激光--等离子复合焊接模糊PID控制系统研究

摘要

激光—等离子复合焊接是一种高效、节能的先进焊接连接技术，具有很大的应用前景，目前已经引起国内外许多研究人员的高度重视。激光—等离子复合焊是将激光与等离子两种焊接技术相互结合，在很大程度上克服了两者单独使用的缺陷，又保留其相应的焊接优势，整体上提高了能量的利用率、焊接的有效能量和高速焊接，为的高质量自动化焊接提供了有力的保证。激光—等离子复合焊接的焊接过程是一个复杂的工业过程，其控制系统是一个复杂的非线性系统，较难准确建立相应的数学模型。因此采用传统的控制算法难以达到满意的焊接效果，智能模糊控制算法不需要清晰的数学模型，依据多年的大量焊接经验以及模糊控制规则，通过经验法来建立模糊控制器，最终建立一套控制系统。为保证提高焊接质量开辟了一条新途径。 本文对于模糊控制器的设计需要建立数学模型和控制系统的整体设计也需要建立相应的硬件平台。对于具体数学模型参数的获得主要是通过图像处理和实际测量，根据获得的数学模型，通过大量仿真调试获得大量数据，建立由有效的模糊规则、模糊推理语句等组成的模糊控制器;之后对于模糊控制器采用MATLAB的simulink模块进行仿真，验证控制器的可行性。硬件平台的搭建基于已经建立完善的KUKA机器人系统和焊接电源系统来实现对KUKA机器人、焊接电源、激光焊接机的通讯连接，通过与西门子PLC S300为核心的控制系统结合，以焊接熔池为被控对象、焊接熔池温度为被控变量、焊接速度为控制变量等实现对7075型铝合金板子焊接的控制;最终建立一套完整的合理的模糊控制系统。 焊接实验母材为7075型铝合金，由于其具有良好的焊接特性与机械特性等，被广泛应用于当今各个领域，尤其是在航空领域。工业领域的具体应用要求对于铝合金焊接提出了更高的焊接质量要求，需要建立一套高效的、高精度的控制系统。采用传统PID控制系统和模糊PID控制系统对7075型铝合金进行焊接对比实验对焊接接头进行外部检测与内部检测。外部检测主要是观察焊接接头是否有明显的外观缺陷等，内部检测主要运用扫描电子显微镜、显微硬度计、拉伸试验机和材料弯曲试验机来分别检测其焊接接头的内部组织结构、硬度分布、拉伸强度、弯曲强度等来分析评价传统PID控制系统和模糊PID控制系统对7075型铝合金的焊接效果。 实验结果表明，激光—等离子复合焊接模糊PID控制系统的仿真与实际焊接结果有较好的一致性，验证了建立数学模型的相对准确性，其控制系统适应焊接现场的条件需求。通过焊接接头的质量检测分析评价，得出了模糊PID控制系统明显优于传统的PID控制系统，满足高质量焊接的控制要求。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1．1激光与等离子概念

1．1．2激光—等离子复合焊接

1．1．3复合焊接在铝合金焊接中的应用

1．2国内外研究现状与背景

1．3本课题研究目的及意义

1．4本课题主要任务

第2章激光—等离子复合焊接控制系统

2．1模糊PID控制系统总体框图

2．2复合焊接熔池的控制

2．2．1激光—等离子复合焊接熔池

2．2．2激光—等离子复合焊接控制策略

2．3激光—等离子复合焊接数学模型的建立

2．3．1数学模型来源

2．3．2泪滴状熔池模型

2．4本章小结

第3章激光—等离子复合焊接模糊控制器设计

3．1传统PID控制器

3．1．1位置式PID控制算法

3．1．2增量式PID控制算法

3．2模糊控制

3．2．1模糊控制简介

3．2．2模糊控制的结构

3．3模糊PID控制器的设计

3．3．1模糊PID控制器结构

3．3．2自整定设计思想

3．3．3尺度转换因子的作用

3．3．4模糊PID算法的实现

3．4本章小结

第4章模糊控制系统仿真及其实现

4．1复合焊接模糊控制器推理系统的建立

4．1．1构建模糊推理系统

4．1．2模糊推理系统的调试

4．2复合焊接模糊PID控制器的仿真

4．3本章小结

第5章工艺实验与分析

5．1焊接系统硬件平台的搭建

5．2上位机界面设计

5．2．1上位机界面及功能介绍

5．3上位机与下位机通讯协议

5．3．1上位机与PLC通讯

5．3．2上位机与焊接机Modbus串口通讯

5．4焊接工艺的确定

5．4．1焊接母材相关参数

5．4．2焊接工艺参数

5．5两种控制策略下的工艺试验

5．5．1工艺试验

5．5．2焊接质量检测实验

5．6本章小结

6．1总结

6．2展望

参考文献

致谢