微機模糊控制在TIG逆變電源中的應用

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，把調節移相式PWM脈寬的輸入電壓作為模糊控制器的輸出量。給出了單片機模糊控制的總體框圖，并詳細介紹了對應模糊控制器的設計過(guò)程。

關(guān)鍵詞： 模糊控制 單片機 電弧電流 TIG逆變電源

采用TIG焊接方法焊接薄壁結構時(shí)，人們最關(guān)注的是焊接電源的引弧性能和電弧穩定性。然而，由于存在著(zhù)各種因素的影響，如：電弧長(cháng)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 )使系統偏離平衡點(diǎn)。如果系統具有快速自動(dòng)返回平衡點(diǎn)的能力，則電弧可維持穩定燃燒，這里，控制系統是弧焊逆變電源的核心，是影響其工作穩定性和可靠性的重要方面。

針對焊接過(guò)程具有非線(xiàn)性、時(shí)變形和不確定性，電弧穩定控制存在一系列模糊特征。故使用應用前景十分廣泛的模糊控制理論，再配以單片微機控制系統對TIG焊接的電弧電流實(shí)行穩定控制，結果表明：具有控制精度高，電弧燃燒穩定，對焊接參數變化適應性強的特點(diǎn)。

１ 電弧電流的模糊控制系統組成

TIG焊機的模糊控制系統的設計思想是：實(shí)現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)地把電流轉化為對應的電壓，該電壓經(jīng)A/D轉換后送微機，與事先給定的電流值進(jìn)行比較。CPU根據其偏差和偏差率，運行固化在EPROM中的模糊控制程序，由D/A輸出控制信號給移相式ＰＷＭ，移相控制電路不斷地調整逆變電源中兩橋臂功率開(kāi)關(guān)器件IGBT移相角的大小，確定功率開(kāi)關(guān)器件的導通脈沖寬度，改變輸出電壓的大小，從而實(shí)現對輸出電流的控制。

系統的總體結構框圖如圖１所示。以高速單片機80C51FA作為系統的核心，外配81C55作擴展接口，實(shí)現與鍵盤(pán)的通訊，通過(guò)鍵盤(pán)設定焊接方式、焊接功能及各種焊接參數指標，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(lái)調整電壓以滿(mǎn)足PWM輸入（1.7～5.2V）的范圍，移相式PWM采用UC3875，用來(lái)調整IGBT的導通脈寬，PWM控制器內部設有電路保護措施，為保證PWM高頻（20kHz）開(kāi)關(guān)控制信號可靠地傳輸，采用高速光耦合器TLP559，其開(kāi)關(guān)速度可達1MHz，這樣有利于將強電與弱電隔離，同時(shí)，為保證信號有足夠大的驅動(dòng)能力，采用74CH4050作同相驅動(dòng)器，由于霍爾元件本身已經(jīng)實(shí)現強電和弱電的隔離，故在信號輸入時(shí)不必加隔離器，A/D片采用AD574A，具有高速轉換速度，AT24C01作 ，用以記憶鍵盤(pán)輸入的各種參數，內存由單片機和81C55的內存協(xié)調解決，LCD液晶顯示器采用菜單和圖形兩種方式，顯示系統工作狀態(tài)和焊接順序、指標參數等，用ACM-24064A芯片來(lái)完成，采用32K的EPROM27C256和IMP815L作μp電源監視及運行管理，動(dòng)作開(kāi)關(guān)服務(wù)于起弧和收弧。

２ 模糊控制器設計

本系統采用典型的兩輸入單輸出的模糊控制器，其結構如圖２所示，主要由三部分組成：精確量的模糊化；模糊推理規則的構成；輸出信息的模糊決策。

2.1 語(yǔ)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：調節移相式PWM的脈沖寬度所對應的電壓校正量Δu。

有了上述的定義，則輸入語(yǔ)言變量定為E和EC，輸出語(yǔ)言變量為U。

2.1.2 量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的選擇

根據本系統的特點(diǎn)和實(shí)際操作經(jīng)驗，語(yǔ)言變量E、EC和U的基本論域選擇為：

三個(gè)語(yǔ)言變量E、EC和U的論域均設為[-6,6]，由此可得到對應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：超調量、響應時(shí)間、穩定性等，故基本論域一般事先初步地選取，在實(shí)際調試過(guò)程中需不斷修正，最終確定一個(gè)較滿(mǎn)意的結果。

2.1.3 語(yǔ)言變量的隸屬函數

三個(gè)語(yǔ)言變量分別對應三個(gè)模糊集、和。鑒于計算上的方便，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)模糊子集的論域為[-6,6]，語(yǔ)言變量的隸屬函數形狀對控制性能影響不大，故取三角形的分布函數，則E、EC和U從屬于每個(gè)模糊子集的隸屬函數如表１和表２所示。

2.2 模糊推理

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

2.3 模糊判決

從上述模糊推理規則的輸出可以看出，仍是一個(gè)模糊量，必須將該模糊量經(jīng)過(guò)模糊判決轉換成相應的精確控制量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，其計算公式如下：

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

2.4 離線(xiàn)控制表

由于總控制表的計算工作量較大，且計算時(shí)間較長(cháng)，為加快系統的響應速度，先將上述控制表采用離線(xiàn)計算形式，即轉換為表５，八位數字量的最高位設為符號位，把離線(xiàn)表先寫(xiě)入微機的存儲器中，在實(shí)時(shí)控制中，只需通過(guò)查表的形式，便可獲得實(shí)時(shí)的控制量。

３ 系統軟件設計

系統軟件設計可分四個(gè)部分：焊前準備，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(jiàn)圖３，為了加快控制過(guò)程，縮短過(guò)渡時(shí)間，在程序中分兩個(gè)環(huán)節進(jìn)行，當電流偏差大于A(yíng)門(mén)限值時(shí)，系統進(jìn)入加速控制過(guò)程，讓信號迅速逼近給定值；當偏差小于等于A(yíng)門(mén)限值時(shí)，系統進(jìn)入模糊控制環(huán)節，根據偏差和偏差變化率，量化后查詢(xún)模糊離線(xiàn)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(wú)超調、動(dòng)態(tài)品質(zhì)好和魯棒性強的特點(diǎn)。

（２）采用單片機控制系統在滿(mǎn)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)。