高速埋弧焊过程控制及其电弧信号的小波分析

摘要

双丝埋弧焊由于其优越的工艺性能,被愈来愈多的大型企业作为实现自动焊接的主要方法之一。然而,目前还没有国产的计算机控制的双丝埋弧焊的成套设备。本文在基于国家自然科学基金项目和广东省科技计划攻关项目的资助下,提出了基于分布式控制和专家系统的双丝埋弧自动焊接平台解决方案。 能否实现高质量埋弧焊接,关键在于系统能否实现对焊接电流、焊接电压及焊接速度的精确控制。本文首次提出将模糊模型的万能逼近理论应用于弧压控制,从理论上证明了采用模糊模型的控制器并不粗糙,而且可以达到很高的控制精度。本文指出电弧电压就是一个非线性对象,不适合采用传统的控制方法对其进行控制,在采用变速送丝的弧压控制系统的基础上,首次将模糊模型的万能逼近理论应用于弧压的精确控制。模糊模型作为万能逼近器的充分条件,解决了控制精度与系统复杂度之间的平衡问题,避免了为提高控制精度而盲目增加模糊变量的模糊子集数而带来的“规则爆炸”的弊端。模糊变量较小的模糊子集数,意味着更简单的算法、更小的系统规模、更快的系统运行速度和动态响应。 为了验证自适应模糊PID控制器对非线性对象的逼近能力,本文应用MATLAB软件对其进行了仿真,给出了自适应模糊PID控制器的阶跃响应曲线、控制误差曲线、控制器的输出曲线、自适应模糊PID控制器参数kp、ki、kd的自适应整定过程曲线。仿真结果表明,基于自适应模糊模型的控制策略,完全可以实现了埋弧焊弧压的精确控制。 根据埋弧焊的特点,本文提出了一种新的埋弧焊缝在线检测方法,即小波变换法,较好地解决了常规探测技术无法在线检测埋弧焊焊缝的问题。运用小波信号的分解与重建理论,电弧信号中的噪声信号被滤除,原始电弧信号被较好地还原了。小波变换的数学显微镜优势被充分利用于焊缝局部特征的在线分析。通过焊缝质量分析,发现焊缝成形良好的关键因素是维持焊缝线能量的稳定。在恒流特性电源加变速送丝的埋弧焊过程中,弧压是影响焊缝线能量稳定的关键因素,并提出了焊缝线能量稳定公式。 运用分布式控制设计思想,设计了双丝埋弧自动焊接系统的硬件平台,选用了PLC作为上位机与下位机之间的接口电路。各数字量和模拟量均采用了隔离措施,提高了系统的抗干扰能力。系统实现了最大直流单电弧电流1200A,交流方波电弧1100A,焊接速度超过了2m/min,达到了同类技术的先进水平,实现了高效焊接的目的。实验结果表明,利用本文建立起来的双丝埋弧焊接系统,运行过程稳定,有效地避免电弧的磁偏吹现象,同时焊缝成形良好,并可大大提高生产效率。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1本课题的学术背景

1.2高速埋弧焊逆变器的研究现状

1.2.1高速埋弧焊逆变器的功率器件

1.2.2高速埋弧焊逆变器的磁性材料

1.2.3高速埋弧焊逆变器的研究现状

1.3高速埋弧焊接系统控制策略的研究现状

1.4双丝高速埋弧焊的研究现状

1.5目前双丝高速埋弧焊研究存在的问题

1.6课题的来源以及主要研究内容

第二章 高速埋弧焊逆变器的理论模型

2.1高速埋弧焊逆变器的理论模型

2.1.1高速埋弧焊逆变器主电路的等效电路

2.1.2高速埋弧焊逆变器主电路的状态空间方程

2.2埋弧焊逆变器的动态特性仿真

2.3本章小结

第三章 双丝埋弧焊热源模型及仿真分析

3.1双丝埋弧焊热源模型

3.1.1高斯热源模型

3.1.2双椭圆高斯热源模型

3.1.3埋弧焊双丝双椭圆高斯热源模型

3.1.4双丝双椭圆高斯模型热流三维分布图

3.2双丝埋弧焊温度场的数值仿真分析

3.3本章小结

第四章高速埋弧焊的模糊控制策略

4.1埋弧焊变速送丝弧长模糊控制原理

4.1.1电弧的负载模型

4.1.2埋弧焊弧长模糊控制原理

4.1.3埋弧焊弧压采样电路

4.1.4埋弧焊送丝驱动电路

4.2埋弧焊模糊控制精度分析

4.2.1模糊模型的万能逼近特性

4.2.2模糊模型作为万能逼近器的充分条件

4.2.3埋弧焊模糊控制器的精度分析

4.3埋弧焊模糊控制的仿真分析

4.3.1 PID控制器的数字化

4.3.2埋弧焊自适应模糊PID控制的仿真分析

4.4本章小结

第五章 双丝埋弧自动焊接系统总体方案

5.1双丝埋弧自动焊接系统的构建

5.1.1双丝埋弧焊接系统方案

5.1.2双丝埋弧焊线性隔离电路

5.2双丝埋弧焊交流方波逆变器

5.3双丝埋弧焊逆变器动态特性分析

5.3.1逆变器动态特性测试平台

5.3.2直流埋弧焊逆变器动态特性分析

5.3.3交流埋弧焊逆变器动态特性分析

5.4本章小结

第六章双丝埋弧焊电弧信号的小波分析

6.1常规传感技术对埋弧焊电弧信号检测的不足

6.2埋弧焊电弧信号处理的理论基础

6.2.1传统信号处理理论的不足

6.2.2小波分析在信号处理上的优势

6.2.3常用小波

6.2.4电弧信号的小波分解与重构

6.3埋弧焊电弧信号的小波分析

6.3.1焊接电弧动态小波分析仪

6.3.2平稳电弧信号的小波分析

6.3.3突变电弧信号的小波分析

6.3.4有缺陷的电弧信号的小波分析

6.4本章小结

第七章 双丝大功率高速埋弧焊工艺实验

7.1单丝直流埋弧焊实验

7.2单丝交流埋弧焊实验

7.3双丝埋弧焊实验

7.4上坡双丝埋弧焊实验

7.5双丝大功率高速埋弧焊工艺实验

7.5.1大功率交直流埋弧焊逆变器性能测试

7.5.2大功率高速交流方波埋弧焊实验

7.5.3大功率直流埋弧焊实验

7.5.4双丝大功率高速埋弧焊实验

7.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢