王 春，黃 波，李志榮，胡 勇

(1.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000；2.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

基于灰色PID控制的全數(shù)字送絲系統(tǒng)設(shè)計

王 春1，2，黃 波1，2，李志榮1，2，胡 勇1，2

(1.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000；2.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

焊接電流是影響焊接質(zhì)量的重要因素，而焊接電流的大小取決于焊接速度，因此送絲系統(tǒng)的控制電路、調(diào)速方案和穩(wěn)定性在整個焊接過程中占據(jù)著重要的位置。針對當(dāng)前送絲電機(jī)控制系統(tǒng)的不足，提出基于灰色PID速度控制的調(diào)速系統(tǒng)。首先分析送絲系統(tǒng)的硬件組成，并給出雙閉環(huán)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，介紹灰色PID控制原理，最后通過Simulink對上述方法進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，該算法能夠有效預(yù)測檢測信號的未來趨勢，具有良好的快速動態(tài)響應(yīng)能力，相比常規(guī)PID算法有更優(yōu)良的性能，可應(yīng)用于全數(shù)字化送絲系統(tǒng)中。

送絲系統(tǒng)；灰色PID；調(diào)速系統(tǒng)

0 前言

焊接電流、焊接電壓和焊接工藝過程的穩(wěn)定性是影響焊接質(zhì)量的重要因素。而焊接電流的大小取決于焊接速度，因此送絲系統(tǒng)的控制電路、調(diào)速方案和穩(wěn)定性在整個焊接過程中占據(jù)著重要的位置[1-2]。早期送絲系統(tǒng)通過調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角大小來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但動作噪聲大，使用壽命短，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢[1]。后來多采用電機(jī)調(diào)節(jié)方式，主要是采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋自動調(diào)節(jié)、電樞電壓負(fù)反饋自動調(diào)節(jié)和電樞電壓負(fù)反饋配合電樞電流負(fù)反饋自動調(diào)節(jié)，控制方法通常采用PID模擬控制方法，但缺點是參數(shù)調(diào)節(jié)需要一定時間，響應(yīng)速度慢，最優(yōu)參數(shù)的選取比較困難，擴(kuò)展性和適應(yīng)性不強(qiáng)。

本設(shè)計結(jié)合電焊機(jī)中送絲系統(tǒng)的控制要求，以DSP為控制核心，采用脈寬調(diào)制(PWM)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過電流負(fù)反饋的灰色PID控制，通過編碼器精確調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[1-3]，從而提高焊接系統(tǒng)控制精度。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 送絲系統(tǒng)硬件組成

送絲電機(jī)控制采用DSP為控制核心，整個控制系統(tǒng)由鍵盤電路、LCD顯示電路、光耦合電路、通信電路和電機(jī)驅(qū)動電路組成，硬件系統(tǒng)如圖1所示。鍵盤電路負(fù)責(zé)參數(shù)的輸入，LCD顯示電路實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的顯示，DSP與上位機(jī)通過RS232實現(xiàn)通信功能。在焊接送絲系統(tǒng)設(shè)計中，焊槍的行走速度和穩(wěn)定性占據(jù)舉足輕重的地位，可以在送絲電機(jī)的同軸安裝光電編碼器，將速度信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，經(jīng)過光電隔離電路后送入DSP，進(jìn)行灰色PID數(shù)字調(diào)節(jié)，然后通過調(diào)節(jié)PWM脈沖進(jìn)而實現(xiàn)對送絲電機(jī)速度的控制[3-5]。

圖1 送絲系統(tǒng)硬件

1.2 直流電機(jī)驅(qū)動電路

由于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞電壓U成正比，因此通過控制電樞電壓U就可以控制電機(jī)的速度。直流電機(jī)采用H橋雙極性電壓驅(qū)動方式，驅(qū)動系統(tǒng)如圖2所示。電機(jī)的電樞繞組兩端電壓平均值U0為

圖2 H型雙極可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)

1.3 雙閉環(huán)控制

早期的送絲電機(jī)主要采用開環(huán)控制系統(tǒng)，后來發(fā)展到速度單閉環(huán)系統(tǒng)，但是系統(tǒng)的動態(tài)性能較差，送絲精度不高。因此，采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)[1]，即采用電流內(nèi)環(huán)，速度外環(huán)的方案。而在雙閉環(huán)中決定調(diào)速系統(tǒng)性能的主要因素是速度外環(huán)，所以在速度環(huán)中有必要采用智能控制方法以提高控制精度[7]。調(diào)速系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 灰色PID調(diào)速系統(tǒng)原理

在控制系統(tǒng)的速度外環(huán)中，將給定速度值和由光電編碼器測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較，得到速度偏差，通過灰色PID調(diào)節(jié)得到的結(jié)果再作為電流環(huán)的輸入。

在控制系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)中，原理和外環(huán)一樣，先將霍爾傳感器測得的電流值轉(zhuǎn)換成電壓值，再反饋到電流環(huán)中，計算偏差，然后將灰色PID調(diào)節(jié)的結(jié)果控制PWM的占空比，通過H型驅(qū)動電路，實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制[1-7]。

其中濾波器的作用是濾除速度輸出信號中的雜波信號，以滿足動態(tài)響應(yīng)的性能要求。

2 灰色PID控制系統(tǒng)[9-10]

2.1 灰色PID理論基礎(chǔ)

灰色預(yù)測控制理論是由鄧聚龍教授提出的，部分信息已知、部分信息未知的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)，是處理不確定量的一種有效途徑。采用灰色系統(tǒng)的方法，對于不確定部分建立灰色模型，利用它來使控制系統(tǒng)中的灰量得到一定程度的白化，以提高控制質(zhì)量及其魯棒性。

設(shè)系統(tǒng)不確定部分符合匹配條件，即為bD(x，t)，其中D(x，t)包括兩部分：一部分與狀態(tài)x成比例，一部分與狀態(tài)無關(guān)，可描述為

式中 V＝(V1V2… Vn)，xT＝(x1x2… xn)。

2.2 連續(xù)系統(tǒng)灰色PID控制

考慮由下列N個非線性不確定子系統(tǒng)組成的復(fù)合非線性不確定系統(tǒng)

式中 x∈Rn，u∈R，A為n×n維矩陣，b為n維矩陣，D(x，t)∈R。

bD(x，t)代表系統(tǒng)滿足匹配條件的不確定部分，它包括參數(shù)不確定與外干擾等

采用PID控制

為了提高魯棒性，改善控制性能，減弱不確定部分的影響，在控制器起動過程中，首先采用灰色估計器粗略估計不確定部分模型參數(shù)V，然后對D(x，t)加以一定程度的補(bǔ)償。

不確定部分D(x)無法直接測量，可由測量數(shù)據(jù)間接計算，離散化為

式中 t＝kT，T為采樣周期。

灰色估計器的具體算法如下：

(3)計算

式中 BTB必須可逆，若不可逆，則應(yīng)適當(dāng)增加N，直到BTB可逆。

(4)根據(jù)狀態(tài)x(0)k計算D(0)k離散數(shù)列，其中

(5)計算D(1)k累加離散數(shù)列

(6)計算不確定參數(shù)估計值

具有灰色估計器的PID控制方法分為兩個階段。第一階段：采用PID進(jìn)行控制，對不確定部分的模型參數(shù)V進(jìn)行估計。第二階段：在N步后，在上述控制律基礎(chǔ)上，按估計參數(shù)V＾加上補(bǔ)償控制uc，此時u＝up+uc

設(shè)

采用u＝up+uc計算，系統(tǒng)性能大為改善，魯棒性大大提高。

采用直流電機(jī)額定功率185W，額定電壓220V，額定轉(zhuǎn)速200 r／min。通過Simulink對上述方法進(jìn)行仿真，得到的常規(guī)PID控制與灰色PID控制的結(jié)果對比如圖4所示?？梢悦黠@看到與常規(guī)PID控制相比，灰色PID控制在調(diào)整時間和最大超調(diào)量方面有明顯的改善。

圖4 常規(guī)PID控制與灰色PID控制對比

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，基于灰色PID控制的調(diào)速系統(tǒng)能夠有效預(yù)測檢測信號的未來趨勢，具有良好的快速動態(tài)響應(yīng)能力，能有效抑制超調(diào)量，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，加快穩(wěn)定時間，提高效率，可應(yīng)用于全數(shù)字化的送絲系統(tǒng)中。

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Design of fully digitalized wire feeding system based on grey PID control

WANG Chun1，2，HUANG Bo1，2，LI Zhi-rong1，2，HU Yong1，2
(1.Sichuan Provincial Key Lab of Process Equipment and Control，Zigong 643000，China；2.Mechanical Engineering College，Sichuan University of Science＆Engineering，Zigong 643000，China)

Welding current is a important factor which affect welding quality and depend on welding speed.Therefore，control circuit，speed control scheme and stability of wire feeding system occupy an important position in welding process.To overcome the shortcoming of current wire feeding motor control system，a speed control system based on grey PID is proposed.First，the wire feeding system of hardware composition is analyzed and the overall structure of dual-loop control system is put forward.Secondly，the control theory of grey PID is introduced.Finally，above method could simulate based on simulink.The simulation results show that the algorithm could predict the future trends of detection signal and used for fully digitalized wire feeding system with good quick dynamic response performance.It has better capability than general PID algorithm.

wire feeding system；grey-PID；speed control system

TG433

A

1001-2303(2011)12-0006-04

2011-06-17

過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室基金項目(GK201001、GK200905)；四川理工學(xué)院人才引進(jìn)科研啟動項目(2010XJKRL012)

王 春(1984—)，男，四川自貢人，碩士，助教，主要從事工業(yè)過程監(jiān)控及焊接自動化方面的研究工作。