【正文】 t2)、短路后期 (t2 附近 )、表面張力過渡區(qū) (t2t3)、燃弧前期 (t4t5)、燃弧 中期 (t4t5)、燃弧后期 (t5t6)、基值電流區(qū) (t6t7)。圖 2 是試驗(yàn)中測(cè)得的焊接波形。t2 時(shí)刻 (約 % 處）為小橋縮頸即將爆斷時(shí)刻，從短路開始到這一時(shí)刻，電壓首先基本保持在 3V 左右，大約在 處電壓迅速上升至 6V 后，電壓有一個(gè)很短的下降過程。小橋的縮頸和爆斷是兩個(gè)完全不同的物理現(xiàn)象，盡管兩者之間有聯(lián)系，時(shí)間上也非常接近，但必須把它們區(qū)分開，因?yàn)楫?dāng)液體小橋爆斷、電弧再引燃時(shí)，電弧電壓才出現(xiàn)陡升，此時(shí)刻對(duì)于判斷液體小橋是否產(chǎn)生縮頸已無意義，但對(duì)于熔滴過渡是否結(jié)束的判斷還是十分有效的。 三、 Co2 的檢測(cè)和引弧短路區(qū)分 焊接電壓輸入到短路檢測(cè)電路后，檢測(cè)電路要及時(shí)檢測(cè)熔滴與熔池的接觸時(shí)刻。 在實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)時(shí)，難以抓到空載、燃弧、短路同時(shí)存在的情況，因此在此采用 進(jìn)行了仿真，如圖 3 所示。第二個(gè)周期中 1518ms 為正常熔滴短路階段。 短路前期熔滴短路的檢測(cè)電路如圖 4 所示。限幅后的電壓信號(hào)輸入窗口比較器 (由2 個(gè) LM324 比較器 A1 和 A2 組成），比較器的輸出為檢測(cè)電路的輸入。當(dāng)被比較的信號(hào) 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。圖 4 中在 3ms 處的電壓波形為引弧短路過程的模擬。該研究選擇用軟件濾掉這一干擾脈沖：檢測(cè)到上升沿后，若高電平持續(xù) 1ms 以上檢測(cè)到的下降沿為 t0 時(shí)刻檢測(cè)信號(hào)，否則為短路引弧過程。 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(cè) 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(hào)品質(zhì)較好外，其余信號(hào)均因品質(zhì)一般或太差而無法利用。 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(hào) Uin 限制在 12V 以內(nèi)，然后經(jīng)微分放大器 A1 捕捉輸入信號(hào)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。 圖 7 為實(shí)際焊接實(shí)測(cè)波形。 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。該電路對(duì)輸入電壓的下降跳變很敏感，但對(duì)短時(shí)短路不會(huì)檢測(cè)到縮頸信號(hào)即 !Uout1 不會(huì)輸出第二個(gè)下降沿。因此該電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 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。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(duì)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。本文正是基于此目的，提出了一種新的控制方法。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。若采用逆變式 CO2 焊機(jī)其效率還可提高，因此對(duì) CO2 氣體保護(hù)焊進(jìn)行研究是十分必要的。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。在檢測(cè)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 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?？刂茣r(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。下面我們主要討論模糊控制系統(tǒng)的建立。 圖 3 模糊控制系統(tǒng)框圖 The system block of fuzzy control (1)首先將被控對(duì)象的輸出參數(shù)由精確量轉(zhuǎn)換成模糊量。 (3)將這些模糊量再轉(zhuǎn)換成精確量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)整。 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) 。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。 對(duì)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(duì)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 。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。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是在圖 4的控制系統(tǒng)框圖上，把原電路的模擬控制部分用 MCS8098 單片機(jī)研制的模糊控制電路代替，輸入仍為電弧電壓和焊接電流，輸出為控制 UG3847 第 5腳的模擬電壓信號(hào)，通過調(diào)節(jié)輸出占空比來進(jìn)行控制，而系統(tǒng)的其他部分則暫不改動(dòng)，以檢驗(yàn)本控制方案的可行性和焊接效果。另外，MCS8098 具有四個(gè)通道的內(nèi)部 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，采用 12M 晶振時(shí)，采樣周期為22μs ，對(duì)于本模糊控制系統(tǒng)，由于有兩個(gè)量要采集，因此一個(gè)控制周期為 44μs ，與仿真設(shè)計(jì)的控制頻率基本相符。 經(jīng)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)調(diào)整，對(duì)于雙模模糊控制的模糊論域選取采用： (1)燃弧過程的恒壓控制，電弧電壓的模糊控制論域是 177。 (2)短路過程的帶階段判別的恒電流上升率控制，焊接電流的模糊控制論域是 177。 (3)輸出控制占空比的模擬信號(hào)的模糊控制論域是 177。 模糊控制表只是在仿真結(jié)果表 2和表 3的 基礎(chǔ)上乘上了一個(gè)系數(shù)，變化不大，這里就不重復(fù)給出了。其中，檢測(cè)到短路發(fā)生和縮頸形成后實(shí)施控制都有一個(gè)延時(shí)，這與檢測(cè)濾波以及控制頻率有關(guān)，可以看出，實(shí)際波形與設(shè)計(jì)思想基本一致，在實(shí)際系統(tǒng)中，短路瞬間抑制電流的延時(shí)為 ，縮頸形成后抑制電流的延時(shí)為 。 圖 5 模糊控制下的電流電壓波形 The current and voltage waveforms with the fuzzy control 圖 6 電流電壓波形放大 The amplified waveforms of current and voltage 本設(shè)計(jì)的初衷是為了減少 CO2 焊過程中的飛濺率，為了說明此方案的有效性，做了以下對(duì)比： 在同一規(guī)范下：焊絲直徑 ；送絲速度 ；工作電壓 20V。 表 4 飛濺率對(duì)比 The parision of spatter ratio (%) 控制方式 飛濺率 1 飛濺率 2 飛濺率 3 平均 未加入模糊控制 加入模糊控制 2 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)想的目的，對(duì)于減少 CO2 焊接過程中的飛濺率是十分有效的。隨著硬件電路的性能提高和控制算法的不斷改進(jìn)，控制效果會(huì)更趨完善。 作者簡介：吳愛國 1954 年生， 1982 年畢業(yè)于天津大學(xué)自動(dòng)化系，副教授、碩士生導(dǎo)師，天津大學(xué) 霍尼韋爾樓宇自動(dòng)化學(xué)院院長，目前主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮宇I(lǐng)域中功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略、電子傳動(dòng)系統(tǒng)的控制策略及智能大廈的控制等。該模型以組合圖形方式，直觀、有效地表征了各環(huán)節(jié)的特性。應(yīng)用德國產(chǎn) HannoverXII 型焊接過程動(dòng)態(tài)分析儀所獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果基本相符。 關(guān)鍵詞： CO2 電弧焊 MATLAB 仿真 弧焊逆變器 非線性負(fù)載 Simulation Study on Dynamic Process of CO2 Arc Welding with MATLAB Yu Wensong,Xue Jiaxiang,Huang Shisheng,Zhang Xiaonan,Zhang Junhong （ South China University of Technology,Guangzhou） Cheng Tao bo (Guangdong Academy of Science Automation Center,Guangzhou) Abstract： Based on intrinsic nonlinear characteristics of CO2 arc welding with short circuit transient, the digital simulation mode for the system consisted of inverter and nonlinear load is developed with MATLAB. The simulation mode directly indicates the features of the system by means of visual modeling graph. Waveform of main state variables in dynamic process of CO2 arc welding is given by simulation. And it is verified by experiment results which are obtained from the analyzer HannoverXII made in Germany. MATLAB is a powerful tool for improving performances of arc welding inverter, and it is a new method for quantitative analysis in the dynamic process of nonlinear arc welding system. Key words CO2 arc welding, MATLAB simulation, arc welding inverter, nonlinear load 0 序 言 CO2 氣體保護(hù)電弧焊是一種低成本自動(dòng)化或半自動(dòng)化的高效焊接方法。為了解決提高引弧成功率、減小焊接飛濺、改進(jìn)過程穩(wěn)定性、控制焊縫成形以及降低操作技術(shù)要求等問題，在 CO2 電弧焊系統(tǒng)中發(fā)展了模擬負(fù)載反饋 、電子電抗器 、 復(fù)合外特性和焊接電流波形控制等實(shí)用技術(shù)［ 1， 2］。但是，實(shí)際中定量分析該系統(tǒng)的本質(zhì)非線性造成的影響常常是非常困難的。 計(jì)算機(jī)仿真是推動(dòng)焊接學(xué)科進(jìn)一步發(fā)展，使其由 “經(jīng)驗(yàn) ”走向定量分析的重要方法［ 3］。 MATLAB 作為自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域最普及和最受歡迎的軟件環(huán)境，具有矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖象處理等功能。因此，它可作為 CO2 電弧焊動(dòng)態(tài)過程的仿真環(huán)境。根據(jù)電弧物理理論和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)［ 5， 6］，負(fù)載電壓 U=R1I+XL+A，其中等效電阻 R1=， 負(fù)載電流 I=50～500A，電弧的電位梯度 X=，常量 A=18V。負(fù)載電壓 U=R2I，其中，等效電阻 R2=。由圖可見，在燃弧階段，表征負(fù)載狀態(tài)的點(diǎn)在平面上運(yùn)動(dòng)；在短路階段，該點(diǎn)在遠(yuǎn)離平面的一條線段上運(yùn)動(dòng)。 應(yīng)用 MATLAB 軟件設(shè)計(jì)的非線性負(fù)載的仿真模型如圖 1b 所示。由輸入接口 I，增益環(huán)節(jié) R2 以及輸出接口 U以組合圖形的方式表達(dá)了短路階段的負(fù)載狀態(tài)方程