基于模糊控制的摆动式弧焊跟踪

唐建武　付虹

摘要：电弧传感原理是利用焊炬高度变化引起的焊接电流（电弧参数）变化，然后通过左右两边电流积分和的差值得到偏差值，因此焊缝偏差值的处理对于焊缝跟踪系统有至关重要的作用。文章采用模糊控制的方法，以提取到的偏差与偏差变化率作为输入、偏差补偿作为输出很好地实现了摆动弧焊的跟踪。

关键词：电弧传感；焊缝跟踪；模糊控制；焊接

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）07-

1 概述

焊缝自动跟踪就是利用传感器检测出焊枪相对于焊缝的位置，通过信号处理后，利用控制器计算出偏差量，推动执行机构调节焊枪，回到焊缝中心。焊缝跟踪过程是一个多参数影响的复杂系统，其中存在着大量不确定因素的影响，如焊接工件坡口的加工精度、装配精度等等，这导致提取出来的偏差存在波动，并且精度不高。针对这种情况，采用不依赖被控对象的精确数学模型的模糊控制方法计算焊炬偏差补偿量能够取得比较理想的效果，这也是近年来焊缝跟踪偏差补偿策略研究的一个热点。

2 电弧传感原理

电弧传感器是一个由焊炬、电弧电源、送丝机等组成的系统。在这个系统工作时，焊接电源作为电源供电，电弧作为负载用电，为了保证焊接电弧稳定燃烧和焊接参数的稳定，必须保证这个系统的稳定。当无干扰时，在给定负载电压和焊接电流下，电弧稳定燃烧，系统保持静态平衡状态；当系统受到瞬态干扰时，负载电压和焊接电流发生变化，在干扰消失后，系统能自动恢复到原来的平衡状态或达到新的平衡状态，这就是电弧的自调节作用原理。

从信号分析处理的角度可将扫描电弧传感检测焊缝原理描述为扫描调制、信号传递、信号处理三个过程，如图1所示：

2.1 扫描调制

如图2所示焊缝的位置是相对焊炬而言的，由焊炬高度H、焊炬与焊缝坡口中心线横向距离e决定，e反映焊缝的偏离情况。由于电弧传感原理是利用焊炬高度变化引起的焊接电流（电弧参数）变化来获得传感信息，所以只有通过对坡口扫描，焊炬高度随之的变化，才能反映焊缝坡口的截面几何信息，反映焊缝的偏离情况，从信号处理角度来说，这一过程可以表述如下：焊炬的位置（H，e）和坡口形式在焊炬的扫描激励下被调制成焊炬的高度变化h（t）。h（t）经过电源——电弧系统的传感作用，焊接电流I（t）要随着h（t）产生相应的变化。在信号处理过程中对焊接电流I（t）进行滤波处理滤除干扰和噪声，再根据扫描激励位置信号解调获得焊炬位置（H，e），最后调整焊炬的位置实现焊缝跟踪。

2.2 焊炬高度与电弧参数间的对应关系

在电弧传感系统中，为了从电弧信号中获取焊接的高度信息，需要建立唯一的输入输出对应关系，因此焊接电源应选择恒压或者缓降的外特性，送丝系统的送丝速度恒定。通过文献了解得出了电弧传感的静态物理数学模型，并分析了该模型的非线性程度，加以适当简化。该简化模型指出，当焊接过程中电弧稳定燃烧，熔滴过渡为射流过渡时，焊炬高度H与电弧电流I的关系满足关系式

H=KI+C（K、C为常数）。当熔滴过渡为短路过渡时，由于有短路峰值电流存在，关系式H=KI+C不再成立，但是短路峰值电流和维弧电流的变化趋势是一样的，通过有限削波等处理方法同样能够提前得出焊炬的高度信息。对于脉冲GMAW焊，由于弧焊电源输出的为脉冲电流，关系式H=KI+C同样不

成立。

3 模糊控制器

模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。模糊控制器的输入变量个数称为模糊控制器的维数，一维模糊控制器只以误差为输入变量，很难反映过程的动态特性品质。从理论上讲，控制器的维数越高，控制越精细，但模糊规则过于复杂，算法实现相当困难。而以误差和误差的变化作为输入变量的二维模糊控制器，由于能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性，而控制规则和算法又相对简单，因此这类结构的模糊控制器目前被广泛采用。从系统的精度及稳定性来考虑，本方案选用二维模糊控制器，以焊枪左摆周期和右摆周期的焊接电流离散积分差值计算的横向偏差值E和偏差值的变化率EC作为输入量，以焊炬位置的横向调整补偿量为输出量，整个系统的结构如图3所示：

3.1 精确量的模糊化

模糊控制器的建立首先是要去模糊化，即根据变量的精确值，分别确定它们的隶属函数。将模糊控制器的输入设定为偏差E和偏差变化率EC。

系统中的偏差和偏差变化率的实际变化范围称为这些变量的基本论域。焊缝跟踪系统某时刻的采样偏差类别为{-20mm，-15mm，-10mm，-5mm，0mm，5mm，10mm，15mm，20mm}，可建立一个映射，使上述集合与{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}一一对应。这样，输入误差的基本论域变为{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}。取误差E、误差变化率EC和控制量U的论域为[-6，+6]，并使之离散化，即为：

因此，还需要通过量化因子进行论域变换，量化因子Ke的计算公式为：

焊缝偏差变化率EC可由下式计算得出：

3.2 模糊量的赋值以及隶属函数的确定

在[-6，+6]之间变化的连续量需分成若干等级，每个等级作为一个模糊变量，并对应一个模糊子集或者隶属函数。本文中，对于误差和误差变化率以及控制量的变化等均用7个语言变量来描

4 模糊控制规则的建立

本文采用二维模糊控制器，这类模糊控制器的控制规则通常由模糊条件语句“If E and EC then U”来描述。

模糊控制是以运行者的知识和操作者的经验为基础的控制技术。总结手工焊接时焊工跟踪焊缝的经验并通过模糊推理，可以得出模糊控制规则。控制规则一共可以归纳出49条，如下所示：

5 输出信息的模糊解析

输出信息的模糊解析即为去模糊化，其目的是将模糊推理得到的模糊控制量转化为执行机构所能接受的精确量。常用的几种方法有：最大隶属度法、取中位数法和加权平均法。一般而言，加权平均法比取中位数法具有更好的静态性能，动态性能则略逊于取中位数法，而两种方法都优于最大隶属度法。由于系统的实时性要求较高，因此采用最大隶属度法进行去模糊化，计算出焊炬位置的偏差补偿量用于焊缝跟踪控制。最终得到模糊解析查询表如表5所示：

6 结语

通过电流采样得到焊缝跟踪系统焊炬偏离焊缝中心的偏差信息，将偏差进行模糊控制处理输出相应的控制量，可以较好地实现焊接过程中焊炬的实时性跟踪，提高系统的控制精度，取得比较理想的控制效果。

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作者简介：唐建武（1989-），湖南永州人，长春工业大学电气学院测试专业在读研究生，研究方向：测试技术及仪器。

（责任编辑：黄银芳）