基于模糊-PID控制的PMIG弧焊逆变电源主控系统研究

论文摘要

弧焊逆变电源具有电气性能好、体积小、焊接生产率高、易于实现自动化和智能化等诸多优点,现已成为焊接产业中最有前途的发展方向。但是目前国内弧焊逆变电源主控系统大多采用模拟电路控制,具有效率低、精度低和适应性差等缺点,数字化弧焊逆变电源由于其稳定性好、灵活性好、控制精度高、容易实现网络化控制等巨大的优越性已经成为未来先进焊接设备的发展方向。国内数字化弧焊逆变电源的研究和开发尚处于起步阶段,高性能数字化弧焊逆变电源仍然主要依靠进口。本文基于数字信号处理技术对数字化PMIG弧焊逆变电源的主控系统进行了研究。本文通过对PMIG弧焊逆变电源的自身结构和焊接过程的熔滴过渡特性进行分析,得出系统的控制目标,制定了电压和电流双闭环整体控制方案,并搭建了MCU+DSP双机控制硬件平台,电压外环采用模糊控制器,电流内环采用模糊PID控制策略,取得了良好的控制效果。论文的主要工作有:1.提出了系统的控制方案。从PMIG弧焊逆变电源的熔滴过渡和焊丝熔化速度两方面分析得出系统的控制目标是保证熔滴一脉一滴过渡,并同时保证焊丝的熔化速度和送丝速度相匹配,最终保证弧长和焊接过程的稳定。主控系统整体采用电压和电流双闭环控制方案,电压外环采用I-I控制模式,通过调节基值时间保证平均电弧电压稳定,电流内环用来控制实现精确的脉滴过渡电流波形。2.搭建了系统的硬件平台。单片机选用Freescale公司的MC9S12XDP512,主要负责弧焊逆变电源的总体协调控制以及与其他设备的通讯接口等,DSP选用TI公司的TMS320F2812,主要负责焊接过程的实时控制,实现了电压和电流信号的高速实时采样和与PWM的接口电路,设计了液晶显示、串行通讯和以太网接口电路。3.分别对电压电流双闭环控制系统的外环和内环控制器进行了研究。通过对PID控制器、模糊控制器和模糊PID控制器进行比较,根据外环和内环各自的控制特点,电压外环选择模糊控制器,电流内环选择模糊PID控制器,并分别离线生成了基值时间增量模糊控制表和PID参数修正模糊控制表。4.对控制系统进行了软件实现。主要包括弧焊逆变电源整体过程控制和双闭环控制的软件实现等,其中双闭环控制尤为重要,主要包括A/D采样程序、D/A输出程序,以及电压外环模糊控制器和电流内环模糊PID控制器的在线查表控制等。通过对双闭环控制器进行性能分析,表明电压外环模糊控制器能够很好的抑制弧长的扰动,电流内环模糊PID控制器通过实时调节PID参数使系统具有更好的动态调节性能。5.对弧焊逆变电源进行实验调试,表明本系统能够满足控制要求,保证弧长和焊接过程的稳定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 PMIG弧焊逆变电源简介
• 1.1.1 弧焊逆变电源
• 1.1.2 PMIG弧焊逆变电源
• 1.2 课题的研究背景及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 智能控制理论的应用
• 1.5 本文主要研究内容及组织结构
• 第二章 系统控制方案及整体框架
• 2.1 PMIG弧焊逆变电源结构
• 2.1.1 电源主回路
• 2.1.2 驱动电路
• 2.1.3 主控系统
• 2.1.4 面板和送丝机电路
• 2.2 系统控制目标
• 2.2.1 熔滴过渡方面
• 2.2.2 焊丝熔化速度方面
• 2.3 系统控制方案的确定
• 2.3.1 系统整体控制方案
• 2.3.2 电压外环控制方案
• 2.4 系统配置方案
• 2.4.1 微处理器配置方案
• 2.4.2 系统整体控制框图
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 微处理器芯片选型
• 3.1.1 单片机选型
• 3.1.2 DSP选型
• 3.2 单片机硬件电路设计
• 3.2.1 单片机工作及I/O配置电路
• 3.2.2 液晶显示模块
• 3.2.3 以太网通讯接口电路
• 3.2.4 串行通讯接口电路
• 3.3 DSP硬件电路设计
• 3.3.1 DSP工作及I/O配置电路
• 3.3.2 电压信号调理电路
• 3.3.3 电流信号调理电路
• 3.3.4 PWM接口电路
• 3.4 单片机与DSP双机通讯
• 3.5 本章小结
• 第四章 电压电流双闭环系统控制器研究
• 4.1 控制器简介
• 4.1.1 PID控制器
• 4.1.2 模糊控制器
• 4.1.3 模糊PID控制器
• 4.2 双闭环控制器方案选择
• 4.2.1 三种控制器性能比较
• 4.2.2 电压外环控制器方案
• 4.2.3 电流内环控制器方案
• 4.3 电压外环模糊控制器设计
• 4.3.1 电压环精确量的模糊化
• 4.3.2 建立电压环模糊规则表
• 4.3.3 模糊判决
• 4.3.4 生成基值时间增量模糊控制表
• 4.4 电流内环模糊PID控制器设计
• 4.4.1 电流环精确量的模糊化
• 4.4.2 建立电流环模糊规则表
• 4.4.3 生成PID参数修正模糊控制表
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统软件实现
• 5.1 PMIG弧焊逆变电源整体过程控制
• 5.1.1 焊接操作模式控制
• 5.1.2 起弧和收弧控制
• 5.1.3 弧焊逆变电源整体过程控制主程序
• 5.2 双闭环控制软件实现
• 5.2.1 A/D采样程序
• 5.2.2 D/A输出程序
• 5.2.3 DSP在线查表控制
• 5.2.4 电流内环模糊PID控制软件实现
• 5.2.5 电压外环模糊控制软件实现
• 5.3 液晶显示模块
• 5.4 本章小结
• 第六章 实验测试
• 6.1 电压外环模糊控制器性能分析
• 6.2 电流内环模糊PID控制器性能分析
• 6.3 焊接测试
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 附录1 电压外环模糊控制表
• 附录2 电流内环模糊控制表
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果
• 学位论文评阅及答辩情况表