微机模糊控制在TIG逆变电源中设计

2011-05-10 20:35:17来源: 互联网

采用TIG焊接方法焊接薄壁结构时,人们最关注的是焊接电源的引弧性能和电弧稳定性。然而,由于存在着各种因素的影响,如:电弧长度、工作平面不平、气体介质的压力、气体流量的变化、焊枪相对焊缝表面距离的变化及供电网电压波动等,都会使系统偏离平衡点。如果系统具有快速自动返回平衡点的能力,则电弧可维持稳定燃烧,这里,控制系统是弧焊逆变电源的核心,是影响其工作稳定性和可*性的重要方面。

针对焊接过程具有非线性、时变形和不确定性,电弧稳定控制存在一系列模糊特征。故使用应用前景十分广泛的模糊控制理论,再配以单片微机控制系统对TIG焊接的电弧电流实行稳定控制,结果表明:具有控制精度高,电弧燃烧稳定,对焊接参数变化适应性强的特点。

1 电弧电流的模糊控制系统组成

TIG焊机的模糊控制系统的设计思想是:实现逆变电源的恒流外特性,即用于检测电弧电流的霍尔传感器实时地把电流转化为对应的电压,该电压经A/D转换后送微机,与事先给定的电流值进行比较。CPU根据其偏差和偏差率,运行固化在EPROM中的模糊控制程序,由D/A输出控制信号给移相式PWM,移相控制电路不断地调整逆变电源中两桥臂功率开关器件IGBT移相角的大小,确定功率开关器件的导通脉冲宽度,改变输出电压的大小,从而实现对输出电流的控制。

系统的总体结构框图如图1所示。以高速单片机80C51FA作为系统的核心,外配81C55作扩展接口,实现与键盘的通讯,通过键盘设定焊接方式、焊接功能及各种焊接参数指标,采用DS80C320作D/A片,其输出经UA741放大器,放大器的功效是用来调整电压以满足PWM输入(1.7~5.2V)的范围,移相式PWM采用UC3875,用来调整IGBT的导通脉宽,PWM控制器内部设有电路保护措施,为保证PWM高频(20kHz)开关控制信号可*地传输,采用高速光耦合器TLP559,其开关速度可达1MHz,这样有利于将强电与弱电隔离,同时,为保证信号有足够大的驱动能力,采用74CH4050作同相驱动器,由于霍尔元件本身已经实现强电和弱电的隔离,故在信号输入时不必加隔离器,A/D片采用AD574A,具有高速转换速度,AT24C01作 ,用以记忆键盘输入的各种参数,内存由单片机和81C55的内存协调解决,LCD液晶显示器采用菜单和图形两种方式,显示系统工作状态和焊接顺序、指标参数等,用ACM-24064A芯片来完成,采用32K的EPROM27C256和IMP815L作μp电源监视及运行管理,动作开关服务于起弧和收弧。

2 模糊控制器设计

本系统采用典型的两输入单输出的模糊控制器,其结构如图2所示,主要由三部分组成:精确量的模糊化;模糊推理规则的构成;输出信息的模糊决策。

2.1 语言变量的确定

2.1.1 模糊控制器的输入输出定义

模糊控制器输入定义为:;式中e为电弧电流的偏差;ec为其偏差的变化率;Ig为电弧电流给定值;If为电弧电流采样值;e(n)为nT时刻误差;e(n-1)为(n-1)T时刻误差;T为采样周期。

模糊控制器的输出定义为:调节移相式PWM的脉冲宽度所对应的电压校正量Δu。

有了上述的定义,则输入语言变量定为E和EC,输出语言变量为U。

2.1.2 量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的选择

根据本系统的特点和实际操作经验,语言变量E、EC和U的基本论域选择为:

三个语言变量E、EC和U的论域均设为[-6,6],由此可得到对应的量化因子和比例因子:

量化因子和比例因子大小的确定,取决于基本论域的选择,它决定了最终控制的效果,如:超调量、响应时间、稳定性等,故基本论域一般事先初步地选取,在实际调试过程中需不断修正,最终确定一个较满意的结果。

2.1.3 语言变量的隶属函数

三个语言变量分别对应三个模糊集。鉴于计算上的方便,把划分为7个模糊子集,它们分别是NL、NM、NS、O、PS、PM、PL,每个模糊子

集的论域为[-6,6]?,语言变量的隶属函数形状对控制性能影响不大,故取三角形的分布函数,则E、EC和U从属于每个模糊子集的隶属函数如表1和表2所示。

2.2 模糊推理

模糊控制器依据的模糊推理规则是模糊控制器的核心,模糊推理规则主要以人的控制经验和控制思想为依据,本系统采用的电流推理规则为:当误差为正大时,选择控制量以尽快消除误差为主,而当误差较小时,以系统稳定为主要出发点,选择控制量尽量防止超调;

反之亦然,根据这一推理规则,便可获得相应的控制策略,即对于每一对输入量就可得到一个相应的输出量,见表3。

2.3 模糊判决

从上述模糊推理规则的输出可以看出,仍是一个模糊量,必须将该模糊量经过模糊判决转换成相应的精确控制量U。模糊判决的方法有很多,这里采用重心法解模糊量为精确量,其计算公式如下:

应用模糊推理的合成算法可以算出最终的控制作用表,见表4所列,这样,在模糊控制过程中,由一组实际的输入量e和ec,经过量化后,便可得出一个控制量,因此本系统根据13个e和13个EC相应得到一个13*13的控制表。

2.4 离线控制表

由于总控制表的计算工作量较大,且计算时间较长,为加快系统的响应速度,先将上述控制表采用离线计算形式,即转换为表5,八位数字量的最高位设为符号位,把离线表先写入微机的存储器中,在实时控制中,只需通过查表的形式,便可获得实时的控制量。

3 系统软件设计

系统软件设计可分四个部分:焊前准备,引弧控制、焊接阶段控制、收弧控制,焊接阶段控制主要是模糊控制,其程序流程见图3,为了加快控制过程,缩短过渡时间,在程序中分两个环节进行,当电流偏差大于A门限值时,系统进入加速控制过程,让信号迅速逼近给定值;当偏差小于等于A门限值时,系统进入模糊控制环节,根据偏差和偏差变化率,量化后查询模糊离线总控制表,取出控制量的增量,然后进行控制,A的大小由经验得出。

(1)模糊控制作为一种新型的智能控制法,在焊接电弧电流的控制中能获得良好的控制效果,具有控制精度高、无超调、动态品质好和鲁棒性强的特点。

(2)采用单片机控制系统在满足电弧电流模糊控制的要求下,具有成本低、控制灵活、可*性高的特点。

关键字:微机  模糊  模糊控制  控制

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0510/article_8437.html
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