微機(jī)模糊控制在TIG逆變電源中的應(yīng)用

摘 要： 在TIG焊逆變電源的實(shí)時(shí)檢測電弧電流控制系統(tǒng)中建立電弧電流模糊控制算法。采用雙輸入單輸出的模糊控制器模型，即采用電弧電流的變化及其變化率作為模糊控制器的兩個(gè)輸入量，把調(diào)節(jié)移相式PWM脈寬的輸入電壓作為模糊控制器的輸出量。給出了單片機(jī)模糊控制的總體框圖，并詳細(xì)介紹了對應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)過程。

關(guān)鍵詞： 模糊控制 單片機(jī) 電弧電流 TIG逆變電源

采用TIG焊接方法焊接薄壁結(jié)構(gòu)時(shí)，人們最關(guān)注的是焊接電源的引弧性能和電弧穩(wěn)定性。然而，由于存在著各種因素的影響，如：電弧長度、工作平面不平、氣體介質(zhì)的壓力、氣體流量的變化、焊槍相對焊縫表面距離的變化及供電網(wǎng)電壓波動(dòng)等，都會(huì)使系統(tǒng)偏離平衡點(diǎn)。如果系統(tǒng)具有快速自動(dòng)返回平衡點(diǎn)的能力，則電弧可維持穩(wěn)定燃燒，這里，控制系統(tǒng)是弧焊逆變電源的核心，是影響其工作穩(wěn)定性和可靠性的重要方面。

針對焊接過程具有非線性、時(shí)變形和不確定性，電弧穩(wěn)定控制存在一系列模糊特征。故使用應(yīng)用前景十分廣泛的模糊控制理論，再配以單片微機(jī)控制系統(tǒng)對TIG焊接的電弧電流實(shí)行穩(wěn)定控制，結(jié)果表明：具有控制精度高，電弧燃燒穩(wěn)定，對焊接參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

１ 電弧電流的模糊控制系統(tǒng)組成

TIG焊機(jī)的模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒流外特性，即用于檢測電弧電流的霍爾傳感器實(shí)時(shí)地把電流轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓，該電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送微機(jī)，與事先給定的電流值進(jìn)行比較。CPU根據(jù)其偏差和偏差率，運(yùn)行固化在EPROM中的模糊控制程序，由D/A輸出控制信號(hào)給移相式ＰＷＭ，移相控制電路不斷地調(diào)整逆變電源中兩橋臂功率開關(guān)器件IGBT移相角的大小，確定功率開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，改變輸出電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)對輸出電流的控制。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。以高速單片機(jī)80C51FA作為系統(tǒng)的核心，外配81C55作擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)與鍵盤的通訊，通過鍵盤設(shè)定焊接方式、焊接功能及各種焊接參數(shù)指標(biāo)，采用DS80C320作D/A片，其輸出經(jīng)UA741放大器，放大器的功效是用來調(diào)整電壓以滿足PWM輸入（1.7～5.2V）的范圍，移相式PWM采用UC3875，用來調(diào)整IGBT的導(dǎo)通脈寬，PWM控制器內(nèi)部設(shè)有電路保護(hù)措施，為保證PWM高頻（20kHz）開關(guān)控制信號(hào)可靠地傳輸，采用高速光耦合器TLP559，其開關(guān)速度可達(dá)1MHz，這樣有利于將強(qiáng)電與弱電隔離，同時(shí)，為保證信號(hào)有足夠大的驅(qū)動(dòng)能力，采用74CH4050作同相驅(qū)動(dòng)器，由于霍爾元件本身已經(jīng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離，故在信號(hào)輸入時(shí)不必加隔離器，A/D片采用AD574A，具有高速轉(zhuǎn)換速度，AT24C01作 ，用以記憶鍵盤輸入的各種參數(shù)，內(nèi)存由單片機(jī)和81C55的內(nèi)存協(xié)調(diào)解決，LCD液晶顯示器采用菜單和圖形兩種方式，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和焊接順序、指標(biāo)參數(shù)等，用ACM-24064A芯片來完成，采用32K的EPROM27C256和IMP815L作μp電源監(jiān)視及運(yùn)行管理，動(dòng)作開關(guān)服務(wù)于起弧和收弧。

２ 模糊控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用典型的兩輸入單輸出的模糊控制器，其結(jié)構(gòu)如圖２所示，主要由三部分組成：精確量的模糊化；模糊推理規(guī)則的構(gòu)成；輸出信息的模糊決策。

2.1 語言變量的確定

2.1.1 模糊控制器的輸入輸出定義

模糊控制器輸入定義為：；式中e為電弧電流的偏差；ec為其偏差的變化率；Ig為電弧電流給定值；If為電弧電流采樣值;e(n)為nT時(shí)刻誤差；e(n-1)為（n-1)T時(shí)刻誤差；T為采樣周期。

模糊控制器的輸出定義為：調(diào)節(jié)移相式PWM的脈沖寬度所對應(yīng)的電壓校正量Δu。

有了上述的定義，則輸入語言變量定為E和EC，輸出語言變量為U。

2.1.2 量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，語言變量E、EC和U的基本論域選擇為：

三個(gè)語言變量E、EC和U的論域均設(shè)為[-6,6]，由此可得到對應(yīng)的量化因子和比例因子：

量化因子和比例因子大小的確定，取決于基本論域的選擇，它決定了最終控制的效果，如：超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性等，故基本論域一般事先初步地選取，在實(shí)際調(diào)試過程中需不斷修正，最終確定一個(gè)較滿意的結(jié)果。

2.1.3 語言變量的隸屬函數(shù)

三個(gè)語言變量分別對應(yīng)三個(gè)模糊集、和。鑒于計(jì)算上的方便，把、和劃分為７個(gè)模糊子集，它們分別是NL、NM、NS、O、PS、PM、PL，每個(gè)模糊子集的論域?yàn)閇-6,6]，語言變量的隸屬函數(shù)形狀對控制性能影響不大，故取三角形的分布函數(shù)，則E、EC和U從屬于每個(gè)模糊子集的隸屬函數(shù)如表１和表２所示。

2.2 模糊推理

模糊控制器依據(jù)的模糊推理規(guī)則是模糊控制器的核心，模糊推理規(guī)則主要以人的控制經(jīng)驗(yàn)和控制思想為依據(jù)，本系統(tǒng)采用的電流推理規(guī)則為：當(dāng)誤差為正大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當(dāng)誤差較小時(shí)，以系統(tǒng)穩(wěn)定為主要出發(fā)點(diǎn)，選擇控制量盡量防止超調(diào)；反之亦然，根據(jù)這一推理規(guī)則，便可獲得相應(yīng)的控制策略，即對于每一對輸入量和就可得到一個(gè)相應(yīng)的輸出量，見表３。

2.3 模糊判決

從上述模糊推理規(guī)則的輸出可以看出，仍是一個(gè)模糊量，必須將該模糊量經(jīng)過模糊判決轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的精確控制量U。模糊判決的方法有很多，這里采用重心法解模糊量為精確量，其計(jì)算公式如下：

應(yīng)用模糊推理的合成算法可以算出最終的控制作用表，見表４所列，這樣，在模糊控制過程中，由一組實(shí)際的輸入量e和ec，經(jīng)過量化后，便可得出一個(gè)控制量，因此本系統(tǒng)根據(jù)13個(gè)e和13個(gè)EC相應(yīng)得到一個(gè)13*13的控制表。

2.4 離線控制表

由于總控制表的計(jì)算工作量較大，且計(jì)算時(shí)間較長，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，先將上述控制表采用離線計(jì)算形式，即轉(zhuǎn)換為表５，八位數(shù)字量的最高位設(shè)為符號(hào)位，把離線表先寫入微機(jī)的存儲(chǔ)器中，在實(shí)時(shí)控制中，只需通過查表的形式，便可獲得實(shí)時(shí)的控制量。

３ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可分四個(gè)部分：焊前準(zhǔn)備，引弧控制、焊接階段控制、收弧控制，焊接階段控制主要是模糊控制，其程序流程見圖３，為了加快控制過程，縮短過渡時(shí)間，在程序中分兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行，當(dāng)電流偏差大于A門限值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入加速控制過程，讓信號(hào)迅速逼近給定值；當(dāng)偏差小于等于A門限值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入模糊控制環(huán)節(jié)，根據(jù)偏差和偏差變化率，量化后查詢模糊離線總控制表，取出控制量的增量，然后進(jìn)行控制，A的大小由經(jīng)驗(yàn)得出。

（１）模糊控制作為一種新型的智能控制法，在焊接電弧電流的控制中能獲得良好的控制效果，具有控制精度高、無超調(diào)、動(dòng)態(tài)品質(zhì)好和魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。

（２）采用單片機(jī)控制系統(tǒng)在滿足電弧電流模糊控制的要求下，具有成本低、控制靈活、可靠性高的特點(diǎn)。