专利名称：双层卷焊管焊接过程控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种双层卷焊管焊接过程控制系统及其控制方法，属于焊管焊接技术及其控制方法技术领域。
背景技术：
双层卷焊管被广泛应用于汽车、家电等领域，90年代我国开始从国外引进了双层卷焊管生产线，使产品质量有所提高，但由于进口设备价格昂贵、维修成本较高，所以国内绝大多数厂家对焊接过程的主要工艺参数还是依靠操作人员的经验去进行控制，难以实现工艺参数的优化，焊管的焊接质量难以保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、控制精度高的双层卷焊管焊接过程控制系统及其控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案技术方案一双层卷焊管焊接过程控制系统本控制系统由温度检测设备、高速光隔离A/D板、工业计算机及其外围设备、高速光隔离D/A板、执行机构组成；温度检测设备的输出端接高速光隔离A/D板的输入端，高速光隔离A/D板通过总线与工业计算机相连接，工业计算机的输出端经高速光隔离D/A板接执行机构的输入端。
所述的温度检测设备采用光纤红外比色测温系统；光纤红外比色测温系统安装在右电极轮处与焊管垂直的水平位置上，距焊管20-50cm处。
所述执行机构采用可控硅调压器。
技术方案二双层卷焊管焊接过程控制方法本控制方法基于具有分级结构的模糊自适应控制算法，所述的分级结构即将整个控制系统分为三级控制结构(1)基本模糊控制级。为了满足系统实时控制要求，基本模糊控制级采用模糊逻辑控制方式。(2)自适应调整级。为了适应被控系统参数时变情况，采用自适应控制方式，定时在线调整模糊控制器参数。(3)过程状态判级别。为了克服过程状态变化(或不同实际工况)的影响，提高控制系统的鲁棒性能，将过程状态判断作为辅助输入量，根据系统所处过程状态，采用相应的模糊控制器参数集。
本发明的具体方法步骤如下一、输入步骤把下列参数输入工业计算机中焊管的规格即横截面积、焊接温度期望值、采用所选择的模糊规则库、模糊论域的范围；二、数据采集步骤由工业计算机实时采集由温度检测设备所测的钎焊温度；三、计算步骤通过装有具有分级结构的模糊自适应算法的工业计算机完成以下计算步骤(1)基本模糊控制级a.计算出系统的误差e及误差变化率△e；b.将系统的误差e及误差变化率△e通过尺度变换到各自的论域范围；c.将已变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量；d.通过模糊推理计算控制量u的模糊值；e.控制量u的确定首先通过加权平均法得到控制量u在论域中的值z0；然后通过尺度变换将z0变为实际的控制量u输出；(2)自适应调整级当上述控制量u输出不满足控制要求时，采用调整隶属度输出值法进行自适应调整，然后进入上述(1)步中的d项，最终修正控制量u的输出值；(3)过程状态判断级当系统工况发生较大变化时，如焊管规格发生变化，由工业计算机判断所发生的变化，并自动选择模糊控制规则库来适应这种变化；四、执行步骤控制量u通过执行机构控制加至位于焊管上的两电极间的电压，从而达到控制钎焊温度。
所述的温度检测设备采用光纤红外比色测温系统；光纤红外比色测温系统安装在右电极轮处与焊管垂直的水平位置上，距焊管20-50cm处。
所述的执行机构采用可控硅调压器。
本发明的有益效果是其控制系统结构简单、成本较低。由于其控制方法采用了具有分级结构的模糊自适应控制方法，大大提高了控制系统的控制精度，从而提高了焊管的焊接质量。
本发明所述焊管焊接过程机理分析如下当假设焊接过程涉及到的全部参量，如管筒横截面积、钎焊速度、电流、电压、电极接触电阻等均不随时间而改变，因而沿两电极间管筒的温度分布是不变的，钎焊过程是一个稳态过程。
本发明针对焊管焊接过程这一滞后时间小、响应速度快的非线性过程进行了分析，采用电阻直热式加热方案(参见图2)。
当焊管由电极1处以速度v经过电极2时，两电极间的焊管通过电极与电源构成回路，管子有电流产生。管子本身具有电阻，由焦耳定律可知，电流流经时有热量产生。采用低电压、大电流的方式，使管子在运行过程中被快速加热，达到所要求的温度。
焊接过程温度分布函数T={[1+α×(t1-20)]×exp(I2×ρ0×αρ1×c×v×F2×L)+(20×α-1)}α]]>式中T-电极2处管的温度，也即要控制的预热温度，℃；t1-电极1处的温度，℃；I-预热电流，A；L-两电极间的距离，m；v-管运行速度，m/s；c-管材比热，J/kg·℃；F-管壁横断面积，mm2；
α-管材电阻温度系数，℃-1；ρ0-20℃时的电阻率，Ω·m；ρ1-管材质量密度，kg/m
图1为本发明的控制系统的结构示意图。
图2为采用电阻直热式加热方案的原理示意图。
图3为钎焊过程模糊自适应控制原理图。
图4为本发明的软件流程图。
具体实施例方式
本发明控制系统的实施例如图1所示，它由温度检测设备、高速光隔离A/D板、工业计算机及其外围设备、高速光隔离D/A板、执行机构组成；温度检测设备的输出端接高速光隔离A/D板的输入端，高速光隔离A/D板通过总线与工业计算机相连接，工业计算机的输出端经高速光隔离D/A板接执行机构的输入端。
所述的温度检测设备采用光纤红外比色测温系统(型号为FR1B)；光纤红外比色测温系统安装在右电极轮处(电极2处，见图2)与焊管垂直的水平位置上，距焊管20-50cm处。
所述执行机构采用可控硅调压器。
本发明控制方法的实施例包括以下四个步骤一、输入步骤把下列参数输入工业计算机中焊管的规格即横截面积、焊接温度期望值、采用所选择的模糊规则库、模糊论域的范围；二、数据采集步骤由工业计算机实时采集由温度检测设备所测的钎焊温度；三、计算步骤通过装有具有分级结构的模糊自适应算法的工业计算机完成以下计算步骤
(1)基本模糊控制级a.计算出系统的误差e及误差变化率△ee＝r-yΔe＝de/dt＝e(i)-e(i-1)/T其中T为系统的控制周期，r为氩钎焊温度设定值，y为温度检测设备所检测的实际温度值，e(i)为第i时刻的误差，e(i-1)为第i-1时刻的误差；b.将系统的误差e及误差变化率△e通过尺度变换到各自的论域范围，其通用公式为x0=xmin+xmax2+kI(x0*-x*min+x*max2)]]>kI=xmax-xminx*max-x*min]]>其中，kI称为比例因子x0为实际的输入量xmin*，xmax*为x0*变化范围[xmin，xmax]为要求的论域范围；c.将已变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，采用如下的铃形隶属函数μA(x)=e(x-x0)22σ2]]>其中x0为隶属度函数的中心值，σ2为方差；d.通过模糊推理计算控制量u的模糊值，模糊推理采用下述公式 其中，A1′为代表误差e的语言变量值A2′为代表误差变化率Δe的语言变量值∪i=1nRi]]>为根据控制规则库得到的模糊蕴含关系
B′为代表控制量u的语言变量值；e.控制量u的确定通过加权平均法获得控制量u在论域中的值z0z0=df(z)=∫abzμB′(z)dz∫abμB′(z)]]>通过尺度变换将z0变为实际的控制量u输出u=umin+umax2+kO(z0-zmin+zmax2)]]>kO=umax-uminzmax-zmin]]>其中，kO称为输出比例因子[zmin，zmax]为z0的论域范围[umin，umax]为输出量的变化范围；(2)自适应调整级当上述控制量u输出不满足控制要求时，采用调整隶属度输出值法进行自适应调整，然后进入上述(1)步中的d项，最终修正控制量u的输出值；这里采用的是调整隶属度输出值法的自适应调整，属于直接模糊自适应控制u＝uc(x|θ)+uD其中uc(x|θ)为uc(x|θ)=[Σl=1My‾1|Πi=1nμFi′(xi)|]/[Σl=1M|Πi=1nμFi′(xi)|]]]>其中 为第l条规则中状态xi对模糊子集Fi′的隶属度，n为状态个数，M为规则数， 为第l条规则中结论隶属度为1对应的输出值；将 当成可调参数，上式可以写为
uc(x|θ)=θTξ(x),ξ1(x)=Πi=1nμFi′(xi)Σl=1M|Πi=1nμFi′(xi)|]]>其中θ=(y‾1,···,y‾M)T]]>是参数向量，ξ(x)＝(ξ1(x)，…，ξM(x))T是回归向量，而ξ1(x)称为模糊基函数；uD＝kdsgn(eTPbc)为D控制，kd≥0，bc＝
T，如果eTPbc＞0，则uD＝kd，如果eTPbc＜0，则uD＝-kd；参数向量θ的自适应律取为 其中Pr[*]定义为Pr=[γeTPnξ(x)]=γeTpnξ(x)-γeTPnθθTξ(x)|θ|2]]>Pn为P最后一列，|θ|≤Mθ＜∞，Mθ为θ向量的有限上界；P为一个正定矩阵且满足Lyapunov方程ΛTP+PΛ＝-Q，式中Q是n×n的任意正定矩阵；Λ=010···0001···0···············-kn-kn-1-kn-2···-k1;]]>(3)过程状态判断级当系统工况发生较大变化时，如焊管规格发生变化，由工业计算机判断所发生的变化，并自动选择模糊控制规则库来适应这种变化；四、执行步骤控制量u通过执行机构控制加至位于焊管上的两电极间的电压，从而达到控制钎焊温度。
所述的温度检测设备采用光纤红外比色测温系统(型号为FR1B)；光纤红外比色测温系统安装在右电极轮处(电极2处，见图2)与焊管垂直的水平位置上，距焊管20-50cm处。
所述的执行机构采用可控硅调压器。
权利要求
1.双层卷焊管焊接过程控制系统，其特征在于它由温度检测设备、高速光隔离A/D板、工业计算机及其外围设备、高速光隔离D/A板、执行机构组成；温度检测设备的输出端接高速光隔离A/D板的输入端，高速光隔离A/D板通过总线与工业计算机相连接，工业计算机的输出端经高速光隔离D/A板接执行机构的输入端。
2.根据权利要求1所述的双层卷焊管焊接过程控制系统，其特征在于所述的的温度检测设备采用光纤红外比色测温系统；光纤红外比色测温系统安装在右电极轮处与焊管垂直的水平位置上，距焊管20-50cm处。
3.根据权利要求2所述的双层卷焊管焊接过程控制系统，其特征在于所述执行机构采用可控硅调压器。
4.双层卷焊管焊接过程控制方法，其特征在于一、输入步骤把下列参数输入工业计算机中焊管的规格即横截面积、焊接温度期望值、采用所选择的模糊规则库、模糊论域的范围；二、数据采集步骤由工业计算机实时采集由温度检测设备所测的钎焊温度；三、计算步骤通过装有具有分级结构的模糊自适应算法的工业计算机完成以下计算步骤(1)基本模糊控制级a.计算出系统的误差e及误差变化率Δe；b.将系统的误差e及误差变化率Δe通过尺度变换到各自的论域范围；c.将已变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量；d.通过模糊推理计算控制量u的模糊值；e.控制量u的确定首先通过加权平均法得到控制量u在论域中的值z0；然后通过尺度变换将z0变为实际的控制量u输出；(2)自适应调整级当上述控制量u输出不满足控制要求时，采用调整隶属度输出值法进行自适应调整，然后进入上述(1)步中的d项，最终修正控制量u的输出值；(3)过程状态判断级当系统工况发生较大变化时，如焊管规格发生变化，由工业计算机判断所发生的变化，并自动选择模糊控制规则库来适应这种变化；四、执行步骤控制量u通过执行机构控制加至位于焊管上的两电极间的电压，从而达到控制钎焊温度。
5.根据权利要求4所述的双层卷焊管焊接过程控制方法，其特征在于所述的温度检测设备采用光纤红外比色测温系统；光纤红外比色测温系统安装在右电极轮处与焊管垂直的水平位置上，距焊管20-50cm处。
6.根据权利要求5所述的双层卷焊管焊接过程控制方法，其特征在于所述的执行机构采用可控硅调压器。
全文摘要
本发明涉及一种双层卷焊管焊接过程控制系统及其控制方法，其控制系统由温度检测设备、高速光隔离A/D板、工业计算机及其外围设备、高速光隔离D/A板、执行机构组成。其控制方法基于具有分级结构的模糊自适应控制方法。本发明的有益效果是其控制系统结构简单、成本较低；控制系统的控制精度得到了较大的提高，从而提高了焊管的焊接质量。
文档编号G05B19/418GK101021718SQ20061010215
公开日2007年8月22日 申请日期2006年11月14日 优先权日2006年11月14日
发明者吴学礼, 贾辉然, 陆向辉, 李平, 孟凡华, 甄然 申请人:河北科技大学