模糊控制半桥直流转换器焊接电流源的研究外文翻译资料

 2022-09-27 11:37:41

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模糊控制半桥直流转换器焊接电流源的研究

摘要：这篇论文介绍了一种采用模糊控制方法的新型焊机（FCWM)电源，这种采用模糊控制方法的结果也得到了详细诠释。将模糊控制器应用于焊机是为了改善焊接过程中出现的一些问题。这种新型智能控制器在焊接过程中可以得到稳定不变的电流进而保证了焊接质量。它也拥有一些其他特点，比如热启动和防卡住等功能以及节能待机模式。这种智能焊机的效用经过了实验结果和耐久性测试的证明。实验证明这种设计好的模糊控制焊机可以用于移动焊接产业。

关键词：焊机、模糊控制器、半桥逆变器

1引言

电弧焊过程是通过高的交流或直流电流通路加热待连接部分金属表面使其达到塑性温度。电弧（即向气体中放电)在低电压（10-40v)高电流(5-2000A)条件下于电极和焊件之间引燃形成[1]。在所有焊接系统中，使用可消耗电极的手工金属电弧焊大约占了30%的比例[1]。手工焊机在工作期间使用高频率逆变器来提供高容量电流。逆变器要用到功率开关（MOSFET和IGBT晶体管）这类半导体设备，其工作频率在20-100KHz之间[1]。在这篇论文的验证实验中，使用半桥高频逆变器来提供焊接时所需要的合适的电流。

传统的模拟焊机用稳定的PWM（脉宽调制）来驱动IGBT逆变器并且通过控制IGBT开关的通断来控制输出电流。因此，它不能很好地将焊接电流的大小调节至设定电流[2,3]。在其他的一些控制方法中，通过改变PWM（脉宽调制）的占空比来控制输出电流。这种脉宽调制占空比的变化在模糊控制器中体现为反馈输出电流值与设定电流值之间的误差变化。一个好的直流焊机需要满足以下条件：第一，在焊接初始阶段输出电流值可以轻易调节至设定的电流；第二，在焊接过程中电弧的输出电流可以保持稳定。在这篇论文的验证试验中，我们使用模糊控制来改变脉宽调制PWM系统的占空比。在经过足够长的时间后，模糊控制器会通过自我校正将误差逐渐调整至零。同时采用热启动功能输出电流的模糊控制焊接机器（FCWM）能够保证电流在焊接初始阶段轻易达到其设定值。所以模糊控制焊机（FCWM）的电弧很容易保持稳定。通过调整热启动量的值，在焊接一开始时，模糊控制焊机（FCWM）可以使其初始焊接电流设定值比稳定焊接电流设定值大20%到100%,然后根据指数曲线，将初始焊接电流设定值降至稳定焊接电流设定值。

2模糊控制焊机（FCWM）的结构

模糊控制焊机（FCWM）的总体结构如图一所示。交流输入电压由输入交流/直流整流器整流，然后施加到高频逆变器。晶体管S3和S4分别交替指挥半个周期。电容C上的电压降是1/2V，并通过晶体管开关不同极性连接到变压器初级绕组。通过高频变压器二次绕组的方波高频电压经过整流滤波然后作用到焊丝。控制电路用来控制焊机的输出电流。模糊逻辑控制（FLC）既不需要精确的数学模型也不需要复杂的计算系统[5-8]。这种控制技术依赖于人类了解系统行为的能力，并制定定性的控制规则。因为它只是基于语言规则，所以控制的设计是简单的。

这种模糊控制方法取决于系统的基本物理性能，即使在线性控制技术不适用的操作条件下，它也能潜在的增加控制能力[5、9]。如图一所示，模糊控制器提供了一个参考信号，它被应用于一个标准的脉宽调制器。脉宽调制占空比与参考信号之间成比例，因此根据模糊参考信号的变化可以得到半导体开关占空比和输出电流的变化。模糊控制器的结构会在下一节介绍。

图一：模糊控制焊机总体结构

2.1模糊控制器的结构

模糊控制器的设计中第一个重要步骤是输入和输出变量的选择。在这个项目中，逆变器的输出电流作为输入变量，而唯一的输出变量是逆变器输出电压。接下来的部分会介绍模糊控制器的其他部分如模糊控制器隶属函数选择、模糊推理方法和解模糊化处理。

2.2模糊控制器隶属函数的选择

模糊集合必须定义每个输入变量和输出变量。如图二所示，五个模糊子集PL（正大）、PM（正中）、ZE（零），NL（负大），NM（负中）被选定为随输入变化时电流误差变化的反映。其中三个模糊子集（零，正中，正大）也被选定为焊接时间变化的反映。因为输出变量的五个模糊子集已被使用（正大，正中，零，负中，负大），为了使控制过程更加准确。如图二所示，隶属函数采用三角形和梯形的形状，通过采用适当的参数使每个输入和输出变量的值归一化至[ -1,1 ]。

图二：输入、输出变量隶属函数

2.3控制规则的选取

通过对系统行为的分析可以得到模糊控制规则。在一定操作条件下，为最大程度提高逆变器的性能动态响应和鲁棒性，必须考虑使用适当的控制规则[ 10 ]。在模糊系统中不同的条件下，用于控制输出电流的三个输入变量根据方程式（1），（2），和（3）得到。电流误差，是指输出电流与操作者定义的参考电流之间的差值。电流误差变化是指T = K时与 T = K-1时两者电流误差之间的差值。焊接时长是第三个变量，由单片机计算得到，用于改变开关器件的占空比。

(1)

(2)

(3)

例如，当输出电流远高于设定点电流（PL），误差变化大（PL），焊接时间误差不大不小（PM），输出占空比必须减小很多（NL）来保证输出电流尽快达到设定点。再例如，当逆变器电流误差（）接近零（ZE），误差变化（NM）在缓慢减小接，焊接时间误差是不大不小（PM），输出占空比变化必须尽可能小（ZE）。所选择的控制规则如下文所示。这些规则可以用一个表格来表达，如下：

If is (ZE) , then ∆U is (PL)

If is (NL) and is (NL) and is (PM), then ∆U is (PL)

If is (NL) and is (NM) and is (PM) ,then ∆U is (PL)

If is (NL) and is (ZE) and is (PM) ,then ∆U is (PL)

If is (NM) and is (ZE) and is (PM), then ∆U is (PM)

If is (NM) and is (PM) and is (PM) ,then ∆U is (ZE)

If is (ZE) and is (ZE) and is (PL), then ∆U is (ZE)

If is (PM) and is (PL) and is (PM) ,then ∆U is (NL)

If is (PL) and is (PL) and is (PM) ,then ∆U is (NL)

If is (ZE) and is (PM) and is (PM) ,then ∆U is (NM)

If is (PM) and is (ZE) and is (PM) ,then ∆U is (NM)

If is (PM) and is (PL) and is (PL) ,then ∆U is (NL)

在模糊控制器的参数设计时，没有精确的标准来衡量收益，模糊集特征和模糊算法复杂度。因此在模糊控制器的设计只能遵从一般规则。对于一般目的，每个模糊变量的范围可以归一化至[ - 1，1 ]。一些参数会极大地影响带宽和控制器的整体性能，为提高控制器的性能，我们可以做一些启发式改进。

2.4模糊算法和软件特点

有关于如何定义模糊的含义、句子结缔组织和其他用于模糊规则和推理机制，标准以及属性在其他文献中都可以找到[6,7]。如果模糊化过程是通过模糊单和马丹尼最小-最大模糊蕴涵作为推理方法来对输出值进行推断，那么作为输入变量的一个函数可以通过下面一个非线性方程（4）来计算。

（4）

在我们的项目中，根据上述标准

（5）

最后解模糊化过程采用面积中心法。控制过程中参考值的选取与、、的值有关。

（6）

是模糊输出变量使用第I个规则得到的单值， 是第l个规则的履行程度。

3控制实施与实际效果

如图三所示，在流程图中给出了总体的软件程序。该方案包括两个基本部分：一个软件预处理部分，主要功能是评估控制器的输入，执行模糊推理过程和计算输出变量；另一部分包括数据采集处理和硬件命令。

图三：模糊控制程序流程图

上面所说到的部分都储存在单片机80C196的内存中。图四显示了这种模糊控制焊机的整体硬件块。

图四：模糊控制焊机硬件功能模快

模糊控制焊机的多功能硬件功能设计使它适用于实际焊接操作。这些功能也增加了操作的稳定性和安全性。

作为输入变量的非线性函数的参考信号是由微控制器基于模糊推理过程计算得到。输出参考信号用来改变一对互补脉宽调制信号的占空比。脉宽调制信号作用于半导体开关用来控制焊接输出电流，输出电流的变化通过一个半桥逆变器拓扑结构得到了验证。图五显示的是电源电路的示意图。

图五：模糊控制焊机电源电路示意图

这台智能焊机是在EMC公司的研发部制造出来的，并且经过了实验测试。图六显示的是硬件实现系统。

图六：模糊控制焊机实物

4实验结果

在几次焊接实验中，我们测试了设计好的模糊控制焊机。输出电流值设置为80A，热启动卷值设置为40%。数据采集系统通过采样电路来记录输出电流和电压的变化。使用示波器观察通过IGBT开关和栅极驱动信号的VCE波形，图七展示了活性焊接时和惰性焊接时的波形图。实验样本的输出电流、电压的变化通过EXCELL软件来接收和展示。采样时间为10ms，绘制的图表显示，焊接初始阶段因为热启动操作输出电流迅速上升至参考电流的140%大小。启动后约700ms后，输出电流达到设定点电流然后保持恒定，保证了接下来的焊接操作统一而又稳定。通过热启动功能，焊接起始时电弧就很容易制造并得到保持。输出电流快速且准确的追踪焊接电流设定点。记录的数据显示，在启动后约800ms，电流误差就缩减至零。

图七：（a）10%负载IGBT开关波形，（b）50%负载IGBT开关波形

（c）栅极驱动信号 ，（d）无负载IGBT开关波形

图八：一次焊接测试中输出电流、电压变化

5结论

本论文介绍了一种新型模糊控制焊机（FCWM），改善了传统焊机的一些问题。这种智能焊机在启动时会增大焊接电流来保证热启动和防卡操作。这种模糊控制焊机与传统焊机相比，有着体积小、质量轻、节能等优点。这种焊机通过模糊控制器与半桥逆变器结合来控制输出电流。模糊控制焊机提升了焊接质量并且使焊接过程更加稳定可靠，会对便携式焊接产业做出巨大贡献。模糊控制焊机的有效性已经得到了实验的验证。

参考文献（略）

PID控制器研究趋势

摘要：本论文分析了科研人员在比例-积分-微分（PID）控制领域的最新进展，尤其是对最新提出的PID控制结构的优化设计连同性能评估方法进行了简要回顾，最后指出基于事件的分数阶PID控制器是该领域的最显著进展。

关键词：PID控制器、设计、优化、控制结构

1引言

尽管全世界的研究人员一年年在控制理论上取得新进展，比例-积分-微分（PID)控制仍然是工业生产中最常使用的控制方法。这是因为PID控制的性价比非常高，而这是工业生产中考虑得最多的问题。PID控制是一个非常活跃的研究领域，因为它在工业生产领域很少有好的改进，但通过有效的设计方案，它的性能会得到巨大提升。对PID控制器研究的一个巨大推动力是2000年由国际自动控制协会（IFAC）组织举办于西班牙特伦萨的一个研讨会。会议的成功不仅仅体现在越来越的人参与到研究PID控制器，还体现在近十年来越来越多关于PID控制的书籍和论文得到发表出版。为了进一步在科研和技术生产上勾勒出未来智能控制的形状，国际自动控制协会组织的另一场关于PID控制的会议于2012年3月在意大利的布雷西亚举办。本论文介绍了PID控制领域最近取得的重大成就，并特别回顾了PID控制器设计和结构的改善、PID参数稳定区域的确定和PID控制性能的评估，最后会介绍基于PID控制的一些新型控制理念，尤其是基于事件的分数阶PID控制理念。

2概论

如图一所示，一个PID控制器通常采用统一的反馈控制系统，P表示过程，y时过程变量，r是给定信号，d是负载扰动。在其基本形式中，控制器可以用以下传递函数来描述

（1）

是比例增益，是积分时间常数，是微分时间常数。表达式（1）是理想的形式，其他形式（通常被称为串联、并联形式）也可以使用。为了有效地应用在实际情况中，控制系统应具有一些其他功能，最重要的功能可以概括如下：

为了使控制器更适用，并对测量噪声进行滤波（高频），必须对其采用微分处理滤波；此外，微分处理还经

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