用于熔化极气体保护焊对接接头焊缝跟踪的自组织模糊控制电弧传感器

1、.用于熔化极气体保护焊对接接头焊缝跟踪的自组织模糊控制电弧传感器气体住矿.坪建酿孺壤,艨捌才茅l1994年9月15日出版'国外金属加-r1994年第5期用于熔化极气体保护焊对接接头焊缝跟踪的自组织模糊控制电弧传感器前言J.w.KIMs.J.NAK,W译陈苴平校一下_自u.7近来,由于人工智能引入自动控毒i,基于模糊规则的控翻系统已在复杂过程控制中得到了成功的应用.电弧焊过程复杂,并具有非线性特性,如移动分布型热漂,电流l路径及金属传输等,故难于导出精确的数学模型由于模I睁I规则控制嚣可以容易地从不能表达成鼓学形式的人工经验中获得推断规则,所以,采甩模翱控制系统设计适合该过程的有效控制舞

2、.剐有可能解决这类问题.此外,为了了解过程未知的特性,井根据过程外界野I境的变化j胃整其晌应,作者还对自组织模糊控翩器进行丁研究1焊缝跟踪系统从焊接电流同导电嘴与工件距离的关系中可以得知焊枪位置状况.随着导电嘴与工件距增大或碱小,焊接电巍减小或增大.利用二次曲线拟合方法,可以将焊接电流拟台戚一条曲线,该曲线向导电嘴与工件距离的轨迹成反比.作者以往的研究结果表明,通过焊接电流信号拟台曲线能够确定撄动运动挟向点处的焊接电流,井可作为焊缝跟踪的控制信号.如果摆动轨迹中心偏离了焊麓(见图】),在两个摆动端点潞得的焊接电流就会互不相同.根据摆动时两个换向点处焊接电流的差值可以推算出摆动中心麾焊缝偏差D.

3、奉研究中,摆动时间(?)等于摆动幅度豫以期望摆动速度(V).当一个摆动周期结束后,由模糊控审4器修正摆动速度来减小偏差,郾在每次右手方向摆动范围内,摇动速度(V)维持为期望值,并在摆动运动的每一左手方向范围内,对摆动速度进JJ=i=.圈l摆动中心与焊缝的偏差1.1简单模糊控制该模式控翩系统方框图如图2所示,模糊控铽器由模糊推理机构和模糊规觅库两部分组成.穰期推理机构利甩规则库绽fl4控制规刚集,井由重心法对过程输入量l进行模糨化处理.控制时采用丁两个模糊变量,并构造了一套规则,以生成过程输入量.从而使焊棺摆动中心纠正至焊鞋.53盈2简单摸糊控.束统方框圈1.I.1模糊子集的确定如果给定电流值和

4、测量值之同存在误差E,将实际值进行换算,便可得到误差积分(S)和过程输入(u)这两个基本变量.定义如下e)=ff)E=G×)s=Gj×.(f'IU=G_×u()一一321O1234Su一一3o一2o-lo0lO2OaO'OF蛋3论城内模糊子集关,tt函t-儡J最J靠夸c速曩td靖薯亿t式中,L,是摆动中心同挥缝嘲合时摆动螭点处的电流值,)是第一个摆动周期时拟合曲线焊接电流lG.,G和G_是换算因子,可将实际值变按为论域元素.对于基本变量E,s和u,定义了不同散量的模糊子集,其中心值为整散,如图3所示I子集效无穷多,子集名称54(1)(2)(3)(4

5、)由中心值确定.子集的语言名称采用下列省喀形式:NVB=负根大-NB=负大INM=负中lNS=负小IZO=零-PS=正小IPM=正中IPB=正大PVB=正很大.模糊子集关系函数如图3所示,该关系函散是中心值为整散的三角形,将关系函数的半宽确定为与相邻中心值的闻陌.1.1.2规则库规则库包括误差(E)和误差积分(s)同过程输入(u)之间的连接规则,也包括下列形式语言规则:"如果EE.,且S=S.I则UU.,'式中,五,分别是E,s,u的模糊子集.控制规则可认为是关系式丘一一u.,由外积可以导出E×s×u空间的三维矩阵关系t丘=丘×SI×(

6、5)由于E和s的子集分别为7个和9个,可能的关系规则数为63个,因此,规则库可以表述为下述7×9矩阵:L一规则(E',)(6)i=1,23.,7一1,2391.1.3推理机构规则库在过程辖入量的生成中起着主要作用.模糊推理按下列步骤进行,并在摆动运动的每次周期中重复进行t第一步;换算基本变量.由测得的焊接电流偏差,利用公式2和3可以算出E和s的归一化值,并按从一3到+3和从一4到+4的顺序排列,超出该范围的值.则认为是饱和极限值.第二步:计算关系函数.利用图3中定义的关系函数,对于给定的归一化基本变量,可以计算出每个模糊子集的关系值.第三步:规则集.下述63个规则可构成规则集

7、t【=规则(五,)i=1,237,j一1,23.,9根据模糊控制理论的极小一极大值算法,模糊推理可以按下列步骤进行:(极小值运算)如果(u)是关于第(?)条规则的输入u模糊子集的关系等级函散,则可由下式求得:肌(U)=Min(p,Us,"(U)(7)f=1,237=1,239(极大值运算)根据63条不同的规则,最终的关系等级函数(u)可以由最大值运算确定t,(U)=Max(j(U)(8)i=1,23.7=1,23.,9第四步:模糊化.最后,采用重心法对输入u进行模糊化处理,以确定其匀边值:()×伯式中,f表示某一模糊子集,其关系等级在规则集中有确定的值,为模栩子集的中心值.

8、于是,实际过程辖入u)可以由方程(4)和方程(9)获得.1.1.4规则卑的设计本研究中,模期控ll器取误差E和误差积分s为模糊变量,并根据规则库,由模糊推理直接生成过程输入u.规则库示例见表1,由表左上都可知,摆动中心应当向Y轴正方向进行校正,而右下部分剐应向负方向校正.根据常识或人工经验,可以设计规财库,以获得良好的过程响应.本研究中,简单模糊控制器是在以往实验的分析结果基础上生成的,简单模糊控制系统采用了表1所示线性控制,自组织模糊控制器也将其作为原始规则库,并能自动改进控制规则.1.2自组织模糊控制器所提出的自组织模糊控制器方框图如图4所示,图中的操作方法说明了规则修正器如何调整控制规则

9、以确保过程达到期望值.1.2.1性能测试为了改进控制策略,适应蛩或学习型控制器必须能对自身的性能进行评估.要实现成功的应用.测量方法是至关重要的.55tl1一qK表1用于模糊控制的改进规则库菡4自蛆织攫翱控.4秦诧方框国遁过测量实际响应值与期望值的偏差,舅定与过程插入有关的控制器性能.用变量表示输出所需的期望按正值,由误差E和误差积分s可以方便地监视输出响应.操作方法采用决策器,并根据占和s得出所需输入增量.对于自组织模糊控制器.可表示为表2所示的改进表,误差及误差积分变量同简单控制器中的变量有同样论域,分别为一3+3和一4+4表中0表示状卷不需要校正,j蓐给定期望值越远,所需输入校正量就越大

10、.从表中还可看出:该表近似对称于对角线左上部分输入增量使得过程辖人增加,而右下部分使过程输入藏小,因此,此表反映了设计者板小允许响应的概念.在每个摆动周期中,都I用占(一)和s(一)来生戚输入增量F(n),以Ira代表输出量,则可筒便地表示为;F)=,mE),)(10)将输入增量F处理为模糊变量,其子集具有语言名称,关系函数如图3.d所示.表2谖盖控.4改连表需的最原始的控制规则,这类规则只需要一些1.2.2规刚修正非常基本的特征,以确保控锚在给定量附近,根据常识或人工经验可以获得控制器所在达到给定量时存在衰减,并在外部抗动情况下有一定的回复速度.学习算法可以在原始规则集的基础上进行改进,根据

11、输入增量,改变关系式的修正过程可以阐述如下:假定从上一次采样得知第lrn次控制效果不佳,对于单输入单输出过程,存在误差E(n一,1)和误差积分Sm),控制器输出为u一ra),结果,期望的控制器输出值为:一m)=U(m)+F(),而不是一ra),式中,F)是由方程l0得到的输入增量.该改进机制可以表述为以下关系式:E(am)一8(nra)一u(nra),引入关系式E(nm)8(nra)V(nm);由这两种关系式的外积可以得到关系矩阵(n和R):(n);E(lrn)×8(nra)×U(nra)(11)R(n)一E(ra)×S(nra)×V(nlrn)(12)

12、也可用下述语言表达形式进行替换:R(n+1)一尺()且非R()或R()(13)式中,尺()是当前控制器关系矩阵,R(n+1)是新修正的关系矩阵.通过相应的操作可以替换语言连接关系符号,方程(13)则可表示为:尺(+1)=R(n)R()Vj()实验的焊接条件见表3.氧3实验的焊接条件奉囊诫奉件扞接电压(v)连壁连度(m/rain)鼻接连度(ram/B)鲁动连度(mmfB)摆动探度(mm)338.38466COt气体保护焊焊丝选用AWSER70S一3型,低碳钢工件对接接头处开了60单V型坡口,工件定位与X轴之间有初始角偏差.在设计规则库时,可以根据先期实验确定换算因子G.,G和G.,即研究摆动中心

13、和焊缝闻的偏差何时对焊接电流产生影响,因子GG=.,G_的值分别定为O.15,0.04和200其它设计参数,如系统响应延迟时间m为1,这表明上一次控制行为对当前过程响应有影响.每经过一次摆动周期,自适应模糊控制器就对规则进行修正.进行简单模糊控制器实验时的初始偏差角为5.和10.,进行自组织模糊控制器实验是为了评估其认识环境和改进跟踪质量的能力.(14)3结果和讨论方程(14)形成修正控制器的一般方法.对于多步操作,与控制行为相关的每一步都要重复进行上述步臻.2实验采用计算机控耐两维平面运动来进行焊缝跟踪实验,x轴为焊耱方向,y轴为摆动方向.脉冲马达的相应速度由个人计算机确定,并通过数字脉冲发

14、生嚣传送至马达驱动器.焊接电流由分流电阻测取,由,于电流信号波动较大,故采用低通滤波器进行修正,滤波器截止频率为4Hz,滤波信号的采样频率为50I-Iz.图5所示为不同初始角偏差情况下,简单模糊控制器采用表一给定规则库的实验结果图中虚线表示焊缝,实线表示摆动中心控制轨迹.角偏差为5.时,跟踪响应曲线相对良好;而角偏差为1O.时,则存在稳态误差,而焊缝的这种移位偏差是不允许的.这种结果是由于给定的规则库是在角偏差为5.时进行的先期实验基础上得到的,因此,对于不同的操作条件和环境,系统需要l不同l的规则库与之相适应-.图6所示为角偏差为5.时采用自组织糊控制系统进行焊缝跟踪的结果,焊枪控制轨57迹

15、的顺序结果表明,跟踪质量不断地得到改善.在自组织模糊控制器改进机制的作用下,表4所示最终规则库中的一些规则相对表l的初始化规则有所改变,由于角偏差为正值,故规则库左上部分输入(u)模糊子集的中心值大多增加了,这使得焊接电流测量值大于给定值,结果,误差及误差积分为负值.当然,输入量模糊子集中心值的变化并不大,这说明对于这种工作情况,初始规则的设计相对较好.如图7所示,当角偏差为l时,白组织模糊控制器的改进效果比简单模糊控镧系统显着.大的角偏差一般需要大的过程输入,如表5最终厂_=二E'.一洲脯脯j詈20l一一:;=;一.!='360E40挺20粗I0?20306090120x一方向毫蓠,皿m圈5简单模糊控A初越庸惴王为5囤6采用自组织模糊控制器控制焊枪摆动中心进行焊缝跟踪(角偏差为)58规则库所示,其输入量模糊子集的一些中心值要比角偏差为5时对应的中心值有所增大.图8所示为不同初始角偏差情况下,滤波或滤波与曲线拟台后的焊接电流响应信号.经过系统的焊缝跟踪作用,响应信号调节良好.需要强调说明的是,尽管图示的焊接电流测量倍号波动严重,白组织模糊控制器的跟踪结果仍然稳定.最后,在+5.,一5'角偏差情况下,利用自组织模糊控制器对弓形焊缝进行实验.实验结果表明,白组织模糊控制系统的控制性能良好.一期望悼#一控制所得焊彗60x_方向E离90120,m囤l采用自组织模