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基于一元化的CO2短路过渡焊模糊控制系统研究

王雅生薛勇蔡洪能曲海英

摘要：介绍了一种以16位80C196KC数字单片机为核心，具有人工智能功能的新型CO2短路过渡焊模糊控制系统．该系统以操作者通过惟一调节旋钮所选定的焊接电流为设定参数，自动对相关参数电弧电压进行以实现最高短路过渡频率为目标的寻优．被寻优后的电弧电压与焊接电流形成实现最高短路过渡频率的最佳匹配，真正实现了以CO2短路过渡焊主要规范参数由单旋钮调节为特点的一元化控制．
关键词：模糊控制；CO2短路过渡焊；单片机
分类号：TG409文献标识码：A
文章编号：0253-987X（2000）03-0049-05

Fuzzy Control of CO2Short Circuit Transition Welding

Wang YashengXue YongCai HongnengQu Haiying
（Xi′anJiaotongUniversity， Xi′an710049，China）

Abstract：An intelligent fuzzy control system for CO2 short circuit welding is presented. The main component is a 16 bit si ngle chip microcomputer of Intel 80C196KC. In this system, the operator spins th e knob to adjust the welding current. The arc voltage can vary automatically to search for the optimum frequency of short circuit transition of melted drops.
Keywords：fuzzy control; CO2short circuit transition welding;single chip microcomputer▲

短路过渡是CO2焊中经常采用的一种重要熔滴过渡形式，它被广泛应用于中、薄板钢结构焊接及全位置焊中．但是，CO2短 路过渡焊同时存在飞溅量大和成形欠佳的缺陷，严重地阻碍了它的进一步推广应用．一元化控制是目前实现减少飞溅、改善焊缝成形的较好控制方法之一．实践证 明，主要规范参数电弧电压和焊接电流只有在某一最佳匹配下，短路过程才最稳定，飞溅量才较少．这种最佳匹配的标志是短路过渡频率达到最高．所谓一元化控 制，就是通过单旋钮，将影响CO2焊短路过渡频率的主要规范参数电弧电压和焊接电流有机地结合在一起，通过单旋钮调节焊接电流，使电弧电压自动随电流变化，形成最佳匹配而获得最高短路过渡频率．由于CO2短路过渡过程目前尚难以用精确的数学模型来描述，所以通过一般控制方法所实现的一元化控制并未真正实现单旋钮调节；利用单旋钮调节焊接电流后，电弧电压并不一定能与之形成最佳匹配，此时还需调节设备所特设的电压微调旋钮才行．本文所研究的基于一元化的CO2短路过渡焊模糊控制系统，无须知道它的数学模型就可对这一过程进行精确控制［1］．控制系统能以操作者通过电流调节旋钮所选定的焊接电流作为惟一设定参数，利用模糊控制原理，自动对电弧电压进行以实现最高短路过渡频率为目标的自动寻优．被寻优后的电弧电压与焊接电流形成最佳匹配，从而真正实现了以CO2短路过渡焊主要规范参数由单旋钮调节为特点的一元化控制．

1模糊控制系统结构
控制系统的总体框图如图1所示．

图1控制系统的总体框图

控制系统主要由数字单片机系统、输入接口电路和输出接口电路组成．本控制系统采用80C196KC型数字单片机，通过软件方式实现对CO2短路过渡焊主要规范参数的模糊控制．输入接口电路有两条通道，一条用于采集电弧电压，另一条用于采集短路过渡频率．输出接口电路由单片机所输出的脉宽调制信号经光电隔离器和滤波器后，输出模拟直流电压信号来控制电弧电压的变化．

2电弧电压自动控制的实现
本研究所用的焊接电源是ZPG－500型硅整流器．电弧电压的调节是依靠改变磁饱和电抗器直流绕组中的磁化电流，从而改变外特性曲线位置来实现的；磁化电流的大小则靠R11电位器来调节．本研究所设计的电弧电压自动控制电路如图2所示．

图2电弧电压控制电路

电弧电压的自动控制依靠改变R11旁边所并联的功率晶体管GTR导通程度来实现．GTR导通程度受推动晶体管N1的控制，而N1的基极又受控制系统输出的模拟直流电压信号控制．GTR在电路中起可变电阻的作用，随模拟直流电压信号的变化，它的阻值也将发生变化，从而实现对电弧电压的自动控制．

3模糊控制系统设计
模糊控制器的任务是自动对电弧电压进行以实现最高短路过渡频率为目标的寻优．寻优前，要先依据操作者所选定的焊接电流值对电弧电压进行粗选．系统按式(1)选择电弧电压的初始控制量，这个初始控制量在脉宽调制(PWM)控制寄存器中对应为u0．

U＝14＋0.05I（V）（1）

模糊控制器的结构如图3所示．

图3模糊控制器结构示意图

这是一个双输入、单输出的模糊控制器，一个输入量是短路过渡频率误差e(e＝Y－F，F为前次采集的频率值，Y为本次采集的频率值)，另一个是前次输出控制增量du0；输出是由模糊控制器所决策出的本次控制增量du．模糊控制器的工作顺序是首先将输入量e和du0分别乘上量化因子，转化为离散模糊变量E和L，再根据E和L检索电弧电压寻优模糊控制表，得到输出模糊控制增量DU，最后将DU乘以比例因子，进行输出变量的反模糊化［2］，便可得到控制对象的控制增量du．du加上PWM寄存器的值u0，就是本次应输出的最终控制量u．
3．1变量论域、量化因子、比例因子及隶属函数的确定
根据控制系统的特点及实际操作经验，E的论域范围是［－5，5］，量化因子qE＝1．L的论域范围是［－2，2］．du0模糊化的实质是进行条件判断：若du0＞0，则令L＝1；若du0＝0，则令L＝0；若du0＜0，则令L＝－1．由误差E与L经模糊推理决策出的控制增量DU的论域是［－12，12］，比例因子q?DU ＝1．根据实际控制需要，将语言变量E和DU分为9档，即负大(NB)、负中大(NMB)、负中小(NMS)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、 正中小(PMS)、正中大(PMB)和正大(PB)．语言变量L只分为3档，即正(P)、零(ZE)和负(N)．在本系统中，选择重叠性为 0.29～0.31，重叠鲁棒性为0.05，得出各输入和输出变量的隶属函数图，如图4所示．

图4输入与输出变量的隶属函数图

3．2电弧电压寻优模糊控制规则表的构造
本研究利用Mamdani推理法(if A and B then C类型)［3］构造出所需的电弧电压寻优模糊控制规则表．寻优过程采用了变步长寻优方式．
开始寻优时，因无法判断粗选电弧电压值是在图5曲线上短路过渡频率极值点的左边还是右边，所以先试探性地给一个正的控制增量λ，使电弧电压稍稍增加，若 检测的频率误差E＞0，说明粗选电压值在极值点的左边，同时也说明此次调节方向正确，下次应沿原方向继续调节．相反，若E＜0，则说明粗选电压值在极值点 的右边，此次调节方向错了，下次应反方向调节．而后，则采用变步长的调节方式进行寻优．步长的大小(输出控制增量DU的大小)依照E的绝对值而定，绝对值 大，说明此时电弧电压距极值点尚远，调节步长应加大；相反，绝对值小，则说明此时电弧电压距极值点已不远，调节步长要适当减小．调节的方向(输出控制增量 DU的符号)根据E的正负和前次调节的方向来决定，如果E为正，前次调节方向为正，则本次应为正；若前次为负，本次也应为负．如果E为负，前次调节方向为 正，则本次应为负；若前次为负，本次应为正．如此，直到E＝0，且前次步长(输出控制增量)为0，以实现最高短路过渡频率为目标的电弧电压寻优工作才告完 成．在寻优后的焊接过程中，若网路电压波动而产生电弧电压的波动，则系统再依照先试探后变步长寻优的顺序重新工作，由此锁定被优化的电弧电压．依据以上所 述原理构造的电弧电压寻优模糊控制规则如表1所示．

图5电弧电压与短路频率的关系

表1短路过渡频率寻优模糊控制规则表

E NB NMB NMS NS ZE PS PMS PMB PB L为N PB PMB PMS PS ZE ZE NS NMS NMB DU L为ZE PMS PMS PMS PMS ZE NMS NMS NMS NMS L为P NB NMB NMS NS ZE ZE PS PMS PMB

3．3离线设计控制表的形成
系统的具体控制对象是功率晶体管GTR．要控制一个具体物理对象，一般要求系统在每一时刻都必须输出一个确定的精确控制量．由误差E与L经模糊推理决策出的输出控制增量DU是一个模糊隶属函数或模糊子集，必须经模糊判决将DU转化为连续、精确的控制增量du．对模糊数学来说，这是一个从输出论域所定义的模糊控制作用空间到精确控制作用空间的映射．本研究采用被广泛应用的面积重心法进行模糊判决［3］，所产生的最终离线设计控制表如表2所示．

表2离线设计控制表

E －5 －4 －3 －2 －1 0 1 2 3 4 5 DU L＝－1 11 9 7 5 2 0 0 －2 －4 －6 －9 L＝0 6 6 6 6 4 0 －4 －6 －6 －6 －6 L＝1 －11 －9 －7 －5 －2 0 0 2 4 6 9
4模糊控制工艺试验
4．1试验条件
焊机：NZC－500－1CO2气体保护焊机；
电源：ZPG2－500硅焊接整流器；
焊丝：1．2mmH08Mn2SiA;
工件：10mm低碳钢板；
焊接电流：130A；
焊接速度：40cm/min;
保护气体流量：16L／min．
4．2工艺试验结果
模糊控制器每完成一次控制周期的时间为0.3s．表3为模糊控制器运行时，依次记录的每个控制周期的短路过渡频率和输出控制增量．
从表3中可以看出，模糊控制器只用了9个周期，就将0.3s内的短路次数从17提高到28，完成了短路过渡频率自动寻优的任务．为了更清楚地了解模糊控制器运行时电弧电压的变化情况，系统同时记录下每个控制周期最后0.08s所采集的电弧电压数据(以单片机内的数字量表示)．图6为第1、3、7、9个控制周期所采集到的电弧电压波形，可以看出电弧电压波形从不均匀向较均匀变化，到第9个控制周期，电弧电压波形已十分规则均匀．

表3模糊控制器运行记录表

控制周期数 控制周期内的短路频率／s－1 输出控制增量 1
2
3
4
5
6
7
8
9 17
14
18
21
24
26
28
27
28 5
－7
－9
－7
－7
－5
－5
2
2

图6不同控制周期0.08s内采集的电弧电压波形

5结论
(1)利用80C196KC数字单片机，通过所编制的软件实现的CO2短路过渡焊模糊控制系统，能够真正地实现以CO2短路过渡焊主要规范参数单旋钮调节为特点的一元化控制．
(2)研究开发的模糊控制器对电弧电压进行以实现最高短路频率为目标的变步长自动寻优方式，具有寻优速度快、在极值点处振荡小的特点．

（编辑葛赵青）■

作者简介：王雅生，男，1946年3月生，机械工程学院焊接研究所，副教授．
作者单位：王雅生（西安交通大学，710049，西安）
薛勇（西安交通大学，710049，西安）
蔡洪能（西安交通大学，710049，西安）
曲海英（西安交通大学，710049，西安）

参考文献：

［1］Kim J W,Na S J.A self-orgazing fuzzy control approach to a r c sensor for weld joint tracking in gas metal arc welding of butt joint［J］ ．Welding Journal,1993,72(2):60～66．
［2］陈强，潘际銮．电弧焊焊接的模糊控制［J］．焊接，1994，(8)：2～6．
［3］王坚．PMIG焊焊接电弧的模糊控制［J］．电焊机，1993，(5)：1～5．