互为原函数与导函数的关系。我们选取焊接跟踪过程某一任意状态t时刻状态作为切入点，图中相应的表示为在X轴刻度上的t时刻，即此时传感器到达B点，相应的焊炬到达的X轴刻度上的t?时刻，即在A点，。由以上假设Y1 (t)、Y2 (t)分别是传感器、焊炬调节曲线，且是执行量S1 (t)、S2 (t)的原函数可知： （4-1）焊接点A与检测点B之间的偏移量： （4-2）由于传感器相对导轨的距离是由传感器十字滑架的执行量与焊炬执十字滑架的执行量的叠加而成的，因而有： （4-3）传感器检测点与焊缝中心的实际误差： （4-4）焊炬在A点经过t时间之后的调节量为： （4-5）综合一下：传感器的控制量 （4-6）焊炬的控制量 （4-7）根据以上公式，我们可以得出焊缝跟踪系统运动关系结构图，如图4-3所示。图4-3 焊缝跟踪系统运动关系结构图图中和分别为传感器、焊炬执行机构传递函数。将上述时域内表示的关系经过拉普拉斯变换，可得到如图4-4所示的跟系统结构简图。图4-4 焊缝跟踪控制系统结构简图如果焊缝偏差信号与控制系统的输入信号（传感器输出信号）之间能建立精确的数学模型，也就是系统输入与输出之间有精确的数学模型，那么以上系统就是一个常规的反馈控制系统。但是，我们知道焊缝偏差信号与系统输入信号之间的关系是非线性的，它们之间并没有精确的数学模型。因此，对于这种非线性，引入模糊控制其中即可实现它们之间的对应关系。4.2 控制器的设计模糊控制器具有能适应被控对象非线性和时变性的优点，而且鲁棒性较好。但是它的稳态控制精度较差，控制欠细腻，难以达到较高的控制精度，尤其在平衡点附近。同时，它也缺少积分控制作用，不宜消除系统的静差。为了弥补这些缺陷，实用中经常把基本模糊控制器跟其它控制器相结合，充分发挥它们各自的优点，以使控制效果更加完美，满足工业中各种不同要求。因此，把PID控制策略引入Fuzzy控制器，构成Fuzzy-PID复合控制，是改善模糊控制器稳态性能的一种途径。4.2.1 Fuzzy-PID复合控制器常规二维模糊控制器以误差和误差变化率为输入量，它具有比例-微分控制作用。比例控制可以加快系统响应速度，减小系统稳态误差，提高控制精度；微分控制可以使系统超调量减小，稳定性增加，但对于干扰同样敏感，会降低抵制干扰的能力。模糊控制器缺少积分作用，从而使它消除系统误差性能欠佳，难于达到较高的控制精度。比如，模糊控制器在平衡点附近就存在着盲区，虽然有些Mamdani设置的隶属函数分布有意避开了零点，但是即使是这样，零点左右两个相邻模糊子集的核之间，仍然有一定的“空白”区，平衡点附近依然存在着死区。二维模糊控制器有两个分量：偏差和偏差变化率，这就相当于有了PID控制器中的比例和微分两个环节，缺少积分环节。积分控制可以消除稳态误差，这正是模糊控制器所缺少的环节。只是积分控制的动态响应较慢，不过这可以用动态响应快的比例控制环节弥补。如果把比例、积分控制联合起来，组成PI控制环节，既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。为了弥补模糊控制器（简称Fuzzy控制器或F控制器）在平衡点附近出现的盲区缺陷，可以引入PI控制环节，与模糊控制器联合构成Fuzzy-PID复合控制器。它的原理如图4-5所示。 图4-5 F-PID控制器示意图理论上讲，PI控制器可以使系统的稳态误差为零，有着很好的消除稳态误差的作用。由4-5图可知，在输入信号e之后，设置一个带阈值的模态（每种控制方法称为一种模态）转换器，根据阈值与e的比较结果确定模态：当e小于阈值时，让信号传输到F控制器，以获得良好的瞬态性能；若e大于阈值时，则让信号传输到PI控制器，以获得良好的稳态性能。这种F-PI复合控制器，比单个的模糊控制器具有更高的稳态精度，消除了盲区：而比经典的PI或PID控制器具有更快的动态响应特性，使系统能更快地趋向平衡点。图4-6 系统流程图因此，本系统采用Fuzzy-PID控制，在大偏差范围内采用比例控制，在小偏差范围内则采用模糊控制，两种控制方式的切换是根据预先确定的偏差阈值来实现的。总结前人经验，本文设定的阈值为3mm，此时表面常态的的绝对值大约在10附近,表面打磨的的绝对值大约在6附近。当偏差小于3mm时，设定表面常态的绝对值小于10,或者表面打磨的绝对值小于6,此时系统则采用模糊控制；当偏差大于3mm时，设定表面常态的绝对值大于10,或者表面打磨的绝对值大于6，此时系统则采用PID控制。如图4-6系统流程图所示4.2.2 PID控制部分PID（英文全称Proportional Integral Differential）控制器是在过程控制中，按误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器，是一种技术成熟、应用最广泛的模拟调节器。它对于各种线性定常数系统的控制，都能够获得满意的控制效果，尤其适用于被控对象参数固定、非线性不很严重的系统。设PID控制（调节）器的输出量为u (t)，输入量为e (t),它们间的关系是： （4-7） 上式中为比例增益，为积分增益，为微分增益，它们都是可以通过计算得出的常数。为了便于得出以上三个参数，我们对上式进行离散化处理。把下面出现的公式： (k=0,1,2,3.) （4-8） （4-9） （4-10）分别代入上面4-7式中，就可得到下式： （4-11）因此，在实验中只需要根据具体的输入量和偏差值，代入公式4-11中，得出方程，通过求解方程组既可得出三个增益常数。为了获得满意的控制效果，这三个参数需要根据系统的具体状态进行实时调节。4.2.3 模糊控制器的设计（1）模糊控制器的原理和结构模糊控制器工作的基本原理，是将输入的数字信号经过模糊化（D/F）变成模糊量，送入含有模糊规则的模糊推理模块（。R），经过近似推理得出结论模糊集合，然后被清晰化模块（F/D）变成清晰量u，再输出到下一级去调节被调对象，使其输出满意的结果。设计模糊控制器的首要任务，是对操作经验或测试数据进行的归纳、总结和分析，确定输入、输出变量，进而确定模糊控制器的结构。各种模糊控制器的设计中，最基本的结构单元是单变量二维F控制器，它的结构简单、原理明晰、便于组合、应用广泛，而且极具代表性，可以应用于各种复杂情况的模糊控制。二维模糊控制器，其输入变量有两个分量，常取偏差e和它的变化率ecde/dt，它们能够反映出受控过程中输出变量的动态特性。二维模糊控制器的基本结构如下图4-7所示。图4-7 模糊控制基本结构（2）量化因子量化因子是为了对清晰值进行比例变换而设置的，其作用是使变量按一定比例进行放大或缩小，以便跟相邻模块很好地匹配。在本文中将模糊控制器的误差e等于第二章出现的（焊缝偏差值），误差变化率ec等于本次周期采样值与上一周期采样值之差。本文定义误差E和误差变化率EC的论域分别如下：E的论域为：6,5,4,3,2,1，0，+0，1，2，3，4，5，6EC的论域为：6,5,4,3,2,1，0，1，2，3，4，5，6把e和ec映射到相对应的模糊论域E和EC，采用常用的量化方法，即线性量化方法，本文线性量化的量化因子表达式可表示如下： （4-12）上式中E和e分别取范围内最大的正整数再通过公式： （4-13） （4-14）即可把e和ec映射到相对应的模糊论域E和EC中。(3) 模糊语言变量的选择模糊控制的控制规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，亦称为变量的模糊状态，一个变量的语言越多，对事物的描述就越准确，可能得到的控制结果就越好。但是，过细的划分不仅会使得控制规则变得复杂，给推理计算也会带来很大的困难，而且生成的模糊决策表变得繁杂，编程时占用更多的存储空间，控制时，时实性变差。然而语言变量选取得少了，变量的描述变得粗糙，会导致控制器的性能变坏。因此，本文E的模糊集语言变量的个数为八个，用字母表示为：LB,LM,LS,LO,RO,RS,RM,RBEC和u的模糊集的语言变量个数为七个，用字母表示为：LB,LM,LS,O,PR,RM,RB上面的误差的模糊集的元素个数比EC和u的多出一个，也就是0区分了LO与RO，这样做的目的是为了提高系统的稳态精度。（4） 隶属函数和赋值表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，也使设计过程充满主观色彩。隶属函数的形状越陡，分辨率就越高，控制灵敏度也越高；相反，若隶属函数的变化很缓慢，则控制特性较平缓，系统的稳定性好。因此，在选择语言值的隶属函数时，一般在误差为零的附近区域，采用分辨率较高的隶属函数，而在误差较大的区域，为使系统具有良好的稳定性，常可采用分辨率较低的隶属函数。最常见的隶属函数形状有三角形型和高斯型。为了简便，本文采用三角形型隶属函数。由此，可以建立模糊变量E、EC和的赋值表，他们分别如表4-1、表4-2和表4-3所示：表4-1 模糊变量E的赋值表表面常态下的Sd30表面打滑下的Sd6.5 euE-6-5-4-3-2-1-0+0+1+2+3+4+5+6RBRmRSROLOLSLMLB0000000.21.00000000.70.8000000.11.00.4000000.50.70.100000.11.00.2000000.60.80000001.00.300000.31.00000000.80.6000000.21.01.000000.10.70.5000000.41.00.1000000.80.70000001.00.2000000注：工件表面状态的不同，dS的计算方法也不同，见公式2-1和2-2。因此，对应的E的赋值也有所不同。表4-2 模糊变量EC的赋值表 表面常态下的30表面打滑下的6.5 euE-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6RBRmRSOLSLMLB000000.21.0000000.70.800000.21.00.400000.50.71.000001.00.200000.50.9000001.0000000.90.500000.21.000000.10.70.500000.41.00.200000.80.7000001.00.200000注：工件表面状态的不同，的计算方法也不同，参考公式2-1和2-2。因此，对应的EC的赋值也有所不同。表4-3 模糊变量u的赋值表 euE-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6RBRmRSOLSLMLB000000.21.0000000.70.800000.21.00.400000.50.71.000001.00.200000.50.9000001.0000000.90.500000.21.000000.10.70.500000.41.00.200000.80.7000001.00.200000（5） 模糊控制规则的建立模糊控制规则是模糊控制器的核心，是模糊推理的基础。控制规则的完整性、干涉性和相容性关系到控制系统的可靠性和稳定性。因此，控制规则的好坏直接关系到整个控制系统的性能。虽然模糊控制规则建立的方法很多，但大多数的方法都是以运行者的知识和操作者的经验为基础建立的。本文选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为；而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。完整的控制规则一般要由若干结构相同、但语言值不同的模糊条件语句构成，本文的控制规则一共可归纳出7*856条，如：(1)if EC=LB and E=LB then u=RB(2)if EC=LB and E=LM then u=RB(55)if EC=RB and E=RM then u=LB(56)if EC=RB and E=RB then u=LB由操作经验归纳出的模糊规则，用自然语言表述具有直观和易于理解的优点，但显得烦琐，在输入机器时并不方便，尤其是输入单片机时。因此，我们把它们转换成一个表格，使之具有直观简单，查算方便，快速简捷等优点，如见下表4-4。表4-4 模糊规则表 ECUE LB LM LS O RS RM RB LB LM LS LO RO RS RM RB RB RB RM RM RM RS 0 0 RB RB RM RM RM RS 0 0 RB RB RM RS RS 0 LM LM RB RB RM 0 0 LM LB LB RM RM 0 LS LS LM LB LB 0 0 LS LM LM LM LB LB 0 0 LS LM LM LM LB LB（6） 模糊控制查询表的建立我们知道每一条模糊条件语句都有其对应的模糊关系R，进而由其可以计算出相应的u。例如：本文中的第一条语句是if A and B then C类型的模糊规则，则可得到它的模糊关系R： R （4-15）如果令此刻采样所得到的实际误差量为e且误差的变化为ec，再由e与模糊控制规则R根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量，即 =e R。因此可得到： （4-16）最后利用最大隶属度的方法，把计算出的模糊控制量由模糊量变成精确量，并把这些精确量的结果制成如表4-5的形式。 表4-5 模糊控制查询表4.3 仿真与分析在众多的计算机仿真语言和仿真软件中，MATLAB以其模块化计算方法，可视化与智能化的人机交互功能，丰富便捷的矩阵运算、图形处理及模块化图形组态的系统辅助工具包Simulink，成为最受控制系统设计和仿真领域欢迎的软件系统。MATLAB中的Simulink,是专门用于仿真的软件包，它的名称是Simulation(模拟仿真)和Link（连接）的组合词。Simulink可以提供设计对象的建模、仿真和分析等各种动态系统，是进行交互仿真环境的优秀集成软件。我们先按照图4-3和图4-4的结构，建立本实验系统焊缝跟踪系统的仿真模型图，如图4-8所示：为了使整个仿真模型图更加简洁，也为今后修改调用方便，我们把经典控制部分子系统封装起来，成为一个自定义模块，也即图4-9中的PID Control块，PID模块的详细结构框图如下图所示。图4-9中的比例增益、微分增益X、Y可以根据实验要求调整，以达到实验最佳效果。在这里，为了仿真的方便，我们把X、Y值都定为1进行仿真。由模型图可知，它设了两个控制器：一个是PID控制器（PID Controller模块）；另一个模糊控制器模块（Fuzzy Logic Controller模块）。通过常数模块（Const现设为“1”）和开关模块（Switch），可以对这两种控制器进行转换：默认状态下常数模块取值为“1”,系统属PID控制。若双击Const模块打开其参数设置框，把Constant Value（常数）编辑框的参数改为“-1”,系统则转换成模糊控制。这样可以实现两种控制间转换的仿真，但我们在实际中，则采用通过程序的方式来实现它们之间的转换，通过设定转换的阈值来实现。首先，我们先得确定采用什么样的输入信号，由于我们重点要考虑系统的动态性能，因此我们选用的输入信号为单位阶跃信号，函数定义如下：单位阶跃信号 （4-17）对于单位斜坡信号，当Const模块中的参数设置分别为1和-1时，这时系统分别属PID控制和模糊控制。我们把Const模块中的参数设置为1，这时系统是PID控制方式，以模拟大偏差时的情况。这时进入PID控制器的信号（单位阶跃信号），得出的仿真图形如图4-10所示：当我们把Const模块中的参数调协为-1，这时系统进入模糊控制方式，以模拟小偏差时的情况。单位阶跃信号经过仿真模糊控制器后，得出的仿真图形如图4-11所示。通过对上两图的比较，可以看出图4-10中的前两个波形比图4-11中的前两个波形，形状更加形相更加接近，但是50ms之后的图形则没有4-11图中的图形平直相似，可以看到有更多的超调和振荡。单一的PID控制和模糊控制是各据有特点的：在大偏差范围内PID控制比模糊控制更能快速纠正偏差，但在小偏差时，PID控制的快速纠偏的能力没有体现，反而比模糊控制有更多的超调和振荡。所以，我们完全可以综合它们两者的优点，设定合理的阈值，这样得出的复合控制既可以比PID控制的动态响应更快，超调更小，其稳态精度要比单纯的模糊控制提高了很多。因此，设计复合器的关健是选好模态转换的阈值。F和P控制器的切换阈值太大，会过早进入模糊控制，虽然有利于减小系统的超调，却影响系统的响应速度；阈值太小，可能会出现较大的超调。通过以上相关仿真，我们可以得出以下结论：本文所设计的PID-模糊控制系统在理论上是可行的，符合我们理论设计的要求。第五章 结论和分析5.1 光电传感器式焊缝自动跟踪系统的设计结论：本实验主要在对自行设计的光电传感器改进和完善的基础上，结合模糊控制与经典控制理论，建立传感器前置条件下弧焊机器人焊缝自动跟踪系统控制模型，设计设计成本低、稳定强的弧焊机器人焊缝智能识别与跟踪系统。本实验设计得出的结论有以下几个方面：1、本文采用的是传感器前置的模型，在总结前人经验基础上，执行机构采用双十字滑架的方式，并在理论分析该模型的基础上，设计了一套Fuzzy-PID控制系统，并用仿真软件Matlab对其进行计算机仿真。仿真结果表明，该模型结构简单，成本低，Fuzzy-PID控制能够提高系统的跟踪精度和稳定性。2、由于光电传感器本身的特性，工件表面对传感器本身的干扰会有不同影响。对于常状表面状况的工件，添加人工辅助白线增强传感器的敏感度，并采用信号加权比较的数学处理方法，实验表明，这种比较算法，能够使传感器有效地检测到常状表面工件的焊接偏差情况；对于表面打磨的工件，则采用信号差值比较的处理方式，实验表明，这种算法也能够有效地检测到表面打磨工件的焊接偏差情况。结合这两种算法，可以进一步提高光电传感器的适应性。3、改装了执行机构驱动控制电路以便更加适应传感器前置的要求，实验表明，改装后的电路简单、稳定，能够满足系统的跟踪要求。5.2 进一步设计的建议本课题的设计基本上达到了设计的总体要求，但是从深度和广度上都可以继续改进和完善，以提高焊缝跟踪在实际应用中的跟踪精度。今后可以从以下几个方面进行进一步的设计：1、继续设计单点式光电传感器，提高传感器对信号的灵敏度和识别精度，包括进一步完善信号采集和信号数学处理的方法。2、继续设计用于焊缝跟踪的智能控制技术，结合当今更加成熟的自适应模糊控制、神经控制等相关智能控制技术，以进一步提高系统的跟踪精度。3、继续完善焊缝跟踪系统的软件和硬件，使软件的人机界面更加简单，易操作。参考文献1贾剑平，张华，徐建宁.电弧传感器的设计现状与展望J.北京:焊接.2005（11）。2左士强，刘旭涛，杨天林.焊缝自动跟踪技术的发展和系统基本结构J.北京:煤矿现代化，2008,84(3)。3姚河清,陈亚正,孟庆芹.一种基于DSP的焊缝跟踪模糊控制器系统的设计J.北京:仪器仪表用户.2004,11(6)。4康丽，汤楠，穆向阳.焊缝跟踪系统及焊接过程智能控制技术的设计J.山西:2008(3)。5尹懿，洪波，张晨曙，屈岳波，光电传感器式焊缝自动跟踪系统J.北京:焊接学报Vol.27(9)(2006)。6叶建雄，张华，谢剑锋，神经网络在焊缝跟踪中的应用设计J.北京:焊接技术，No(2)(2006)。7丁度坤，高向东，赵传敏，宋要武，BP神经网络在焊缝位置识别中的应用M.山东:焊接技术，No(3)(2007)。8肖敏，张华，贾剑平，模糊神经网络PID控制在焊缝跟踪中的应用M.上海:控制系统，Vol.22(9)(2006)。9陈武柱，林青松等，红外焊缝跟踪传感器的光源调制及信号处理J.北京:第六届全国焊接学术会议论文选集（2008）。10闻新，周露，李东江，贝超，MATLAB模糊控制工具箱的分析与应用J.北京:科学出版社，北京，2007。51系列单片机的功能和结构结构和功能的监控监-51系列之一-计算机芯片监控监-51名是一幅一个电脑晶片,英特尔公司生产系列. 这家公司推出8级一个计算机芯片监控监-51系列之后,于1980年8引入一个计算机芯片监控监,于1976年48系列.。它属于这一类型很多行一个芯片的电脑芯片都如8051、8031、8751、80c51bh,80c31bh等,其基本组成、性能和基本教学制度,都是一样的. 8051每日代表-51系列之一-电脑晶片 有一个芯片的计算机系统是由以下几个方面: (1)18微处理器(CPU). (2)在切片数据存储羊(128B/256B),使用可以不读书不数据写如因经营不中,最后结果要和数据显示等. (3)存储器存储程序/可擦写可编程只读存储器(4KB/8KB),用于保存程序和数据,初步形成片. 但并不存储器/可擦写可编程只读存储器在一些人的电脑芯片,如8031、8032、80c等. （4)经营的84并肩一/四OP0P3接口,每口可以用作介绍,也可以用作输出. (5)两个定时/柜台,每个计时器/柜台可设立和计算的方法,用来计算的外部事件,可以建立成一个时间的方式也可以和根据计算结果或时间实现控制的计算(六)五切断切断源头上控制系统. (七)各一序I/O口UART(异步接收世界/发送(UART),它是实现一个计算机芯片和一个计算机芯片和通讯系列电脑上使用. (8)强、时钟振荡器电路生产、水晶石英细调需要外部电容. 为使振动频率目前最. 每上述地区内的数据是通过加入单片机.其中,CPU的核心是一个电脑芯片,它是计算机和指挥控制中心等部分组成,运算器和控制等. 运算器的可携带8人计算a经营单位的经营逻辑,其中,1temporarilies存储装置8、暂时贮存器2、8的行政协调会累积装置、B、注册登记程序国有PSW等. 累积计200人,行政协调委员会结束对进入检查. 暂时运作往往是来自一店经营者,这是经营下去,使计暂时经营成果和行政协调会. 此外,行政协调会经常被视为转运站,在8051年的数据传输. 一般微处理器一样,是繁忙登记. 帮助大家,表示了赞同的命令. 控制程序包括柜台命令详解,振荡器电路和时间等. 程序相当于16. 这是一个字节地址位的程序,其实,内容是未来IA将进行PC. 修改的内容,它可以改变方向,进行程序. 在8051电路动摇一个电脑芯片、石英晶体外,只需要相当频繁调整电容,其范围是12mhz的频率1.2mhz. 这一脉冲信号,作为8051年工作的基本节拍,即单位时间内的最低. 8051年是计算机一样,在和谐的工作基本控制打,就像打了一个乐团,按照发挥,指挥. 有存储器(程序存储器,只能读),8051年在羊片(存储数据,是可以写出)二读,他们每个独立存储空间处理,处理方式是一样的,一般的电脑记忆. 8051年和8751年拨款程序存储程序存贮器4kb,从0000h地址,用于保存程序和方式不变. 数据8051-87518031128b记忆存储数据,00fh假地址,用于存放操作结果中,暂时储存数据和资料等无人。在这种羊128b,有32个单位字节可以出任就业登记,这是与一般不同的微处理器、8051切片和就业登记成立一个级别相同的地点安排. 这是很不相同的记忆监控监-51系列之一-计算机芯片,除了一般电脑的方式处置. 一般电脑先向空间、存储器和RAM,可安排在不同的空间范围内解决这一意愿,即存储器的地址和RAM,地址分配不同的空间形成. 同时来访的记忆,相应的存储器,只有一个地址,可以存储,也可以撞击,并以同样的访问. 这种记忆结构称为普林斯顿结构. 8051记忆分为程序存储空间和数据存储空间的物理结构,有四个存储空间:我们的程序储存在一个数据存储空间之外的数据存储和一个程序存储空间、外一、结构形式的这种程序装置和数据存储与形式的数据存储,称为哈佛结构. 但用用户的角度,讨论8051年的记忆空间分为三类:(1)在时代安排Ffffh座,0000h地点、从容外片(地址用十六). (二)处理数据存储空间之外64kb之一,被安排从地址0000hFfffh64kb(地址16),地点太. 三)处理数据存储空间256b(地址8使用). 上述三个存储空间地址重叠,鉴别设计,象征不同的数据传输的语言系统8051:CPU访问片,以存储器,阻止访问命令Ra用途外用一张旅游片。8051年1-48芯片计算机与我走/澳港,要求P0、P1、P2和P3. 每个港口8准确双向口,共占32别针. 每一个我/O线可作为引进和输出独立. 每个港口有门闩(即登记特殊功能)、驾驶人、出口实行缓冲. 可当门闩使outputting数据,数据可以缓冲时推出,但这些四个功能自我同一. 在扩大对外开放具有时代记忆系统,这四个港口可准确双向口一/O共同使用。在扩大对外开放具有时代记忆系统,高8P2口地址见客. P0口是一个双向车采用8送数据低地址/出口Timesharing 在8051年的巡回一个计算机芯片和四个一/O港口很巧妙的设计. 熟悉我/港澳逻辑电路,不仅有利于正确、合理地使用港口、激励周边逻辑电路设计的一个计算机芯片有所提高. 负载能力和接口港口有一定的要求,因为产量等,P0和P1口的最终产量、P3口的结构,在不同的年级,所以,负载能力和接口要求其门南辕北辙相处. 不同于其他P0口口,其产量即将年级抵抗.。在使用它的嘴巴,用共同使用,是生产事故等级亮起电路,它是利用NMOS呼吁采取抵制外,应同时输入,走出失败. 当被用作介绍,应该写一的门闩头. 每一个有能驾驶8P0口输出模式LSTTL载荷. P1口是一个正确的双向口也作为我/海外广泛使用. P0口不同产量的电路,请联系电力负荷就在有阻力. 事实上,反抗是两种影响,同时负责操作:1配量负责,定期阻力. 另一种可能是导致这两个国家与接近,使总经理改变阻值近似零或一组值两形势十分沉重. 0时,大约是反抗,可以寄以很高的速度; 如果阻值很大,P1口,以妨碍国家引进高. P1口高产量的电力平时,它是利用电流负载提供庇护,以此抵制和不必回答. 在这里介绍的是用作码头,必须写1到相应的门闩头也使操作结束。相对约20,000ohms因负载阻力,因为在现场40,000ohms,不会产生影响的数据,输入. P2口的结构有些类似于P0口有开关. 这是促使口腔类似,但有些不是嘴巴大转换控制P1. P3口人的多功能港口,嘴也越来越多,P1比、3和4缓冲门. 这两个部分,使她除了精确的双向功能与P1口仅,也可以使用第二功能每针. 、一门三转功能实际上 它决定将产量数据信号门闩第二产出功能. 在担任W=1时,问到生产信号; 作为在Q=1时,信号线可以生产W. 节目时,它是第一个功能,但仍是第二个功能不用软件P3口提前成立. 这不是硬件是在自动有两个功能outputted当CPU进行社会主义和寻求地点(所在地或字节)访P3口/不是在持久排队,有在硬件门闩促使=1.THE经营原则P3口类似于P1口.生产级的P3口,P1,P1,内有连接负载阻力划,每个人可以带动4产出模型LSTTL载荷. 而作为输入口,任何NMOS电路可驱动TTL或P1的8051一个电脑芯片P3口的正常发展. 由于产量等作出抵抗的人,也可以公开方式收藏或流失的根源就是反抗的方式,要求公开,不须具备抵抗绘画. 别人都准确双向口也. 当行为投入,要写出一首相应的港口与门闩. 以80c51一个计算机芯片,只能提供港口毫安的电流电产出,它是生产口去要求一个普通的计算是将晶体管、接触的阻力应该在港口及半导体基地 同时为了抑制高电力输出P1P3级是恢复王位是一个着手运作一个计算机芯片. 其主要功能是将电脑变成0000h开始,使一个开始进行计算机芯片进行程序0000h单位. 除了那些进入正常initialized系统,因为它的程序操作失误或操作失误不多,为了摆脱困境,必须按国家和恢复王位,恢复太重要了. 这是一项投入恢复王位,结束了在8051年中国信息表寄.恢复王位高有效信号,应保持24震撼周期(机器周期,2)有效时间段. 6如果使用频率前去辉煌,恢复王位信号完成期限不得超过4微妙的王位,恢复营业. 逻辑电路生产情况,恢复王位的信号:恢复王位的电路两部分组成,包括外部的芯片完全. 外界产生电路恢复王位信号(表)交给史密特的启动,恢复王位样品电路产量,史密特触发不断每一s5p2、机器周期有一次,光有与恢复王位和经营所需insidly信号. 恢复王位抵抗一般线路、电容参数适合6精彩震撼,是否能恢复王位高信号机会大于2周期保证. 正在恢复王位是简单的电路,其作用是非常重要的. 张一电脑芯片系统可正常运作,应先检查一下,才能恢复王位没有成功. 检测可以流行头和监督寄与初步示波器,并把恢复王位的关键,波的形式,并认为有足够的距离输出(瞬间),也就是通过它来恢复电路值进行实现改变。Structure and function of the MCS-51 seriesStructure and function of the MCS-51 series one-chip computer MCS-51 is a name of a piece of one-chip computer series which Intel Company produces. This company introduced 8 top-grade one-chip computers of MCS-51 series in 1980 after introducing 8 one-chip computers of MCS-48 series in 1976. It belong to a lot of kinds this line of one-chip computer the chips have, such as 8051, 8031, 8751, 80C51BH, 80C31BH,etc., their basic composition, basic performance and instruction system are all the same. 8051 daily representatives 51 serial one-chip computers.A one-chip computer system is made up of several following parts: (1) One microprocessor of 8 (CPU). ( 2) At slice data memory RAM (128B/256B),it use not depositing not can reading /data that write, such as result not middle of operation, final result and data wanted to show, etc. ( 3) Procedure memory ROM/EPROM (4KB/8KB ), is used to preserve the procedure , some initial data and form in slice. But does not take ROM/EPROM within some one-chip computers, such as 8031 , 8032, 80C ,etc. ( 4) Four 8 run side by side I/O interface P0 four P3, each mouth can use as introduction , may use as exporting too. ( 5) Two timer / counter, each timer / counter may set up and count in the way, used to count to the external incident, can set up into a timing way too, and can according to count or result of timing realize the control of the computer. ( 7) One all depleting serial I/O mouth of UART (universal asynchronous receiver/transmitter (UART) ), is it realize one-chip computer or one-chip computer and serial communication of computer to use for. (8) Stretch oscillator and clock produce circuit, quartz crystal finely tune electric capacity need outer. Allow oscillation frequency as 12 megahits now at most. Every the above-mentioned part was joined through the inside data bus .Among them, CPU is a core of the one-chip computer, it is the control of the computer and command centre, made up of such parts as arithmetic unit and controller , etc. The arithmetic unit can carry on 8 persons of arithmetic operation and unit ALU of logic operation while including one, the 1 storing device temporalities of 8, storing device 2 temporarily, 8s accumulation device ACC, register B and procedure state register PSW, etc. Person who accumulate ACC count by 2 input ends entered of checking etc. temporarily as one operation often, come from person who store 1 operation is it is it make operation to go on to count temporarily , operation result and loopback ACC with another one. In addition, ACC is often regarded as the transfer station of data transmission on 8051 inside. The same as general microprocessor, it is the busiest register. Help remembering that agreeing with A expresses in the order. The controller includes the procedure counter, the order is deposited, the order deciphers the oscillator and timing circuit, etc. The procedure counter is made up of counter of 8 for two, amounts to 16. It is a byte address counter of the procedure in fact, the content is the next IA that will carried out in PC. The content which changes it can change the direction that the procedure carries out . Shake the circuit in 8051 one-chip computers, only need outer quartz crystal and frequency to finely tune the electric capacity, its frequency range is its 12MHZ of 1.2MHZ. This pulse signal, as 8051 basic beats of working, namely the minimum unit of time. 8051 is the same as other computers, the work in harmony under the control of the basic beat, just like an orchestra according to the beat play that is commanded.There are ROM (procedure memory , can only read ) and RAM in 8051 slices (data memory, can is it can write ) two to read, they have each independent memory address space, dispose way to be the same with general memory of computer. Procedure 8051 memory and 8751 slice procedure memory capacity 4KB, address begin from 0000H, used for preserving the procedure and form constant. Data 8051- 8751 8031 of memory data memory 128B, address false 00FH, use for middle result to deposit operation, the data are stored temporarily and the data are buffered etc. In RAM of this 128B, there is unit of 32 bytes that can be appointed as the job register, this and general microprocessor is different, 8051 slice RAM and job register rank one formation the same to arrange the location. It is not very the same that the memory of MCS-51 series one-chip computer and general computer disposes the way in addition. General computer for first address space, ROM and RAM can arrange in different space within the range of this address at will, namely the addresses of ROM and RAM, with distributing different address space in a formation. While visiting the memory, corresponding an