1、用于熔化極氣體保護焊對接接頭焊縫跟蹤的自組織模糊控制電弧傳感器氣體住礦 . 坪建釀孺壤 , 艨捌才茅 l1994年 9月 15日出版'國外金屬加 -r1994 年第 5期 用于熔化極氣體保護焊對接接頭焊縫跟蹤 的自組織模糊控制電弧傳感器、八 、前言J.w.KIMs.J.NAK,W 譯陳苴平校一下 _自 u.7 近來, 由于人工智能引入自動控毒 i, 基于 模糊規則的控翻系統已在復雜過程控制中得 到了成功的應用 . 電弧焊過程復雜 , 并具有非 線性特性 , 如移動分布型熱漂 , 電流 l 路徑及金 屬傳輸等 , 故難于導出精確的數學模型 由于 模I睜I規則控制囂可以容易地從不能表達成鼓

2、 學形式的人工經驗中獲得推斷規則 ,所以, 采 甩模翱控制系統設計適合該過程的有效控制 舞. 剮有可能解決這類問題 .此外, 為了了解過程未知的特性 ,井根據 過程外界野 I 境的變化 j 胃整其晌應 , 作者還對自 組織模糊控翩器進行丁研究 1 焊縫跟蹤系統 從焊接電流同導電嘴與工件距離的關系 中可以得知焊槍位置狀況 . 隨著導電嘴與工件 距A增大或堿小，焊接電巍減小或增大利用 二次曲線擬合方法 , 可以將焊接電流擬臺戚一 條曲線 , 該曲線向導電嘴與工件距離的軌跡成 反比 . 作者以往的研究結果表明 , 通過焊接電 流信號擬臺曲線能夠確定攖動運動挾向點處 的焊接電流 , 井可作為焊縫跟蹤的

3、控制信號 . 如果擺動軌跡中心偏離了焊麓 (見圖】 ), 在兩個擺動端點潞得的焊接電流就會互不相 同. 根據擺動時兩個換向點處焊接電流的差值 可以推算出擺動中心麾焊縫偏差 D. 奉研究 中 , 擺動時間 (?) 等于擺動幅度豫以期望擺 動速度 (V). 當一個擺動周期結束后 , 由模 糊控審 4 器修正擺動速度來減小偏差 , 郾在每次 右手方向擺動范圍內 , 搖動速度 (V) 維持為 期望值 , 并在擺動運動的每一左手方向范圍 內 , 對擺動速度進 JJ=i=.圈 l 擺動中心與焊縫的偏差1.1 簡單模糊控制 該模式控翩系統方框圖如圖 2所示, 模糊控鋱器由模糊推理機構和模糊規覓庫兩部分 組成

4、. 穰期推理機構利甩規則庫綻 fl4 控制規剛 集, 井由重心法對過程輸入量 l 進行模糨化處 理. 控制時采用丁兩個模糊變量 , 并構造了一 套規則 , 以生成過程輸入量 . 從而使焊棺擺動 中心糾正至焊鞋 .53盈 2 簡單摸糊控 . 束統方框圈1.I.1 模糊子集的確定 如果給定電流值和測量值之同存在誤差E, 將實際值進行換算 , 便可得到誤差積分(S) 和過程輸入 (u) 這兩個基本變量 . 定義如 下e)=f f)E=GK)s=Gj XE .(f'lU=GX u()一 32 1O1234Sux 3o 一 2o-lo0IO2OaO'OF蛋 3 論城內模糊子集關 ,tt

5、函 t-儡J最J靠夸c速曩 Atd靖八薯億t式中 ,L, 是擺動中心同揮縫嘲合時擺動螭點 處的電流值 ,) 是第一個擺動周期時擬合 曲線焊接電流IG.,G和G_是換算因子,可將 實際值變按為論域元素 . 對于基本變量 E,s 和 u, 定義了不同散量的模糊子集 , 其中心值 為整散 , 如圖 3 所示 I 子集效無窮多 , 子集名稱 54(1)(2)(3)(4)由中心值確定 . 子集的語言名稱采用下列省喀形式:NVB二負根大-NB二負大INM=中INS=小 IZO二零-PS二正小 IPM二正中 IPB二正大PVB二正很大.模糊子集關系函數如圖 3所示, 該關系函 散是中心值為整散的三角形 ,

6、將關系函數的半 寬確定為與相鄰中心值的聞陌 .1.1.2 規則庫規則庫包括誤差 (E) 和誤差積分 (s) 同過程輸入 (u) 之間的連接規則 , 也包括下列形 式語言規則 :" 如果 EE., 且 S=S.I 則 UU.,' 式中 , 五 , 分別是 E,s,u 的模糊子集 . 控 制規則可認為是關系式丘一一 u., 由外積 可以導出EX sX u空間的三維矩陣關系t 丘二丘 X SI X (5)由于 E 和 s 的子集分別為 7 個和 9 個 , 可能的 關系規則數為 63 個, 因此, 規則庫可以表述為 下述 7X 9 矩陣 :L 一規則 (E',)(6)i=1

7、,2 3.,7一 1,23 91.1.3 推理機構規則庫在過程轄入量的生成中起著主要作用 . 模糊推理按下列步驟進行 , 并在擺動運 動的每次周期中重復進行 t第一步 ; 換算基本變量 . 由測得的焊接電 流偏差 , 利用公式 2 和 3 可以算出 E 和 s 的歸化值, 并按從一 3 到+3 和從一 4 到+4 的順序排列 , 超出該范圍的值 . 則認為是飽和極限值.第二步 :計算關系函數 . 利用圖 3中定義 的關系函數 , 對于給定的歸一化基本變量 , 可 以計算出每個模糊子集的關系值 . 第三步:規則集.下述 63個規則可構成規 則集 t【=規則 (五,)i=1,23 7,j 一 1,

8、23.,9根據模糊控制理論的極小一極大值算法 , 模糊 推理可以按下列步驟進行 :(極小值運算)如果(u)是關于第(?) 條規則的輸入 u 模糊子集的關系等級函散 , 則可由下式求得 :肌(U)=Mi n( p,Us,"(U)(7)f=1,2 3 7=1,239( 極大值運算 ) 根據 63 條不同的規則 , 最 終的關系等級函數 (u) 可以由最大值運算 確定 t,(U)=Max(j(U)(8) i=1,2 3.7=1,23.,9 第四步 :模糊化 .最后,采用重心法對輸入 u 進行模糊化處理 , 以確定其勻邊值 : 伯式中,f表示某一模糊子集，其關系等級在規 則集中有確定的值 ,

9、 為模栩子集的中心值 . 于是, 實際過程轄入 u) 可以由方程 (4) 和方 程(9) 獲得 .1.1.4 規則卑的設計本研究中 , 模期控 ll 器取誤差 E 和誤差 積分 s 為模糊變量 , 并根據規則庫 , 由模糊推 理直接生成過程輸入 u. 規則庫示例見表 1, 由表左上都可知，擺動中心應當向 Y軸正方 向進行校正 , 而右下部分剮應向負方向校正 . 根據常識或人工經驗 , 可以設計規財庫 , 以獲 得良好的過程響應 . 本研究中 , 簡單模糊控制 器是在以往實驗的分析結果基礎上生成的 , 簡 單模糊控制系統采用了表 1所示線性控制 , 自 組織模糊控制器也將其作為原始規則庫 , 并

10、能 自動改進控制規則 .1.2 自組織模糊控制器 所提出的自組織模糊控制器方框圖如圖 4 所示 , 圖中的操作方法說明了規則修正器如第 7 頁何調整控制規則以確保過程達到期望值1.2.1 性能測試 為了改進控制策略 , 適應蛩或學習型控制 器必須能對自身的性能進行評估 . 要實現成功 的應用 . 測量方法是至關重要的 .55t l1 一 qK表 1 用于模糊控制的改進規則庫 菡 4 自蛆織攫翱控 .4 秦詫方框國 遁過測量實際響應值與期望值的偏差 , 舅 定與過程插入有關的控制器性能 . 用變量表示 輸出所需的期望按正值，由誤差E和誤差積分 s 可以方便地監視輸出響應 . 操作方法采用決 策器

11、, 并根據占和 s 得出所需輸入增量 . 對于 自組織模糊控制器 . 可表示為表 2 所示的改進 表, 誤差及誤差積分變量同簡單控制器中的變 量有同樣論域,分別為一 3+3和一 4+4 表中 0 表示狀卷不需要校正 ,j 蓐給定期望值 越遠, 所需輸入校正量就越大 . 從表中還可看 出 : 該表近似對稱于對角線左上部分輸入增量 使得過程轄人增加 , 而右下部分使過程輸入藏小,因此, 此表反映了設計者板小允許響應的 概念.在每個擺動周期中 ,都 I 用占(一)和 s( 一)來生戚輸入增量F(n),以Ira代表輸出 量, 則可筒便地表示為 ;F)=,mE),)(10)將輸入增量 F 處理為模糊變量

12、 , 其子集具有 語言名稱 , 關系函數如圖 3.d 所示 .表 2 諼蓋控 .4 改連表 需的最原始的控制規則 , 這類規則只需要一些, 并在外1.2.2 規剛修正非常基本的特征 , 以確保控錨在給定量附近 , 根據常識或人工經驗可以獲得控制器所在達到給定量時存在衰減 部抗動情況下有一定的回復速度 . 學習算法可以在原始規 則集的基礎上進行改進 , 根據輸入增量 , 改變 關系式的修正過程可以闡述如下 : 假定從上一次采樣得知第 lrn 次控制效果 不佳, 對于單輸入單輸出過程 , 存在誤差 E(n 一 ,1) 和誤差積分 S m), 控制器輸出為 u 一 ra),結果,期望的控制器輸出值為

13、:一 m)=U( m)+FL),而不是ra), 式中 ,F) 是由方程 l0 得到的輸入增量. 該改進機制可以表述為以下關系式 :E(am) 8(n ra) 一 u(n ra),引入關系式E(nm)8(nra)V(nm); 由這兩種關系式的外積可以得到關系矩陣 (n 和R):(n);E( Irn) x 8(n ra)x U(nra)(11)R(n) 一 E(ra) x S(nra)x V(nlrn)(12)也可用下述語言表達形式進行替換 :R(n+1) 一尺()且非 R()或 R()(13)式中, 尺() 是當前控制器關系矩陣 ,R(n+1) 是新修正的關系矩陣 . 通過相應的操作可以替 換語

14、言連接關系符號 , 方程(13) 則可表示為 : 尺(+1)=R( nFR()Vj(A)實驗的焊接條件見表 3.氧 3 實驗的焊接條件奉囊誡奉件捍接電壓 (v)連壁連度 (m/rain)鼻接連度 (ram/B) 魯動連度 (mmfB)擺動探度 (mm)338.38466COt 氣體保護焊焊絲選用 AWSER70S3 型 , 低碳鋼工件對接接頭處開了60 單 V型坡口，工件定位與X軸之間有初始角偏差. 在設計規則庫時 , 可以根據先期實驗確定 換算因子 G.,G 和 G., 即研究擺動中心和焊縫 聞的偏差何時對焊接電流產生影響 , 因子 GG=.,G_的值分另I定為0.15,0.04和200其它

15、設計參數，如系統響應延遲時間 m為1,這表明上一次控制行為對當前過程響應有影響 . 每 經過一次擺動周期 , 自適應模糊控制器就對規 則進行修正 .進行簡單模糊控制器實驗時的初始偏差角為 5. 和 10., 進行自組織模糊控制器實驗是 為了評估其認識環境和改進跟蹤質量的能力 .(14)3 結果和討論 方程(14) 形成修正控制器的一般方法 . 對 于多步操作 , 與控制行為相關的每一步都要重 復進行上述步臻 .2 實驗 采用計算機控耐兩維平面運動來進行焊 縫跟蹤實驗 ,x 軸為焊耱方向 ,y 軸為擺動方 向. 脈沖馬達的相應速度由個人計算機確定,并通過數字脈沖發生囂傳送至馬達驅動器 . 焊 接

16、電流由分流電阻測取 , 由, 于電流信號波動較 大,故采用低通濾波器進行修正 , 濾波器截止 頻率為 4Hz, 濾波信號的采樣頻率為 50I-Iz. 圖 5 所示為不同初始角偏差情況下 , 簡單 模糊控制器采用表一給定規則庫的實驗結果 圖中虛線表示焊縫 , 實線表示擺動中心控制軌 跡.角偏差為 5. 時,跟蹤響應曲線相對良好 ; 而角偏差為10時,則存在穩態誤差，而焊縫 的這種移位偏差是不允許的 . 這種結果是由于 給定的規則庫是在角偏差為 5. 時進行的先期 實驗基礎上得到的 , 因此 , 對于不同的操作條 件和環境 , 系統需要 l 不同 l 的規則庫與之相適 應-. 第 12 頁圖 6

17、所示為角偏差為 5. 時采用自組織 糊控制系統進行焊縫跟蹤的結果 , 焊槍控制軌 57 跡的順序結果表明 , 跟蹤質量不斷地得到改 善. 在自組織模糊控制器改進機制的作用下 , 表 4 所示最終規則庫中的一些規則相對表 l 的初始化規則有所改變 , 由于角偏差為正值 , 故規則庫左上部分輸入 (u) 模糊子集的中心 值大多增加了 , 這使得焊接電流測量值大于給 定值, 結果,誤差及誤差積分為負值 .當然, 輸 入量模糊子集中心值的變化并不大 , 這說明對 于這種工作情況 , 初始規則的設計相對較好 . 如圖 7 所示, 當角偏差為 l 時,白組織模糊控 制器的改進效果比簡單模糊控鑭系統顯著 .

18、 大 的角偏差一般需要大的過程輸入 , 如表 5 最終 廠 _=二 E'. 一洲脯脯 j 詈 20 l一一 :;=; 一 .60E40挺20粗I020306090120x 一方向毫蘺 , 皿 m圈 5 簡單模糊控A 初越庸惴王為 5囤 6 采用自組織模糊控制器控制焊槍 擺動中心進行焊縫跟蹤 （ 角偏差為 ）58規則庫所示 , 其輸入量模糊子集的一些中心值 要比角偏差為 5 時對應的中心值有所增大 .圖 8 所示為不同初始角偏差情況下 , 濾波 或濾波與曲線擬臺后的焊接電流響應信號 . 經 過系統的焊縫跟蹤作用 , 響應信號調節良好 . 需要強調說明的是 , 盡管圖示的焊接電流測量 倍號波動嚴重 , 白組織模糊控制器的跟蹤結果 仍然穩定 . 最后 , 在 +5., 一 5' 角偏差情況下 利用自組織模糊控制器對弓形焊縫進行實驗 實驗結果表明 , 白組織模糊控制系統的控制性 能良好 .期望悼#控制所得焊彗60x_方向E離90120,m囤I采用自組織模糊控制器控制焊槍搖動中心進行悍縫跟蹤 （ 角偏差為 10）300250' 蕾 掛畦!泣洼 _酲曲錢扭臺