专利名称：基于遗传算法的自进化pid气电立焊焊接系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及厨房用品技术领域，具体是一种基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统。
背景技术：
气电立焊(英文简称EGW)从20世纪80年代中期才引进中国。气电立焊是一种全自动控制上升系统配用专门的药芯焊丝、以C02气体保护进行立向对接焊焊接垂直或接近垂直位置的焊接接头。电弧轴线方向与焊缝熔深方向垂直，焊接时在焊缝的正面采用水冷铜滑块，焊缝的背面采用水冷档排(或衬垫)，药芯焊丝送入焊件和档块形成的凹槽中，熔池四面受到约束，实现单面焊双面一次成形，是一种高效焊接技术及设备。其焊接质量好熔敷速度高、综合成本低，为这种高效自动化焊接技术及设备的推广应用提供了广阔的前
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发明内容
本发明的目的是提供一种基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统，能实现气电立小车的自动行走，自动控制干身长，以及自动进化；适应性非常广泛，适合各种类型、各种环境的焊接要求。为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下:
一种基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统，包括行走电机模块、摆动控制模块、中央处理控制模块、送丝 控制模块、焊机控制模块，干生自适应调节模块检查模块、电源模块、气流量控制模块、水冷系统；
所述干生自适应调节模块的工作流程为:通过焊接过程中弧长变化，建立了焊接小车和滑块为基础的二级联动弧长控制系统；利用滑块的动态响应能力强、精度高的特点实现弧长的快速、高精度控制；利用对小车的控制实现滑块的自动归中，增大系统的调节能力。所述行走电机模块的工作流程为:由中央处理控制模块给出速度信号，由驱动器实现将速度信号转换为脉冲占空比信号实现对霍尔无刷之流电机的速度驱动输出，再将电机速度信号转换成电压信号参与占空比给定计算，形成一个闭环反馈电路，保证行走电机的电气特性；并反馈给中央处理控制模块一个电机旋速频率脉冲，实现二级反馈，增加行走电机模块的精度和稳定性。所述摆动控制模块的工作流程为:摆动参数由液晶界面设置后存入中央处理控制模块的RAM中，在控制中由中央处理控制模块的USART模块发送给协处理器，由协处理器的对指令进行编译转换成具体的动作，来控制驱动电路实现摆动的工作。所述送丝控制模块的工作流程为:中央处理控制模块提供送丝速度，由驱动器通过放大再将速度信号转变为脉冲信号并传送到驱动电机，以电机电压负反馈电流正反馈模式作为电机稳速方式参与前级给定运算；并通过编码器返回电机转动速度的脉冲信号，中央处理控制模块通过CCP捕捉计算出电机转速，并将其与给定转速进行比较进行矫正； 所述中央处理控制模块:该处理器具有2个增强型可寻址USART模块，具有24路通道的12位A/D转换器，具有自动采集和休眠操作模式；
所述焊机控制模块:通过中央处理控制模块发送指令给焊接控制模块，焊接控制模块通过光耦进行隔离后，经DA转换后输出给定焊接电压，通过信号分离控制焊接起弧。其操作过程为:
步骤一:首先对调用vint函数,初始化PLL、eprom、watchdog等,对端口进行输入输出配置，并根据功能赋予初值，再对寄存器进行配置；
步骤二:配置完成以后，初始化遗传模块，通过对eprom的数据进行读入存储，作为种群的基础数据库；
步骤三:完成液晶的初始化，启动人机交互界面，便于用户操作；等待用户操作指令； 步骤四:当有键按下时，判断命令值；
步骤五:确认命令值为焊接后，判断焊接标识为手动焊接进行手动焊接；判断焊接标识为自动焊接进行自动焊接；
步骤六:手动焊接:通过AD采集模块采集焊接参数电流、电压、行走速度，首先执行通过适配器二控制气流控制系统提前送气排除空气，执行完后在由中央处理控制模块通过USART模块发出焊接命令给适配器一和适配器二，由适配器二控制焊接控制模块启动焊接并按照要求输出，并控制水冷系统开始循环输送；在由适配器一控制送丝模块开始按要求进丝;
步骤七:自动焊接:采集焊接输入电流、电压，在初始化种群数据库中选择组对应PID参数，先将参数存储在SUF中，2组PID参数随机交换部分基因，来构造下一代的2条新的染色体，构造完成以后判断是否在合理范围，如果不在范围内直接调用与输入电流、电压匹配的PID参数，如果在范围内将参数传递给干身自适应调节模块，由干身自适应调节模块来控制行走执行机构PID结合参数检测模块实际反馈对行走做出调节，当干身变长的时候电压变小，加快行走速度，加速小车提升速实现干身调节；
当焊接完成以后，系统自动将焊接数据处理将小车的提升速率和小车的稳定系数提取和系统现有经典参数对比，如果系能比经典参数差即丢弃参数，如果性能强于现在经典参数，将实现末尾淘汰将淘汰数据覆盖。所述命令值为摆动命令时，驱动摆动模块，调整焊枪位置；
命令值为点动送丝命令时，中央处理控制模块将要发送数据传输到缓存中，应用CRC检验算法对数据进行编码，首先将数据左移R位，相当与对应的信息多项式C(x) *2的R次方，用生成多项式对信息码做除，得到R位的余数，将余数拼到信息码左移后空出的位置，得到完整的CRC码；通过USART端口将数据发送给适配器一，在由适配器一将传输的数据解码并将需求数据提取出来，通过数模转化将数据转换成模拟信号发送给送丝控制模块实现要求动作；
命令值为快速行走时驱动行走电机模块实现小车位置调整。所述步骤六中:完成以上工作后，启动参数检测模块对参数进行采集判断是否启弧成功，如果失败立即停止焊接并从液晶显示输出焊接错误，如果启弧成功将采集参数反馈给中央处理控制模块，并实时监测焊接状态；中央处理器将数据处理后显示在液晶显示面板上以供操作者参考,启动开始行走,提升液面。
本发明所述的基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统的有益效果是，本设计通过遗传算法和PID算法向结合来克服传统系统中气电立焊焊接系统适应性差，效率低下，稳定性低的问题，在增强了系统适应性同时又效的提高了工作效率。参数采集模块隔离并提供当前焊接的电流、电压由焊接专家系统根据遗传算法分析出当前焊接状态，在由PID结合实际反馈对行走做出调节。当干身变长的时候电压变小，加快行走速度，加速小车提升速实现干身调节；当干身变短时，电压变大，行走速度减慢，小车行走相对焊接液面降低。实现焊接的稳定，和针对破口的变化进行制动调节。利用对小车的控制实现干身的自动调节，增大系统的调节能力。系统自动将焊接数据处理，将小车的提升速率和小车的稳定系数提取和系统现有经典参数对比，如果系能比经典参数差即丢弃参数，如果性能强于现在经典参数，将实现末尾淘汰将淘汰数据覆盖。结果表明，系统具有较强的动态响应能力和自我进化、调节能力，很好的适应了现场复杂的作业环境。
图1是本发明实施例所述的基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统的结构框 图2是本发明实施例所述的基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统的干生自适应调节模块的流程 图3是本发明实施例所述的基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统的流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的最佳实施方案作进一步的详细的描述。如图1所示，本发明实施例所述的基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统，包含行走电机模块，摆动控制模块，送丝控制，中央处理控制模块，焊机控制模块，参数检查模块，电源模块，干生自适应调节模块。行走电机模块:本模块是由中央处理控制给出速度信号，由驱动器33035实现将速度信号转换为脉冲占空比信号实现对霍尔无刷之流电机的速度驱动输出，在有33039将电机速度信号转换成电压信号参与33035的占空比给定计算，形成一个闭环反馈电路，保证行走电机的电气特性。并反馈给中央处理控制一个电机旋速频率脉冲，实现一个二级反馈，增加行走电机模块的精度和稳定性。摆动控制模块:摆动参数由液晶界面设置后存入中央处理控制RAM中，在控制中由中央处理控制发送给协处理器，由协处理器控制驱动电路完成动作。本设计能完成3组摆动数据的存储和给定。数据包括摆动幅度、摆动频率、摆动的正面停留和反面停留时间。本设计摆动幅度的范围(T50CM，摆动频率的范围(TlOOHz，正面停留和反面停留的调节范围(T5s.通过焊接中对摆动参数的实时调节来保证熔池的覆盖面和能量输出，确保精确控制焊接质量。中央处理控制模块:作为整个系统的大脑，其重要性是不言而喻的。本系统采用的Microchip公司的PIC18F87K90，该处理器2个增强型可寻址USART模块，支持LIN/J2602,自动波特率检测，具有24路通道的12位A/D转换器，具有自动采集和休眠操作模式。
送丝控制:本模块是中央处理控制提供送丝速度，由驱动器通过放大再将信号给gs3525将速度信号转变为脉冲信号通过mos管放大驱动电机，以电机电压负反馈电流正反馈模式作为电机稳速方式参与gs3525前级给定运算。并通过编码器返回电机转动速度的脉冲信号，中央处理控制通过CCP捕捉计算出电机转速，并将其与给定转速进行比较进行矫正。焊机控制模块:本设计焊接电源采用的是熊谷加世电器公司D7-800，配备有远端控制接口。通过中央处理控制通过485发送指令给焊接控制模块，焊接控制器通过光耦进行隔离后，经DA转换后输出给定焊接电压，通过信号分离控制焊接起弧等。干生自适应调节模块:气电立焊是一种重要的垂直位置焊接方法，其焊接质量受焊接电弧长度的影响较大，必须对其弧长进行控制。研究其焊接过程中弧长变化，建立了焊接小车和滑块为基础的二级联动弧长控制系统；利用滑块的动态响应能力强、精度高的特点实现弧长的快速、高精度控制；利用对小车的控制实现滑块的自动归中，增大系统的调节能力。本发明通过Pic87k90基于遗传算法PID来实现。结果表明，系统具有较强的抗干扰能力、动态响应能力和自我调节能力。如图2所述干生自适应调节模块的工作流程为:
步骤一:采集焊接输入电流、电压。在初始化种群数据库中选择组对应PID参数，先将参数存储在SUF中。步骤二:将选定的2组PID参数随机交换部分基因，来构造下一代的2条新的染色体。步骤三:构造完成以后，对数据进行随机变异。步骤四:构造完成以后判断是否在合理范围，如果不在范围内直接调用经典参数，如果在范围内将参数传递给PID模块。步骤五:将采集的数据进行PID运算，将运算结果给驱动机构，由驱动部分直接控制执行机构完成动作。步骤六:当焊接完成以后，系统自动将焊接数据处理将小车的提升速率和小车的稳定系数提取和系统现有参数对比，如果系能比经典参数差即丢弃参数，如果性能强于现在经典参数，将实现末尾淘汰将淘汰数据覆盖。如图3所示，所述基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统其工作流程为: 步骤一:首先对调用vint函数。初始化PLL、eprom、watchdog等,对端口进行输入输
出配置，并根据功能赋予初值。再对寄存器进行配置，
SPI寄存器配置
主同步串行端口(MSSP)模块是用于同D/A转换器数据传输。每个MSSP模块都有3个相关的控制寄存器。其中包括一个状态寄存器(SSPxSTAT)和两个控制寄存器(SSPxCONl和SSPxC0N2)。通过控制这3个寄存器来实现对spi的配置SPI的所有四种模式。USART寄存器配置
主要是用于上位机和适配器的通讯，发送相关的指令和传输数据。由三个寄存器来控制，发送状态和控制寄存器(TXSTAx)接收状态和控制寄存器(RCSTAx)波特率控制寄存器(BaUDCONx)0本发明采用经典的115200bps波特率，传输数据率高，稳定性强。并采用了crc校验，提高了数据的抗干扰能力，保证了数据的可靠性。
Adc寄存器配置
此模块能将一个模拟输入信号转换成相应的12位有符号数字信号。ADCONO寄存器控制A/D模块的工作。ADCONl寄存器配置参考电压和特殊事件触发信号选择。ADC0N2寄存器配置A/D时钟源、可编程采集时间和输出结果的对齐方式。ECCP寄存器配置
本发明使用的eccp模块的捕捉功能。每个捕捉模块均有一个控制寄存器CCPxCON和一个数据寄存器CCPRx相关联。每个CCP模块都有一个16位寄存器，它可以用作16位捕捉寄存器，精度可达到ns级。步骤二:配置完成以后，初始化遗传模块。通过对eprom的数据进行读入存储，作为种群的基础数据库。步骤三:完成液晶的初始化，启动人机交互界面，便于用户操作。等待用户操作指令。步骤四:当有键按下时，判断按键值，命令值为摆动命令时，驱动摆动模块，调整焊枪位置。按键值为点动送丝命令时，中央处理器将要发送数据传输到缓存中，应用CRC检验算法对数据进行编码，并将生产的监督码添加在数据后面。通过USART端口将数据发送给适配器一，在由适配器一将传输的数据解码并将需求数据提取出来，通过数模转化将数据转换成模拟信号发送给送丝驱动实现要求动作(详见送丝控制)。命令值为快速行走时驱动行走电机模块实现小车位置调整(详见行走电机模块)。命令值为焊接时，进入步骤五。步骤五:确认命令值为焊接后，判断焊接标识为手动焊接进入步骤六；判断焊接标识为自动焊接进入步骤七。步骤六:通过AD采集模块采集焊接参数电流、电压、行走速度。首先执行通过适配器二控制气流控制系统提前送气排除空气，执行完后在由中央处理器通过USART模块发出焊接命令给适配器一和适配器二，由适配器二控制焊接控制模块启动焊接并按照要求输出(详见焊接控制)并控制水冷系统开始循环输送。在由适配器一控制送丝模块开始按要求进丝(详见送丝模块)。完成以上工作后，启动参数检测模块对参数进行采集判断是否启弧成功，如果失败立即停止焊接并从液晶显示输出焊接错误，如果启弧成功将采集参数反馈给中央处理器模块并实时监测焊接状态。中央处理器将数据处理后显示在液晶显示面板上以供操作者参考，启动开始行走，提升液面。步骤七:当判断为自动焊接后，采集焊接输入电流、电压。在初始化种群数据库中选择组对应PID参数，先将参数存储在SUF中，2组PID参数随机交换部分基因，来构造下一代的2条新的染色体。构造完成以后判断是否在合理范围，如果不在范围内直接调用经典参数，如果在范围内将参数传递给干身自适应调节模块。由干身自适应调节模块来控制行走执行机构PID结合参数检测模块实际反馈对行走做出调节。当干身变长的时候电压变小，加快行走速度，加速小车提升速实现干身调节；当干身变短时，电压变大，行走速度减慢，小车行走相对焊接液面降低。实现焊接的稳定，和针对破口的变化进行制动调节。利用对小车的控制实现干身的自动调节，增大系统的调节能力。
当焊接完成以后，系统自动将焊接数据处理将小车的提升速率和小车的稳定系数提取和系统现有经典参数对比，如果系能比经典参数差即丢弃参数，如果性能强于现在经典参数，将实现末尾淘汰将淘汰数据覆盖。术语解释:
PID:目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator),其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ContoolNet相连,如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器,如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与ContoolNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。遗传算法(Genetic Algorithm):是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。其主要特点是直接对结构对象进行操作，不存在求导和函数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力；采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的规则。在运用遗传算法对PID参数寻优的个体评价过程中，许多个体所对应的参数都可能使实际过程系统失控，这在应用中是不能接受的，因此采用的是基于模型的PID控制器参数优化，对过程不产生任何影响；同时优化是基于模型，对模型响应的评价大大加快，可以在较短的时间得到最优化结果。本具体实施方式
只本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，具体各项权利保护范围由权利要求书限定。
权利要求
1.一种基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统，其特征在于:包括行走电机模块、摆动控制模块、中央处理控制模块、送丝控制模块、焊机控制模块，干生自适应调节模块检查模块、电源模块、气流量控制模块、水冷系统； 所述干生自适应调节模块的工作流程为:通过焊接过程中弧长变化，建立了焊接小车和滑块为基础的二级联动弧长控制系统；利用滑块的动态响应能力强、精度高的特点实现弧长的快速、高精度控制；利用对小车的控制实现滑块的自动归中，增大系统的调节能力；所述行走电机模块的工作流程为:由中央处理控制模块给出速度信号，由驱动器实现将速度信号转换为脉冲占空比信号实现对霍尔无刷之流电机的速度驱动输出，再将电机速度信号转换成电压信号参与占空比给定计算，形成一个闭环反馈电路，保证行走电机的电气特性；并反馈给中央处理控制模块一个电机旋速频率脉冲，实现二级反馈，增加行走电机模块的精度和稳定性； 所述摆动控制模块的工作流程为:摆动参数由液晶界面设置后存入中央处理控制模块的RAM中，在控制中由中央 处理控制模块的USART模块发送给协处理器，由协处理器的对指令进行编译转换成具体的动作，来控制驱动电路实现摆动的工作； 所述送丝控制模块的工作流程为:中央处理控制模块提供送丝速度，由驱动器通过放大再将速度信号转变为脉冲信号并传送到驱动电机，以电机电压负反馈电流正反馈模式作为电机稳速方式参与前级给定运算；并通过编码器返回电机转动速度的脉冲信号，中央处理控制模块通过CCP捕捉计算出电机转速，并将其与给定转速进行比较进行矫正； 所述中央处理控制模块:该处理器具有2个增强型可寻址USART模块，具有24路通道的12位A/D转换器，具有自动采集和休眠操作模式； 所述焊机控制模块:通过中央处理控制模块发送指令给焊接控制模块，焊接控制模块通过光耦进行隔离后，经DA转换后输出给定焊接电压，通过信号分离控制焊接起弧。
2.根据权利要求1所述的基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统，其特征在于:操作过程为: 步骤一:首先对调用vint函数,初始化PLL、eprom、watchdog等,对端口进行输入输出配置，并根据功能赋予初值，再对寄存器进行配置； 步骤二:配置完成以后，初始化遗传模块，通过对eprom的数据进行读入存储，作为种群的基础数据库； 步骤三:完成液晶的初始化，启动人机交互界面，便于用户操作；等待用户操作指令； 步骤四:当有键按下时，判断命令值； 步骤五:确认命令值为焊接后，判断焊接标识为手动焊接进行手动焊接；判断焊接标识为自动焊接进行自动焊接； 步骤六:手动焊接:通过AD采集模块采集焊接参数电流、电压、行走速度，首先执行通过适配器二控制气流控制系统提前送气排除空气，执行完后在由中央处理控制模块通过USART模块发出焊接命令给适配器一和适配器二，由适配器二控制焊接控制模块启动焊接并按照要求输出，并控制水冷系统开始循环输送；在由适配器一控制送丝模块开始按要求进丝; 步骤七:自动焊接:采集焊接输入电流、电压，在初始化种群数据库中选择组对应PID参数，先将参数存储在SUF中，2组PID参数随机交换部分基因，来构造下一代的2条新的染色体，构造完成以后判断是否在合理范围，如果不在范围内直接调用与输入电流、电压匹配的PID参数，如果在范围内将参数传递给干身自适应调节模块，由干身自适应调节模块来控制行走执行机构PID结合参数检测模块实际反馈对行走做出调节，当干身变长的时候电压变小，加快行走速度，加速小车提升速实现干身调节； 当焊接完成以后，系统自动将焊接数据处理将小车的提升速率和小车的稳定系数提取和系统现有经典参数对比，如果系能比经典参数差即丢弃参数，如果性能强于现在经典参数，将实现末尾淘汰将淘汰数据覆盖。
3.根据权利要求2所述的基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统，其特征在于:所述命令值为摆动命令时，驱动摆动模块，调整焊枪位置； 命令值为点动送丝命令时，中央处理控制模块将要发送数据传输到缓存中，应用CRC检验算法对数据进行编码，首先将数据左移R位，相当与对应的信息多项式C(x) *2的R次方，用生成多项式对信息码做除，得到R位的余数，将余数拼到信息码左移后空出的位置，得到完整的CRC码；通过USART端口将数据发送给适配器一，在由适配器一将传输的数据解码并将需求数据提取出来，通过数模转化将数据转换成模拟信号发送给送丝控制模块实现要求动作； 命令值为快速行走时驱动行走电机模块实现小车位置调整。
4.根据权利要求2所述的基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统，其特征在于:所述步骤六中:完成以上工作后，启动参数检测模块对参数进行采集判断是否启弧成功，如果失败立即停止焊接并从液晶显示输出焊接错误，如果启弧成功将采集参数反馈给中央处理控制模块，并实时监测焊接状态；中央处理器将数据处理后显示在液晶显示面板上以供操作者参考，启动 开始行走，提升液面。
全文摘要
本发明公开了一种基于遗传算法的自进化PID气电立焊焊接系统，包括行走电机模块、摆动控制模块、中央处理控制模块、送丝控制模块、焊机控制模块，干生自适应调节模块检查模块、电源模块、气流量控制模块、水冷系统。能实现气电立小车的自动行走，自动控制干身长，以及自动进化；适应性非常广泛，适合各种类型、各种环境的焊接要求。
文档编号B23K9/12GK103203528SQ201210012420
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者魏建军, 李荣东 申请人:成都熊谷加世电器有限公司