用于熔化極氣體保護(hù)焊對接接頭焊縫跟蹤的自組織模糊控制電弧傳感器

1、.用于熔化極氣體保護(hù)焊對接接頭焊縫跟蹤的自組織模糊控制電弧傳感器氣體住礦.坪建釀孺壤,艨捌才茅l1994年9月15日出版'國外金屬加-r1994年第5期用于熔化極氣體保護(hù)焊對接接頭焊縫跟蹤的自組織模糊控制電弧傳感器前言J.w.KIMs.J.NAK,W譯陳苴平校一下_自u.7近來,由于人工智能引入自動控毒i,基于模糊規(guī)則的控翻系統(tǒng)已在復(fù)雜過程控制中得到了成功的應(yīng)用.電弧焊過程復(fù)雜,并具有非線性特性,如移動分布型熱漂,電流l路徑及金屬傳輸?shù)?故難于導(dǎo)出精確的數(shù)學(xué)模型由于模I睜I規(guī)則控制囂可以容易地從不能表達(dá)成鼓學(xué)形式的人工經(jīng)驗中獲得推斷規(guī)則,所以,采甩模翱控制系統(tǒng)設(shè)計適合該過程的有效控制舞

2、.剮有可能解決這類問題.此外,為了了解過程未知的特性,井根據(jù)過程外界野I境的變化j胃整其晌應(yīng),作者還對自組織模糊控翩器進(jìn)行丁研究1焊縫跟蹤系統(tǒng)從焊接電流同導(dǎo)電嘴與工件距離的關(guān)系中可以得知焊槍位置狀況.隨著導(dǎo)電嘴與工件距增大或堿小,焊接電巍減小或增大.利用二次曲線擬合方法,可以將焊接電流擬臺戚一條曲線,該曲線向?qū)щ娮炫c工件距離的軌跡成反比.作者以往的研究結(jié)果表明,通過焊接電流信號擬臺曲線能夠確定攖動運動挾向點處的焊接電流,井可作為焊縫跟蹤的控制信號.如果擺動軌跡中心偏離了焊麓(見圖】),在兩個擺動端點潞得的焊接電流就會互不相同.根據(jù)擺動時兩個換向點處焊接電流的差值可以推算出擺動中心麾焊縫偏差D.

3、奉研究中,擺動時間(?)等于擺動幅度豫以期望擺動速度(V).當(dāng)一個擺動周期結(jié)束后,由模糊控審4器修正擺動速度來減小偏差,郾在每次右手方向擺動范圍內(nèi),搖動速度(V)維持為期望值,并在擺動運動的每一左手方向范圍內(nèi),對擺動速度進(jìn)JJ=i=.圈l擺動中心與焊縫的偏差1.1簡單模糊控制該模式控翩系統(tǒng)方框圖如圖2所示,模糊控鋱器由模糊推理機構(gòu)和模糊規(guī)覓庫兩部分組成.穰期推理機構(gòu)利甩規(guī)則庫綻fl4控制規(guī)剛集,井由重心法對過程輸入量l進(jìn)行模糨化處理.控制時采用丁兩個模糊變量,并構(gòu)造了一套規(guī)則,以生成過程輸入量.從而使焊棺擺動中心糾正至焊鞋.53盈2簡單摸糊控.束統(tǒng)方框圈1.I.1模糊子集的確定如果給定電流值和

4、測量值之同存在誤差E,將實際值進(jìn)行換算,便可得到誤差積分(S)和過程輸入(u)這兩個基本變量.定義如下e)=ff)E=G×)s=Gj×.(f'IU=G_×u()一一321O1234Su一一3o一2o-lo0lO2OaO'OF蛋3論城內(nèi)模糊子集關(guān),tt函t-儡J最J靠夸c速曩td靖薯億t式中,L,是擺動中心同揮縫嘲合時擺動螭點處的電流值,)是第一個擺動周期時擬合曲線焊接電流lG.,G和G_是換算因子,可將實際值變按為論域元素.對于基本變量E,s和u,定義了不同散量的模糊子集,其中心值為整散,如圖3所示I子集效無窮多,子集名稱54(1)(2)(3)(4

5、)由中心值確定.子集的語言名稱采用下列省喀形式:NVB=負(fù)根大-NB=負(fù)大INM=負(fù)中l(wèi)NS=負(fù)小IZO=零-PS=正小IPM=正中IPB=正大PVB=正很大.模糊子集關(guān)系函數(shù)如圖3所示,該關(guān)系函散是中心值為整散的三角形,將關(guān)系函數(shù)的半寬確定為與相鄰中心值的聞陌.1.1.2規(guī)則庫規(guī)則庫包括誤差(E)和誤差積分(s)同過程輸入(u)之間的連接規(guī)則,也包括下列形式語言規(guī)則:"如果EE.,且S=S.I則UU.,'式中,五,分別是E,s,u的模糊子集.控制規(guī)則可認(rèn)為是關(guān)系式丘一一u.,由外積可以導(dǎo)出E×s×u空間的三維矩陣關(guān)系t丘=丘×SI×(

6、5)由于E和s的子集分別為7個和9個,可能的關(guān)系規(guī)則數(shù)為63個,因此,規(guī)則庫可以表述為下述7×9矩陣:L一規(guī)則(E',)(6)i=1,23.,7一1,2391.1.3推理機構(gòu)規(guī)則庫在過程轄入量的生成中起著主要作用.模糊推理按下列步驟進(jìn)行,并在擺動運動的每次周期中重復(fù)進(jìn)行t第一步;換算基本變量.由測得的焊接電流偏差,利用公式2和3可以算出E和s的歸一化值,并按從一3到+3和從一4到+4的順序排列,超出該范圍的值.則認(rèn)為是飽和極限值.第二步:計算關(guān)系函數(shù).利用圖3中定義的關(guān)系函數(shù),對于給定的歸一化基本變量,可以計算出每個模糊子集的關(guān)系值.第三步:規(guī)則集.下述63個規(guī)則可構(gòu)成規(guī)則集

7、t【=規(guī)則(五,)i=1,237,j一1,23.,9根據(jù)模糊控制理論的極小一極大值算法,模糊推理可以按下列步驟進(jìn)行:(極小值運算)如果(u)是關(guān)于第(?)條規(guī)則的輸入u模糊子集的關(guān)系等級函散,則可由下式求得:肌(U)=Min(p,Us,"(U)(7)f=1,237=1,239(極大值運算)根據(jù)63條不同的規(guī)則,最終的關(guān)系等級函數(shù)(u)可以由最大值運算確定t,(U)=Max(j(U)(8)i=1,23.7=1,23.,9第四步:模糊化.最后,采用重心法對輸入u進(jìn)行模糊化處理,以確定其勻邊值:()×伯式中,f表示某一模糊子集,其關(guān)系等級在規(guī)則集中有確定的值,為模栩子集的中心值.

8、于是,實際過程轄入u)可以由方程(4)和方程(9)獲得.1.1.4規(guī)則卑的設(shè)計本研究中,模期控ll器取誤差E和誤差積分s為模糊變量,并根據(jù)規(guī)則庫,由模糊推理直接生成過程輸入u.規(guī)則庫示例見表1,由表左上都可知,擺動中心應(yīng)當(dāng)向Y軸正方向進(jìn)行校正,而右下部分剮應(yīng)向負(fù)方向校正.根據(jù)常識或人工經(jīng)驗,可以設(shè)計規(guī)財庫,以獲得良好的過程響應(yīng).本研究中,簡單模糊控制器是在以往實驗的分析結(jié)果基礎(chǔ)上生成的,簡單模糊控制系統(tǒng)采用了表1所示線性控制,自組織模糊控制器也將其作為原始規(guī)則庫,并能自動改進(jìn)控制規(guī)則.1.2自組織模糊控制器所提出的自組織模糊控制器方框圖如圖4所示,圖中的操作方法說明了規(guī)則修正器如何調(diào)整控制規(guī)則

9、以確保過程達(dá)到期望值.1.2.1性能測試為了改進(jìn)控制策略,適應(yīng)蛩或?qū)W習(xí)型控制器必須能對自身的性能進(jìn)行評估.要實現(xiàn)成功的應(yīng)用.測量方法是至關(guān)重要的.55tl1一qK表1用于模糊控制的改進(jìn)規(guī)則庫菡4自蛆織攫翱控.4秦詫方框國遁過測量實際響應(yīng)值與期望值的偏差,舅定與過程插入有關(guān)的控制器性能.用變量表示輸出所需的期望按正值,由誤差E和誤差積分s可以方便地監(jiān)視輸出響應(yīng).操作方法采用決策器,并根據(jù)占和s得出所需輸入增量.對于自組織模糊控制器.可表示為表2所示的改進(jìn)表,誤差及誤差積分變量同簡單控制器中的變量有同樣論域,分別為一3+3和一4+4表中0表示狀卷不需要校正,j蓐給定期望值越遠(yuǎn),所需輸入校正量就越大

10、.從表中還可看出:該表近似對稱于對角線左上部分輸入增量使得過程轄人增加,而右下部分使過程輸入藏小,因此,此表反映了設(shè)計者板小允許響應(yīng)的概念.在每個擺動周期中,都I用占(一)和s(一)來生戚輸入增量F(n),以Ira代表輸出量,則可筒便地表示為;F)=,mE),)(10)將輸入增量F處理為模糊變量,其子集具有語言名稱,關(guān)系函數(shù)如圖3.d所示.表2諼蓋控.4改連表需的最原始的控制規(guī)則,這類規(guī)則只需要一些1.2.2規(guī)剛修正非?；镜奶卣?以確?？劐^在給定量附近,根據(jù)常識或人工經(jīng)驗可以獲得控制器所在達(dá)到給定量時存在衰減,并在外部抗動情況下有一定的回復(fù)速度.學(xué)習(xí)算法可以在原始規(guī)則集的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),根據(jù)

11、輸入增量,改變關(guān)系式的修正過程可以闡述如下:假定從上一次采樣得知第lrn次控制效果不佳,對于單輸入單輸出過程,存在誤差E(n一,1)和誤差積分Sm),控制器輸出為u一ra),結(jié)果,期望的控制器輸出值為:一m)=U(m)+F(),而不是一ra),式中,F)是由方程l0得到的輸入增量.該改進(jìn)機制可以表述為以下關(guān)系式:E(am)一8(nra)一u(nra),引入關(guān)系式E(nm)8(nra)V(nm);由這兩種關(guān)系式的外積可以得到關(guān)系矩陣(n和R):(n);E(lrn)×8(nra)×U(nra)(11)R(n)一E(ra)×S(nra)×V(nlrn)(12)

12、也可用下述語言表達(dá)形式進(jìn)行替換:R(n+1)一尺()且非R()或R()(13)式中,尺()是當(dāng)前控制器關(guān)系矩陣,R(n+1)是新修正的關(guān)系矩陣.通過相應(yīng)的操作可以替換語言連接關(guān)系符號,方程(13)則可表示為:尺(+1)=R(n)R()Vj()實驗的焊接條件見表3.氧3實驗的焊接條件奉囊誡奉件捍接電壓(v)連壁連度(m/rain)鼻接連度(ram/B)魯動連度(mmfB)擺動探度(mm)338.38466COt氣體保護(hù)焊焊絲選用AWSER70S一3型,低碳鋼工件對接接頭處開了60單V型坡口,工件定位與X軸之間有初始角偏差.在設(shè)計規(guī)則庫時,可以根據(jù)先期實驗確定換算因子G.,G和G.,即研究擺動中心

13、和焊縫聞的偏差何時對焊接電流產(chǎn)生影響,因子GG=.,G_的值分別定為O.15,0.04和200其它設(shè)計參數(shù),如系統(tǒng)響應(yīng)延遲時間m為1,這表明上一次控制行為對當(dāng)前過程響應(yīng)有影響.每經(jīng)過一次擺動周期,自適應(yīng)模糊控制器就對規(guī)則進(jìn)行修正.進(jìn)行簡單模糊控制器實驗時的初始偏差角為5.和10.,進(jìn)行自組織模糊控制器實驗是為了評估其認(rèn)識環(huán)境和改進(jìn)跟蹤質(zhì)量的能力.(14)3結(jié)果和討論方程(14)形成修正控制器的一般方法.對于多步操作,與控制行為相關(guān)的每一步都要重復(fù)進(jìn)行上述步臻.2實驗采用計算機控耐兩維平面運動來進(jìn)行焊縫跟蹤實驗,x軸為焊耱方向,y軸為擺動方向.脈沖馬達(dá)的相應(yīng)速度由個人計算機確定,并通過數(shù)字脈沖發(fā)

14、生囂傳送至馬達(dá)驅(qū)動器.焊接電流由分流電阻測取,由,于電流信號波動較大,故采用低通濾波器進(jìn)行修正,濾波器截止頻率為4Hz,濾波信號的采樣頻率為50I-Iz.圖5所示為不同初始角偏差情況下,簡單模糊控制器采用表一給定規(guī)則庫的實驗結(jié)果圖中虛線表示焊縫,實線表示擺動中心控制軌跡.角偏差為5.時,跟蹤響應(yīng)曲線相對良好;而角偏差為1O.時,則存在穩(wěn)態(tài)誤差,而焊縫的這種移位偏差是不允許的.這種結(jié)果是由于給定的規(guī)則庫是在角偏差為5.時進(jìn)行的先期實驗基礎(chǔ)上得到的,因此,對于不同的操作條件和環(huán)境,系統(tǒng)需要l不同l的規(guī)則庫與之相適應(yīng)-.圖6所示為角偏差為5.時采用自組織糊控制系統(tǒng)進(jìn)行焊縫跟蹤的結(jié)果,焊槍控制軌57跡

15、的順序結(jié)果表明,跟蹤質(zhì)量不斷地得到改善.在自組織模糊控制器改進(jìn)機制的作用下,表4所示最終規(guī)則庫中的一些規(guī)則相對表l的初始化規(guī)則有所改變,由于角偏差為正值,故規(guī)則庫左上部分輸入(u)模糊子集的中心值大多增加了,這使得焊接電流測量值大于給定值,結(jié)果,誤差及誤差積分為負(fù)值.當(dāng)然,輸入量模糊子集中心值的變化并不大,這說明對于這種工作情況,初始規(guī)則的設(shè)計相對較好.如圖7所示,當(dāng)角偏差為l時,白組織模糊控制器的改進(jìn)效果比簡單模糊控鑭系統(tǒng)顯著.大的角偏差一般需要大的過程輸入,如表5最終廠_=二E'.一洲脯脯j詈20l一一:;=;一.!='360E40挺20粗I0?20306090120x一方向毫蘺,皿m圈5簡單模糊控A初越庸惴王為5囤6采用自組織模糊控制器控制焊槍擺動中心進(jìn)行焊縫跟蹤(角偏差為)58規(guī)則庫所示,其輸入量模糊子集的一些中心值要比角偏差為5時對應(yīng)的中心值有所增大.圖8所示為不同初始角偏差情況下,濾波或濾波與曲線擬臺后的焊接電流響應(yīng)信號.經(jīng)過系統(tǒng)的焊縫跟蹤作用,響應(yīng)信號調(diào)節(jié)良好.需要強調(diào)說明的是,盡管圖示的焊接電流測量倍號波動嚴(yán)重,白組織模糊控制器的跟蹤結(jié)果仍然穩(wěn)定.最后,在+5.,一5'角偏差情況下,利用自組織模糊控制器對弓形焊縫進(jìn)行實驗.實驗結(jié)果表明,白組織模糊控制系統(tǒng)的控制性能良好.一期望悼#一控制所得焊彗60x_方向E離90120,m囤l采用自組織模