脈沖GTAW熔池動態(tài)過程無模型自適應控制方法研究.pdf

1、實現(xiàn)脈沖GTAW(GasTungstenArcWelding)自動化與智能化的困難之一在于實現(xiàn)對焊接熔池動態(tài)行為,如熔池的尺寸、熔透及焊縫成形的實時檢測與有效控制。電弧焊接是涉及材料、冶金、物理化學變化等多因素交互作用的復雜過程。焊接質(zhì)量(焊縫成形、接頭組織及性能)與焊接工藝的多參數(shù)有關,這些參數(shù)的作用相互關聯(lián),既有動態(tài)過程的耦合,又有靜態(tài)效果的重疊。對于焊接動態(tài)過程這樣的多變量、非線性、時變且含有諸多不確定因素和約束條件的復雜對象,采

2、用基于精確數(shù)學建模方法,難以得到有效的可控制模型,決定了對焊接熔池的動態(tài)變化亦即對焊接熔寬、熔透和焊縫成形等質(zhì)量控制是非常困難的。采用經(jīng)典及現(xiàn)代控制理論方法來解決上述問題,同時受到理論上和應用上的挑戰(zhàn),難以達到滿意的結(jié)果。本文以脈沖GTAW焊接過程為對象,對基于被動式熔池直接視覺圖像傳感的焊接過程的控制進行了深入的研究,研究工作著重于無模型自適應控制(MFC)方法與實際焊接過程的應用結(jié)合,將無模型自適應控制方法引入到脈沖GTAW熔透及焊

3、縫成形控制中,該方法只需要GTAW過程的輸入輸出數(shù)據(jù),不僅克服了焊接過程難以建立精確數(shù)學模型的困難,且由于具有較強的自適應能力,能克服焊接過程的多種不確定性因素。為了研究熔池特征參數(shù)與焊接工藝參數(shù)之間的動態(tài)關系,本文首先進行了傳統(tǒng)階躍試驗,采用一階慣性環(huán)節(jié)來描述焊接過程,得到了平穩(wěn)焊接過程焊接脈沖峰值電流、送絲速度與熔池形狀參數(shù)之間的數(shù)學模型。結(jié)果表明對于脈沖GTAW過程,焊接過程存在非線性、強耦合、時變等復雜特點。同時為了預測背面熔寬

4、和正面余高以及滿足控制仿真的需要,采用隨機試驗得到建模數(shù)據(jù),分別建立了BP(BackPropagation)神經(jīng)網(wǎng)絡模型和ARX(Auto-RegressiveExogeneous)模型焊接過程很難用基于模型的控制方法實現(xiàn)高質(zhì)量的焊縫成形控制,為了克服這一困難,本文將無模型自適應控制引入到脈沖GTAW的熔透及焊縫成形控制中。以背面熔寬為被控制量,焊接峰值電流為控制量,設計了GTAW過程單輸入單輸出無模型自適應控制器,閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真驗證

5、了該方法的可行性。為了進一步驗證該方法的有效性,設計了梯形、漸變啞鈴形和突變啞鈴形三種不同形狀的工件,以代表實際焊接過程中不同的散熱條件?；谏鲜鋈N工件的實驗結(jié)果表明,在不同的散熱條件下單輸入單輸出無模型自適應控制器均能實現(xiàn)較好的控制效果。為了增強無模型自適應控制器的自適應能力與抗干擾能力,使無模型自適應控制器具有智能化的調(diào)節(jié)能力,更符合實際的焊接過程控制需要。本文將模糊邏輯引入到無模型自適應控制中,設計了G函數(shù)模糊調(diào)節(jié)的無模型自適應

6、控制器,該控制器能從一定程度上,反映實際焊工的操作經(jīng)驗。通過與無模型自適應控制基本方法的仿真比較可以看出,在相同的調(diào)節(jié)時間內(nèi),具有模糊調(diào)節(jié)功能的無模型自適應控制的超調(diào)量小,且響應曲線更加平滑。而在三種不同形狀工件上的實際焊接實驗進一步驗證了該方法的有效性。與無模型自適應控制的基本方法相比,該方法使控制器的調(diào)節(jié)更加平滑,從而更有利于焊縫的穩(wěn)定成形。GTAW過程焊縫成形除外界環(huán)境等因素影響外,它還受到多個可控焊接參數(shù)的直接影響。因此為了提高

7、焊接質(zhì)量,實現(xiàn)高效的自動化焊接技術(shù),最終實現(xiàn)多變量GTAW過程控制,首先設計了以背面熔寬為被控量,以峰值電流和送絲速度為控制量的GTAW控制過程多輸入單輸出無模型自適應控制器。仿真及三種工件焊接過程都較好的保持了平穩(wěn)性,背面熔寬在期望值附近波動,能較好滿足焊縫成形控制的需要。與焊接過程單變量控制器相比,多輸入單輸出的無模型自適應控制其不僅能取得較滿意的控制效果,且由于引入了另一個控制量,焊接過程中可以同時調(diào)節(jié)兩個焊接參數(shù),所以當受到外部

8、干擾時,可以更加快速的將背面熔寬調(diào)節(jié)到期望值。由于焊接是一個多變量強耦合的復雜過程,為了使控制器能更加真實有效的體現(xiàn)焊接過程這一特征,提高控制器性能,提出了多輸入多輸出無模型自適應控制理論,給出了其具體的設計步驟及實現(xiàn)過程,該方法仍具有只利用系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)控制目標的特點。針對脈沖GTAW過程,設計多輸入單輸出及多輸入多輸出無模型自適應控制器,最終實現(xiàn)了通過同時監(jiān)測背面熔寬與正面余高,而同時調(diào)節(jié)焊接峰值電流和送絲速度,實現(xiàn)了正反