【導(dǎo)讀】膆莆薂衿肂蒞蚄螞羈蒞莄袈襖蒄蒆蝕膂蒃蕿袆肈蒂蟻蠆肄蒁蒁羄羀肈薃螇袆?wù)赝L膅肆蒞螅肁肅蕆羈羇膄蕿螄袃膃螞薆膁膂莁螂膇膂薄薅肅膁蚆袀罿膀莆蚃裊腿蒈袈膄膈薀蟻肀芇蚃袇羆芇莂蠆袂芆蒅裊螈芅蚇蚈膆芄莇羃肂芃葿螆羈節(jié)薁襖芁蚃螄膃莁莃薇聿莀蒅螃羅荿薈薅羈莈莇袁袇莇蒀蚄膆莆薂衿肂蒞蚄螞羈蒞莄袈襖蒄蒆蝕膂蒃蕿袆肈蒂蟻蠆肄蒁蒁羄羀肈薃螇袆?wù)赝L膅肆蒞螅肁肅蕆羈羇膄蕿螄袃膃螞薆膁膂莁螂膇膂薄薅肅膁蚆袀罿膀莆蚃裊腿蒈袈膄膈薀蟻肀芇蚃袇羆芇莂蠆袂芆蒅裊螈芅蚇蚈膆芄莇羃肂芃葿螆羈節(jié)薁襖芁蚃螄膃莁莃薇聿莀蒅螃羅荿薈薅羈莈莇袁袇莇蒀蚄膆莆薂衿肂蒞蚄螞羈蒞莄袈襖蒄蒆蝕膂蒃蕿袆肈蒂蟻蠆肄蒁蒁羄羀肈薃螇袆?wù)赝L膅肆蒞螅肁肅蕆羈羇膄蕿螄袃膃螞薆膁膂莁螂膇膂薄薅肅膁蚆袀罿膀莆蚃裊腿蒈袈膄膈薀蟻肀芇蚃袇羆芇莂蠆袂芆蒅裊螈芅蚇蚈膆芄莇羃肂芃葿螆羈節(jié)薁襖芁蚃螄膃莁莃薇聿莀蒅螃羅荿薈薅羈莈莇袁袇莇蒀蚄膆莆薂衿肂蒞蚄螞羈蒞莄袈襖蒄蒆蝕膂蒃蕿袆肈蒂

　　

【正文】 過10V，燃弧電壓在 1725V 之間，而空載電壓超過 30V，設(shè)計(jì)比較器的兩個(gè)給定電壓值 U1 和 U2分別為 12V 和 25V。當(dāng)被比較的信號 Uin 位于門限電壓之間時(shí) (U1UinU2，焊機(jī)正常焊接 )，輸出為高電位；當(dāng) Uin 不在門限電位范圍之間時(shí) (UinU2 或 UinU1 焊機(jī)開路、短路），輸出為低電位。 從圖 5 中可知， 處的下降沿為熔滴短路 to 時(shí)刻的檢測信號。圖 4 中在 3ms 處的電壓波形為引弧短路過程的模擬。由于短路前后弧焊電壓分別為 65V、 5V，所以弧焊電壓從 50V 過渡到 5v的過程中處于 2512V 之間的時(shí)間很短，造成檢測電路的輸出脈沖很窄，因此很容易去掉此尖峰脈沖，實(shí)現(xiàn)對引弧短路的區(qū)分。該研究選擇用軟件濾掉這一干擾脈沖：檢測到上升沿后，若高電平持續(xù) 1ms 以上檢測到的下降沿為 t0 時(shí)刻檢測信號，否則為短路引弧過程。 該電路能夠準(zhǔn)確檢測到 t0 時(shí)刻 (輸出波形的下降沿 處），同時(shí)將熔滴短路與引弧短路明顯區(qū)分開來，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，完全可以在實(shí)際焊機(jī)中使用。 四、小橋縮頸即將爆斷 t2時(shí)刻和短路結(jié)束 t3 時(shí)刻的檢測 經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究表明：在液體小橋縮頸即將爆斷時(shí)，除電弧電壓的一階微分、二階微分信號品質(zhì)較好外，其余信號均因品質(zhì)一般或太差而無法利用。 采用一階微分和二階微分聯(lián)合的檢測電路原理圖如圖 6 所示。 由于短路電壓一般都小于 10V 而燃弧電壓一般在 1725V 之間，為去除干擾保證電路正常工作，首先用穩(wěn)壓管 VS1 把輸入信號 Uin 限制在 12V 以內(nèi)，然后經(jīng)微分放大器 A1 捕捉輸入信號的下降跳變，經(jīng)比較器處理后送給光電耦合 CLC6隔離得 到輸出 Uout2。輸入信號的一階微分信號（ A1輸出）經(jīng) A2 二階微分，把縮頸處的下降跳變信號放大，經(jīng)過比較器 A3 進(jìn)行比較及光耦輸出形成輸出信號 Uout2。 圖 7 為實(shí)際焊接實(shí)測波形。通過綜合觀察檢測電路的輸出 Uout Uout2 可以看出熔滴過渡過程中的不同關(guān)鍵時(shí)刻。 Uout1 的第一個(gè)下降沿是短路的開始時(shí)刻 t0； Uout2 上升沿為短路結(jié)束時(shí)刻t3；當(dāng)波形 3 處于低電平時(shí)，延時(shí) 200us 后查詢波形 2 的狀態(tài)，查到的下降沿為小橋縮頸即將爆斷時(shí)刻 t2。 另外，由于短路時(shí)間小于 時(shí)，焊接電弧并沒有明顯的縮頸過程，在這種情況下，若發(fā)出縮頸控制信號使電源輸出電流減小，則可能造成斷弧。該電路對輸入電壓的下降跳變很敏感，但對短時(shí)短路不會(huì)檢測到縮頸信號即 !Uout1 不會(huì)輸出第二個(gè)下降沿。如圖 8 波形 2 所示，在第三個(gè)短路過渡周期中無縮頸信號產(chǎn)生（波形 2 只有一個(gè)下降沿）。因此該電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 五、 結(jié)論 短路檢測電路利用焊接輸出電壓的變化確定熔滴短路的狀態(tài)和時(shí)刻，該研究所采用的電路可準(zhǔn)確檢測短路前期熔滴短路 t0 時(shí)刻、小橋縮頸即將爆斷 t2 時(shí)刻和短路結(jié)束 t3 時(shí)刻，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力，為研制波形控制逆變式 Co2 焊機(jī)奠定基礎(chǔ) CO2 焊接電流波形的模糊控制 摘要 根據(jù)減少 CO2 焊接過程飛濺對焊接電流波形的要求，提出雙模糊控制方法，并在 LINCOLN 逆變焊機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了控制方法的可行性，達(dá)到了抑制CO2 焊接飛濺率的目的。 關(guān)鍵詞： CO2 焊接 模糊控制 飛濺 The Fuzzy Control of Current Waveform in CO2 Welding Wu Aiguo Li Teyi Huang Rixiang Yuan Hao (Tianjin University 300072 China) Abstract According to the welding current waveform requirement from suppression of CO2 welding spatter,the doublemodel fuzzy control strategy is employed,which is also test in LICONLN inverting result approves the effectiveness of the control strategy,and the expected suppression of CO2 welding spatter is achieved. Keywords:CO2 welding Fuzzy control Spatter 1 前言 目前我國的焊接設(shè)備與技術(shù)同國 外相比還有相當(dāng)距離，表現(xiàn)在設(shè)計(jì)能力落后且制造工藝水平低。由于對焊接過程的電弧物理本質(zhì)認(rèn)識不足，產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般均采用簡單的類比方法或采用經(jīng)驗(yàn)公式。國內(nèi)焊接界大部分仍著眼于逆變器的工作原理及可靠性的研究，而對逆變器的綜合控制尚未涉及，所以 CO2 焊接過程飛濺率高的問題始終沒有得到很好的解決。因此必須搞清 CO2 焊接產(chǎn)生飛濺的原因，從而采取有效地降低飛濺率的控制方法，才能根本解決問題。本文正是基于此目的，提出了一種新的控制方法。 2 理想焊接電流波形的給出 CO2 氣體保護(hù)焊是一種高效節(jié)能、優(yōu)質(zhì)的焊接工藝。據(jù)統(tǒng)計(jì) ， CO2 氣體保護(hù)焊比手工電弧焊節(jié)電 1/2～ 1/3。在生產(chǎn)率方面， CO2 焊的生產(chǎn)率比手工電弧焊高1～ 倍，且成本低。若采用逆變式 CO2 焊機(jī)其效率還可提高，因此對 CO2 氣體保護(hù)焊進(jìn)行研究是十分必要的。 但是， CO2 焊本身的性質(zhì)決定了該種方法飛濺嚴(yán)重，直接影響工件表面的質(zhì)量和光潔度，焊縫成形差，惡化工作環(huán)境，并造成焊接材料的浪費(fèi)。因此，如何解決這個(gè)問題是目前焊接行業(yè)的重要課題之一。 本文提出一種實(shí)用的電流控制波形如圖 1所 示。在檢測到短路的瞬間不使它急速增長，而是降低電流，以減少飛濺；在達(dá)到短路峰值 (即縮頸 )的瞬間，也降低電流，使熔滴在表面張力的作用下自由過渡到熔池，從而減少飛濺的產(chǎn)生。 圖 1 抑制飛濺的 CO2 焊電流理想波形示意圖 The ideal current figure of suppression of CO2 welding 3 雙模模糊控制系統(tǒng) 所謂雙模模糊控制系統(tǒng)是一種開關(guān)控制與模糊控制相結(jié)合的雙模控制方法，圖 2是雙模模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。 圖 2 雙模模糊控制系統(tǒng)框圖 The system block of doublemodel fuzzy control 當(dāng)控制開始時(shí)，偏差 e 較大，即當(dāng)｜ e｜ ≥ ｜ EM｜時(shí) (EM 為雙模控制時(shí) e 的邊界值 )，系統(tǒng)的控制量取 +Um 或Um，實(shí)行非線性的開關(guān)控制；當(dāng)偏差 e 逐漸減少，小于預(yù)定的轉(zhuǎn)換邊界值 (｜ e｜＜ EM)時(shí)，便進(jìn)行程序切換，實(shí)行模糊控制。這樣我們既能加快過渡過程，又能保證系統(tǒng)超調(diào)小，從而取得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。下面我們主要討論模糊控制系統(tǒng)的建立。模糊控制過程的框圖如圖 3。 圖 3 模糊控制系統(tǒng)框圖 The system block of fuzzy control (1)首先將被控對象的輸出參數(shù)由精確量轉(zhuǎn)換成模糊量。 (2)運(yùn)用模糊邏輯對模糊量進(jìn)行推理，做出決策，并輸出模糊控制量。 (3)將這些模糊量再轉(zhuǎn)換成精確量對被控對象進(jìn)行調(diào)整。 在 CO2 短路過渡過程中，分為燃弧段和短路段，根 據(jù)要求，在燃弧段采用恒壓控制策略，在短路段采用帶階段判別 (短路瞬時(shí)判別和縮頸判別 )的恒電流上升率控制的策略，因此在燃弧段，輸入的模糊量為電弧電壓 和電壓變化率 d ；短路段為焊接電流 和電流變化率 d ；輸出都采用模糊量占空比變化量 。 把上面的量都轉(zhuǎn)化為［ 6， +6］之間變化的連續(xù)量，又把［ 6， +6］之間變化的連續(xù)量分為以下 7 檔： “ 正大 ”(PL) ； “ 正中 ”(PM) ； “ 正小 ”(PS) ； “ 零 ”(O) ； “ 負(fù)小 ”(NS) ； “ 負(fù)中 ”(NM) ； “ 負(fù)大 ”(NL) 。 對應(yīng)這 7 個(gè)模糊子集的論域?yàn)椋?6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6］。語言變量的隸屬函數(shù)取人們常用的正態(tài)分布函數(shù) 式中 a—— 數(shù)學(xué)期望 b—— 方差 通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整得到以下的隸屬函數(shù)表。 表 1 模糊集合隸屬函數(shù)表 The membership function table of fuzzy sets E,C,D 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 NL 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NM CO2 0 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 CO2 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 0 0 CO2 0 0 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 CO2 PL 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 在此我們采用輸入二維，輸出一維的模 糊控制器結(jié)構(gòu)。對于這種類型的模糊控制器，其語言推理形式為 式中 —— 被控量的實(shí)際值 x對其期望值 x0 的偏差 e=xx0 的模糊子集 —— 偏差變化率的模糊子集 —— 輸出控制量的模糊子集 這種模糊條件語句可以歸結(jié)為一個(gè)模糊關(guān)系 根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，此處 “” 運(yùn)算的含義由下式定義 根據(jù)模糊推理合成規(guī)則，輸出的控制量 為 即 這 樣，若已知輸入 、 和輸出 ，我們就可以根據(jù)上述規(guī)則把相應(yīng)的模糊關(guān)系求出來；反之，若系統(tǒng)的模糊關(guān)系 為已知時(shí)，我們就可以根據(jù)輸入 、 而求出輸出控制量 。 模糊判決采用普通加權(quán)平均法，其執(zhí)行量 umax 由下式?jīng)Q定 由于 CO2 短路過渡過程是極快的過程 (100Hz 左右 )，而對其實(shí)施控制的時(shí)間量級至少為幾十 μs ，因此在線地進(jìn)行模糊推理的矩陣運(yùn)算和模糊判決在目前的硬件條件下是不可能的，所以在通過大量的離線計(jì)算和實(shí)驗(yàn)仿真的基礎(chǔ)上，得到兩個(gè)模糊控制表，表 2為恒壓控制的模糊控制表，表 3為帶階段判別的恒電流上升率控制的模糊控制表。這樣，在控制過程中只要把輸入量模糊化，通過簡單的查表操作就能得到控制量，保證了控制的及時(shí)性。 表 2 恒壓控制模糊控制表 The fuzzy control table of constant voltage control dV U V 6 5 ? 1 0 1 ? 5 6 6 ? ? 0 5 ? ? 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 ? 0 ? 0 ? 0 ?