MIG焊熔宽模糊控制系统
M IG 焊熔宽模糊控制系统
张甲英 蒋力培 张相洪
(北京装甲兵工程学院) (北京石油化工学院) (北京总后军需装备研究所)
摘 要 在双波长滤光片正面实时检测焊缝熔宽技术的基础上建立了焊缝熔宽模糊控制系统。本文对熔宽模糊控制器的结构以及模糊控制变量的选择进行了讨论,在此模糊控制系统中采用双输入单输出的模糊控制器模型,即采用熔宽的变化及其变化率作为模糊控制器的两输入量,采用焊接电流作为模糊控制器的输出量。本文给出了熔宽模糊控制的系统结构图并详细介绍了熔宽模糊控制器的设计过程,根据用双波长滤光片正面实时检测焊缝熔宽技术得到的焊接电流对焊缝熔宽影响的实测结果,对各模糊量的模糊化过程以及量化过程进行了讨论,给出了模糊控制状态表,据此状态表制定出模糊控制作用表。以焊接电流为控制量,可以根据此控制作用表对焊缝熔宽进行实时控制。关键词: 焊缝熔宽 模糊控制 MIG 焊
0 序 言
在球罐焊接时,需要进行多层多道焊接,一般在打底焊后,采用摆动焊接来完成其余各层焊缝。
此时,除需要实时控制对中焊缝外,还需要实时控制焊缝的熔宽。
为了实现熔宽的实时控制问题,我们在前一阶段研制了一种新颖的实时检测熔宽装置[1],此装置利用双波长红外滤光片式图像系统,从焊缝正面摄取焊接区域的双波长热辐射图像,并利用图像比色测温法建立近熔化区的焊接温度场来进一步推算出焊缝熔宽,其实测过程小于0.3s ,测量误差小于0.4mm ,因而为实时控制焊缝熔宽提供了基础。
进一步的研究表明,由于影响焊缝熔宽的因素较多,规律复杂,很难对焊缝的熔宽建立起精确的数字模型,因此难以按经典控制理论用数字控制器对熔宽进行闭环控制。但是若应用近二十年来发展起来的模糊控制技术,就可以用经验数据进行决策控制,而不需要对象的数学模型,实践表明这种模糊控制器鲁棒性强、效果好,在过程控制领域发展迅速[2～5]。因而本文就球罐焊缝的熔宽模糊控制技术进行了分析研究,通过对M IG 焊熔宽实时检测结果的研究,选择了熔宽变化量及变化率作为模糊控制的双输入量,采用焊接电流作为控制的输出量,建立了熔宽控制系统,设计了模糊控制器的规则表,控制作用表等关键环节。
1 模糊控制变量的选择
要对熔宽进行模糊控制,首先要明确影响熔宽的基本因素,以便选择合适的模糊控制量来建立合理的模糊控制系统。
通过用双波长滤光片焊缝正面熔宽实时检测系统对M IG 焊熔宽实时检测的研究结果表明[1],焊接电压不变时,改变焊接电流,焊缝的熔宽也相应发生变化。例如在厚10mm 的45号钢板,Ф1.2mm 的H08Mn2SiA 焊丝,氩气流量为19L/min 的条件下(下同),当焊接电流从100A 增大到150A 时(电压V =19V ),焊缝熔宽也相应地从6mm 增大到9.1mm 。这是由于焊接电流增大,引起电弧热功率加大,因此在相同的条件下,焊丝的熔化速度增加,从而使焊缝熔宽也相应增加。当焊接电压从19V (电流125A )增加到21V 时,熔宽相应地从7.2mm 增加到8.9mm 。
第20卷 第1期1999年3月
焊接学报
HANJ IE XU EBAO
Vol.20 No.1
March 1999
上述结果表明,虽然焊接电压、焊接电流对熔宽都有一定的影响,但焊接电压对焊接过程的平稳性有较大影响,可变的范围很小,不宜选作控制量;而焊接电流的控制相对比较容易,而且在一定范围内,焊接电流对焊缝熔池有较大的影响,所以在对熔宽进行模糊控制时可以将焊接电流选作模糊控制量。这样,在熔宽的模糊控制器中,采用熔宽变化ΔB 以及熔宽的变化率ΔB /d t 作为模糊控制的双输入变量,采用焊接电流I 作为模糊控制器的输出变量,如图1所示
。
图1
双输入单输出熔宽模糊控制器
Fig.1 Fuzzy controller with tw o input and one 2 焊缝熔宽的模糊控制系统组成
焊缝熔宽的模糊控制系统是采用双波长滤光片正面实时检测装置对熔宽进行检测的,在计算
机内经过模糊推理后,将控制量数据传给单片机,由单片机对焊接电流进行控制。系统组成方框图如图2所示。
图2 熔宽控制系统方框图
Fig.2 B lock diagram of w eld pool width control system
图2中虚框内为熔宽检测系统,摄象机将近熔化区红外辐射图象传给PC 机。PC 机经计算得
到熔宽及熔宽的变化量,并与上次熔宽信息比较得到熔宽的变化率,然后经过模糊控制规则判别,再将模糊输出量转化为精确量后,把数据传给单片机控制焊接电流(送丝速度)。
3 模糊控制器设计
3.1 模糊控制器的结构
本系统采用典型的双输入单输出的模糊控制器结构[6,7],其原理框图如图3所示。图3中,r 表示在给定电流下熔宽的输入值(经试验确定或经验值),y 为实时检测出的熔宽,e 是熔宽的变化量,ce 是熔宽的变化率。分别将e 和ce 模糊化成模糊变量E 和CE ,再根据模糊推理规则集(经验数据),做模糊推理,得出模糊控制量U ,然后将U 转换为精确量输出控制对象。
62 焊 接 学 报20卷
图
3 模糊控制器原理框图
Fig.3 Schem atic diagram of fuzzy controller
3.2 模糊控制器的设计
模糊控制的过程为:首先将被控制对象的输入参数由精确量转换成模糊量;然后运用模糊逻辑对模糊量进行推理,做出决策,并输出模糊控制量,最后将这些模糊控制量转换成精确量输出,对控制对象进行控制。
因此在设计时,首先要把精确量转化为模糊量,使之转化成一个模糊子集,以适应模糊算法。
本系统的输入信息是熔宽的变化ΔB 和熔宽变化率ΔB /dt ,输出为电流I (送丝速度)。并将它们分别分成5档,分别形成5个模糊子集,用以反映其大小。5档选用模糊语言中“小,较小,中,较大,大”来表示模糊状态。每个子集相应的论域均为:[-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4]。这样就可以列出熔宽变化量ΔB 、熔宽变化率ΔB /d t 以及控制量I 的模糊子集的各元素隶属度表。以焊缝正面熔宽实时检测系统所作的试验为例,焊接电压保持为19V ,试验数据列于表1,模糊控制器的设计如下。
表1 不同焊接电流时的焊缝熔宽
T able 1 Weld pool width vs.w elding current
Current/A 100125150Counting value/mm 5.87.28.8Measuring value/mm
6.07.49.1Error/mm
-0.2
-0.2
-0.3
由表1可知,焊接电流从100A 变到150A 时,焊缝熔宽相应从6mm 变化到9.1mm ,中间值为7.5mm ,而电流在125A 时的熔宽为7.4mm ,两者相差不大,可以做线性量化。
焊接电流的变化范围为:100A ～150A ,以焊接电流125A 时的焊缝熔宽为基本尺寸,焊接电流每6A 为一个量化单位,即101A 对应模糊论域中元素-4,107A 对应-3,113A 对应-2,119A 对应-1,125A 对应0,131A 对应+1,137A 对应+2,143A 对应+3,149A 对应+4。
对应的熔宽变化范围5.8～9mm ,以中间值7.4mm 为基本单位尺寸,则对应的熔宽变化量为±1.6mm ,熔宽所取模糊集的论域为[-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4],共8个单元,即量化时量化因子为4/1.6=2.5。
熔宽的变化率量化因子与熔宽的变化量化因子相同。
焊接电流I 模糊量隶属度赋值如表2所示。表中,LAB 即模糊变量,μ为焊接电流I 对应模糊变量的隶属度值。
1期M IG 焊熔宽模糊控制系统63
变量ΔB 和变量ΔB /dt 的隶属度函数如表3和表4所示。
表2 电流模糊量隶属度赋值表
T able 2 Attibute value of fuzzy variable vs.current
L AB
μ
I
-4-3-2-10+1+2+3+4PL 00000000.5 1.0PM 000000.5 1.00.50ZE 0000.5 1.00.5000NM 00.5 1.00.500000NL
1.0
0.5
表3 熔宽变化量隶属度赋值表
T able 3 Attibute value of fuzzy variable for variation vs.w eld pool width
L AB
μ
ΔB
-4-3-2-10+1+2+3+4PL 00000000.5 1.0PM 000000.5 1.00.50ZE 0000.5 1.00.5000NM 00.5 1.00.500000NL
1.0
0.5
表4 熔宽变化率隶属度赋值表
T able 4 Attibute value of fuzzy variable vs .variation of w eld pool width
L AB
μ
ΔB/dt
-4-3-2-10+1+2+3+4PL 00000000.5 1.0PM 000000.5 1.00.50ZE 0000.5 1.00.5000NM 00.5 1.00.500000NL
1.0
0.5
与表2～4对应的电流中心值(即元素0对应的数值)为125A ,熔池宽度中心值为7.4mm ,熔宽变化率的中心值为0。
模糊控制器所依据的模糊推论规则是模糊控制器的核心,本系统的模糊推论规则如下:(a )如果焊缝宽度偏小且无增大的趋势,则应增加电流;(b )如果宽度合适且无宽度增大趋势,则应保持电流不变。结论:应让电流稍大一些。将上述规则改为算法语言形式,采用IF -THEN 型规则,如下所示:
(a )if B is NB and ΔB is ZE then I is PB (b )if B is ZE and ΔB is ZE then I is ZE
Conclusion :I is PB 。
64 焊 接 学 报
20卷
把上述实际控制策略归纳为25条控制规则,则可制成模糊控制状态表,如表5所列。
表5 模糊控制状态表
T able5 Fuzzy-state form of the system
ΔB
ΔB/dt
I NL NM ZE PM PL NL PL PL PM PM ZE
NM PL PM PM ZE NM
ZE PM PM ZE NM NM
PM PM ZE NM NM NL
PL ZE NM NM NL NL
有了控制规则就可以根据熔宽的变化及熔宽的变化率推出应采取的控制电流。显然,模糊推理的结果仍然是模糊量,必须解模糊量为精确量,才能作为控制量输出。这里采用重心法解模糊量为精确量。控制器根据模糊输入信息ΔB和ΔB/dt,查询规则集中所有被激活的规则,并计算其激活强度[3]。设第i条规则被激活,激活强度为:
h i=μΔB i(ΔB)∧μΔB/dti(ΔB/d t)(1)ΔB,ΔB/d t是分别定义在ΔB和ΔB/d t论域上的模糊子集。第i条规则的输出为:u
i
=μ-1I i (I i是定义在电流I论域上的模糊子集,μ为I i的隶属度,u i可取I i的中心值),则实际控制输出为:
u=Σ
i
h i u i
Σ
i
h i
(2)
式中i为所有被激活的规则。
应用模糊推理的合成算法可以计算出最终的控制作用表,如表6所列。这样对一组实际输入的ΔB、ΔB/d t,只要根据表6即可直接查出控制量I来。查表法简单易行,速度很快,在实际模糊控制的应用中大量采用。
表6 控制作用表
T able6 Fuzzy control action form
ΔB
ΔB/dt
I-4-3-2-101234 -4444322210 -343322210-1 -24322210-1-2 -1322210-1-2-2 022210-1-2-2-2 12210-1-2-2-2-3 2210-1-2-2-2-3-4 310-1-2-2-3-4-4-4 40-1-2-2-2-3-4-4-4
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如果检测出焊缝的熔宽为:6.5mm ,变化量ΔB =(6.5-7.4)mm =-0.9mm ,即ΔB 对应模糊量-0.9×2.5=-2.25(取整为-2),而且熔宽与上一次检测出的熔宽基本一致,即熔宽变化率ΔB /d t =0,则从表6中,可得出焊接电流为2A ,即焊接电流应增大为:137A 。
如果熔宽的中心值发生变化(不是7.4mm ),在电流与熔宽变化呈线性的范围内,熔宽与电流的模糊控制状态可以不变(表2～6的内容不变),量化因子也不变,只是控制量及输入量所对应各档的精确量发生相应变化。
4 结 论
焊缝正面熔宽实时检测系统对焊缝熔宽的实测结果表明,焊接电流对焊缝熔宽在一定条件下有较大的影响,以焊接电流为模糊控制量,通过模糊推理,得到了焊接电流与熔宽的模糊关系表,根据此控制表可对焊缝熔宽进行实时控制。
(1998-06-10收到初稿,1998-11-12收到修改稿)
参 考 文 献
1 蒋力培,张甲英等.焊缝正面实时检测熔宽方法的研究.焊接学报,1998年增刊.2 池梦骊.模糊控制技术及其在日本焊接领域中的应用.焊接技术,1994(1):46～48
3 郭永红等.模糊控制在工程应用中的实现方法.微计算机信息?工业控制?工业自动化,1995(5):3～64 李衍达等.智能控制和智能自动化.微计算机信息?工业控制?工业自动化,1995(5):14～165 张明廉.自动控制与系统仿真之三?智能控制.北京:北京航空航天大学出版社,1994.6 艾盛等.PMIG 焊焊接电弧电压的模糊控制.电焊机,1993(5):1～57 王学慧等.微机模糊控制理论及其应用.北京:电子工业出版社,1987.
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Fuzzy Control System for MIG Weld Pool Width
Zhang Jiayi ng
(The Instit ute of A rmored V ehicle Engi neeri ng )
Jiang L i pei
(Beiji ng Insti ute of Pet rol -chem ical Technology )
Zhang Xianghong
(The Q uarterm aster Equi pment Instit ute of General L ogistics of PL A )
Abstract Based on the research of real -time measuring the weld pool width with a dual wavelength optical filter ,a fuzzy control system of welding pool width has been developed.The structure of fuzzy controller and fuzzy variables are discussed in this paper.A fuzzy controller with two input variables and one output variable is considered to be suitable to control weld pool width.The input variables of the fuzzy controller are the variation of the welding pool width and its rate ,and the output variable is the welding currert.In this paper ,the designing process is described in detail.The testing result about the effect of welding current on the real -time measured welding pool width is used to build the fuzzy control relation and the control function forms.Based on these fuzzy control forms ,weld pool width is easily controlled by adjusting welding current.K ey w ords weld pool width ,fuzzy control ,M IG
作者简介 张甲英,男,1965年5月出生,博士,讲师。1997年从清华大学焊接专业毕业,获工学博
士学位。专业特长:焊接工艺与设备、机电一体化。近几年来在表面工程领域及焊接自动化方面进行科研工作,从事过逆变型刷镀电源、工模具修补机、智能控制成套焊接设备的研制等多项科研项目。其中工模具修补机已获得国家发明专利。近五年来发表科技论文20多篇。
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