钨极氩弧焊焊缝熔宽模糊控制系统设计黄石生，贺剑峰，宋永伦（广州华南理工大学）摘要设计了一 种焊接质量参数自调整模糊与积分的混合控制器，并用ＣＣＤ摄像机正面拍摄熔池图象的计算机视 觉传感方法对焊缝熔宽进行实时控制。试验表明，该系统具有良好的控制特性，能获得较满意的控 制效果。关键词：焊接，熔宽，模糊控制０序言对于钨极氩弧焊（ＧＴＡＷ）焊缝熔宽的控制，可 以通过控制焊接电流的变化来达到控制熔宽的目的。因受各种随机因素的影响，用传统方法建立起 来的这一过程的数学模型是很粗糙的，难以准确描述其系统特性。而且该过程是参数缓慢变化的时 变过程，若采用常规的ＰＩＤ控制，则将随着参数的改变而偏离最佳调节。模糊控制是基于模糊理 论的一种新的控制方法。目前已经在生产过程、智能设备及交通管理等方面获得了应用，并取得了 良好的控制效果。在焊接领域中的研究与应用也取得了一定的进展［１］。本文采用面阵ＣＣＤ摄 像机从焊缝正面拍摄熔池图象，并用微机进行图象处理而获取熔宽信息。针对ＧＴＡＷ熔宽的控制 ，设计了参数自调整模糊与积分的混合控制系统。工艺试验的结果表明，该系统具有良好的控制特 性和控制效果。１试验装置带有视觉传感器的焊炬由行走机构带动做平面运动。摄像机以４５度俯 角直接拍摄熔池区域。所摄图像的视频信号通过图像处理卡转换成数字量，数值０～２５５代表了 不同的灰度值。每个图像的像元对应一个灰度值并由此组成了５１２×５１２的灰度矩阵。由微机 对该灰度矩阵的处理，得到所需图形的几何尺寸。试验中采用锯齿型的搜寻方法来解决熔池图像含 有断点情况下的熔宽信息获取问题，以便充分利用整幅图像的信息，提高熔宽信息获取的准确度。 试验中所用的弧焊电源为场效应管逆变电源。采用电压和电流的反馈来获得所需的外特性和动特性 ，并通过ＰＩ控制算法，以获得优良的静、动特性。２控制系统设计２．１控制系统原理焊缝熔宽 模糊控制系统的原理图如图１所示。图中Ｗｇ为给定熔宽，Ｗ为实际熔宽。由图可见，该系统是一 个典型的串级控制系统，它对二次干扰有较强的克服能力，对操作条件的变化也有一定的自适应性 。模糊控制器和弧焊逆变电源的ＰＩ调节器输出的限幅作用，使得熔宽在大偏差时控制系统是一个 “时间最优”系统，从而加速偏差的消除；而在熔宽处于小偏差时，控制系统是一个“随动”系统 ，以期消除静差［２］。２．２参数自调整原理本文所设计的参数自调整模糊与积分控制器，采用 精确量积分形式，可以消除极限环振荡现象。其结构如图２所示。图中，Ｋｅ、Ｋｃ为量化因子， Ｋｉ，Ｋｕ分别为积分因子和比例因子。误差Ｅ和误差变化率ＥＣ的模糊语言变量分别为Ｅ＇有Ｅ Ｃ＇。控制经验规则采用常用的Ｍａｍｄａｎｉ规则［３］。参数自调整的思想就是当Ｅ或ＥＣ较 大时，缩小Ｋｅ和Ｋｃ，降低大误差范围的分辨率，以获得平缓的控制特性，保证系统的稳定性。 同时放大Ｋｕ和缩小Ｋｉ来减小超调，改善动态性能；当Ｅ或ＥＣ较小时，系统正接近稳态，则放 大Ｋｅ和Ｋｃ，提高系统对小偏差的分辨率，提高控制的灵敏度。同时缩小Ｋｕ和放大Ｋｉ加强积 分作用，使系统尽快进入稳态精度范围内。设放大和缩小的倍数相同，其语言变量Ｎ＇取为ＡＢ（ 高放），ＡＭ（中放），ＡＳ（低放），ＯＫ（不变），ＣＳ（小缩），ＣＭ（中缩），ＣＢ（大 缩）等模糊子集，取其论域为：则Ｎ＇的隶属度赋值表如表１所示。参数修改规则如表２所示。再 按模糊推理合成规则进行运算，采用最大隶属度法进行模糊判决，可推出参数修改表（表３）。参 数自调整的标法是，先以原来的Ｋｅ和Ｋｉ对Ｅ和ＥＣ进行量化，查修改表得出参数应放大（或缩 小）的倍数Ｎ，计算Ｋｅ＝Ｋｅ×Ｎ，Ｋｃ＝Ｋｃ×Ｎ，Ｋｉ＝Ｋｉ×Ｎ，Ｋｕ＝Ｋｕ／ｗ，然后 用新参数对Ｅ和ＥＣ再进行量化，再查控制表，求出控制量与Ｋｉ×∑Ｅｉ相叠加后，输出到弧焊 电源。３工艺试验及结果分析试件形状如图３所示，其厚度为２ｍｍ。试件形状表征试件散热条件 是连续变化的。试验是在ＧＴＡＷ条件下进行的。氩气流量为１０Ｌ／ｍｉｎ焊接电压１０Ｖ，焊 接速度为８０ｍｍ／ｍｉｎ，分别采用ＰＩＤ控制器、模糊与积分混合控制器以及参数自调整的模 糊与积分按制器进行了试验对比。其结果分别如图４、图５和图６所示。由图可见，采用熔宽闭环 控制的ＧＴＡＷ焊接过程，焊接电流根据试件散热条件的变化实时修正其大小，以期获得一致的熔 宽。但不同的控制器，其控制效果是不一样的。ＰＩＤ控制器的控制效果较差。调节焊接电流的速 率小，熔宽最大偏差达到１５个象素，且在试件的“并颈”区段，熔宽偏差一直处于较大的状态； 模糊与积分混合控制器的控制效果要好一些。调节焊接电流的速率比ＰＩＤ控制器要快一些。熔宽 最大偏差为１２个象素，在经过“瓶颈”区时熔宽偏差不大；参数自调整模糊与积分混合控制器的 控制效果比较满意。调节焊接电流的速率较快，熔宽最大偏差为８个象素，且在“并颈”区熔宽偏 差小，获得了熔宽较为一致的焊缝。另外应说明的是，在图３～５中均可发现，在焊接刚开始段， 出现熔宽增大，焊接电流下降的现象。这是由于在引弧之后，焊炬在原处停留了一段时间，热量积 聚而引起熔宽增大。ＣＣＤ视觉传感器检测到这一变化，各个控制器均使焊接电流减小。４结论（ １）本文所设计的参数自调整模糊与积分混合控制器既具有响应快，超调小的特点，又具有积分控 制精度高的效果。消除了极限环振荡现象，表现了一定的自适应能力。试验表明，该控制器与其他 两种控制器相比较，具有鲁棒性适应性较强的优点。（２）本文所建立的控制系统具有一定的通用 性，其控制方案、结构和思路对于其他焊接过程的控制有一定参考价值。参考文献｜｜１贺剑峰， 黄石生．模糊控制的新近发展．控制理论与应用，１９９４，１１（２）：１２９～１３６２金以 慧主编．过程控制．北京：清华大学出版社，１９９３，１０８～１１１３ＭａｍｄａｎｉＥＨａ ｎｄＡｓｓｉｈａｎＳＡ．ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒａＤｙｎａｍｉｃ Ｐｌａｎｔ，ＩｎｔＪｍａｎＭａｃｈｉｎｅｓｔｕｄ，１９７５７：１～１３Ｄｅｓｉｇｎｏｆ ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒＢｅａｄＷｉｄｔｈｏｆＧＴＡＷ￥Ｈｕａｎ ｇＳｈｉｓｈｅｎｇ；ＨｅＪｉａｎｆｅｎｇ；ＳｏｎｇＹｏｎｇｌｕｎ（ＧｕａｎｇｚｈｏｕＳ ｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈ ｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅａｓｅｌｆ－ｔｕｒｎｉｎｇｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃａｎｄｉｎ ｔｅｇａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎｓｅｎｓｏｒｆｏｒｗ ｅｌｄｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔ ｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏ ｒｏｎ－ｌｉｎｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｂｅａｄｗｉｄｔｈｉｎＧＴＡＷｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｄｉｎｇ，ｐｏｏｌｗｉｄｔｈ，ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ钨极氩弧焊 焊缝熔宽模糊控制系统设计@黄石生，贺剑峰，宋永伦$华南理工大学焊接，熔宽，模糊控制设计 了一种焊接质量参数自调整模糊与积分的混合控制器，并用ＣＣＤ摄像机正面拍摄熔池图象的计算 机视觉传感方法对焊缝熔宽进行实时控制。试验表明，该系统具有良好的控制特性，能获得较满意 的控制效果。１贺剑峰，黄石生．模糊控制的新近发展．控制理论与应用，１９９４，１１（２） ：１２９～１３６２金以慧主编．过程控制．北京：清华大学出版社，１９９３，１０８～１１１ ３ＭａｍｄａｎｉＥＨａｎｄＡｓｓｉｈａｎＳＡ．ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒａＤｙｎａｍｉｃＰｌａｎｔ，ＩｎｔＪｍａｎＭａｃｈｉｎｅｓｔｕｄ，１９７５７：１ ～１３的是，在图３～５中均可发现，在焊接刚开始段，出现熔宽增大，焊接电流下降的现象。这 是由于在引弧之后，焊炬在原处停留了一段时间，热量积聚而引起熔宽增大。ＣＣＤ视觉传感器检 测到这一变化，各个控制器均使焊接电流减小。４结论（１）本文所设计的参数自调整模糊与积分 混合控制器既具有响应快，超调小的特点，又具有积分控制精度高的效果。消除了极限环振荡现象 ，表现了一定的自适应能力。试验表明，该控制器与其他两种控制器相比较，具有鲁棒性适应性较 强的优点。（２）本文所建立的控制系统具有一定的通用性，其控制方案、结构和思路对于其他焊 接过程的控制有一定参考价值。参考文献｜｜１贺剑峰，黄石生．模糊控制的新近发展．控制理论 与应用，１９９４，１１（２）：１２９～１３６２金以慧主编．过程控制．北京：清华大学出版 社，１９９３，１０８～１１１３ＭａｍｄａｎｉＥＨａｎｄＡｓｓｉｈａｎＳＡ．ＦｕｚｚｙＬ ｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒａＤｙｎａｍｉｃＰｌａｎｔ，ＩｎｔＪｍａｎＭａｃｈｉ ｎｅｓｔｕｄ，１９７５７：１～１３ＤｅｓｉｇｎｏｆＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌ ｅｒｆｏｒＢｅａｄＷｉｄｔｈｏｆＧＴＡＷ￥ＨｕａｎｇＳｈｉｓｈｅｎｇ；ＨｅＪｉａｎｆｅ ｎｇ；ＳｏｎｇＹｏｎｇｌｕｎ（ＧｕａｎｇｚｈｏｕＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅａｓｅ ｌｆ－ｔｕｒｎｉｎｇｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃａｎｄｉｎｔｅｇａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｔ ｈｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎｓｅｎｓｏｒｆｏｒｗｅｌｄｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒ ｏｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒｏｎ－ｌｉｎｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｂｅａｄｗｉｄｔｈｉｎＧＴＡＷｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｄｉｎｇ，ｐｏｏｌｗｉｄｔｈ，ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ钨极氩弧焊焊缝熔宽模糊控制系统设计@黄石生，贺
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