论文摘要
现代工业生产对号称“工业缝纫机”的焊接设备提出了更高的要求。提高焊接工艺性能的关键之一在于先进的焊接设备,实现先进的焊接设备在于采用先进的控制理论及针对工艺特点采取合理的控制算法。本文基于数字化焊接的概念,对数字化焊接电源,熔化极气体保护焊(GMAW)焊接过程数学模型以及焊接信号(电流、电压,焊接速度等)特征分析,焊接质量预测以及在线监控等基础问题进行了研究。首先研制了以数字信号处理器(DSP)与单片机(MCU)双处理器为控制核心的数字化弧焊电源。完成了主电路,数字控制系统电路,IGBT驱动电路,电流、电压反馈电路,人机接口电路,送丝系统电路以及保护电路的研制,并完成了电源软件系统的设计与调试。其次,进行了CO2焊接短路过渡波形控制研究,分析了CO2短路过渡可以减小飞溅和改善焊缝成型的电压、电流波形。提出了三种波形控制方法,对三种控制方案及效果进行了比较分析。再次,为了实现先进控制方法在焊接电源控制中的应用,分析了GMAW焊接过程所涉及的焊接参数及相互关系,对GMAW过程电路系统、电弧系统、熔滴上的作用力、熔滴过渡、焊丝熔化速度进行分析。建立GMAW过程数学模型;应用基于微分几何的反馈线性化方法,将GMAW过程电流及弧长模型同胚映射为等价的线性系统,使复杂的非线性控制问题转化成简单的线性系统的控制问题;将滑模变结构控制方法应用于焊接电流及弧长的控制,并运用Matlab进行仿真研究。然后,进行了有关CO2焊接电信号分析处理研究。DSP强大的数据处理能力和快速运算能力为焊接信号的实时处理分析提供了合适的平台,为形成焊接过程质量实时评价系统、形成焊接过程的实时闭环控制提供了可能。利用相关性分析、傅立叶谱、短时傅立叶、功率密度谱、小波分析等多种现代信号分析方法对CO2焊接电压、电流的时域、频域及时频域特征进行数据挖掘,从信号分析角度丰富对焊接电压、电流信号深层所蕴含信息的认识,为实现焊接过程的实时监控提供理论基础。最后,采用BP算法经样本训练对焊缝几何尺寸进行预测研究。针对普通BP算法存在的问题,采用自适应学习率及附加动量项的方法进行改进,以提高BP网络的运算速度。采用支持向量机,分别运用线性核函数,多项式核函数,RBF核函数以及ERBF核函数对焊缝尺寸进行预测,从而实现通过神经网络模型预测焊缝形貌来达到焊接质量的实时监控及焊接过程的在线控制的目的。
论文目录
摘要Abstract第一章 绪论1.1 题研究的背景与意义1.2 国内外数字化焊接研究现状1.2.1 数字化弧焊电源国内外研究现状1.2.2 GMAW 焊接模型及控制国内外研究现状1.2.3 焊接质量监控国内外研究现状1.2.3.1 质量监控的电弧信号1.2.3.2 质量监控的建模方法1.3 本文研究的目的和主要内容第二章 数字化焊接电源硬件电路系统设计2.1 总体方案设计2.2 数字化控制焊接电源控制电路系统2.2.1 主从式系统2.2.2 控制系统的工作原理2.2.3 控制系统硬件设计2.2.3.1 DSP 最小系统2.2.3.2 采样及调理电路2.2.3.3 状态检测电路2.2.3.4 保护电路2.3 单片机系统硬件模块设计2.3.1 输入电路设计2.3.2 液晶显示电路设计2.3.3 外部存储器电路设计2.3.4 串行通信电路设计2.4 IGBT 驱动电路2.5 送丝及送气系统2.6 本章小结第三章 数字化控制弧焊电源软件设计及调试3.1 单片机控制焊机管理部分程序3.1.1 人机交互系统3.1.1.1 人机交互方式的选择3.1.1.2 人机交互界面3.1.2 软件设计的模块化方法3.1.3 单片机控制人机交互系统软件主程序2 焊波形控制'>3.2 DSP 控制CO2焊波形控制2 焊短路过渡理想的电流、电压波形'>3.2.1 CO2焊短路过渡理想的电流、电压波形3.2.2 波形控制对电源主电路以及控制系统的要求3.2.3 控制系统软件设计3.2.3.1 PID 控制算法2 焊接主程序流程图'>3.2.3.2 CO2焊接主程序流程图3.2.4 电流波形控制方案3.2.4.1 给定脉宽控制短路电流波形3.2.4.2 短路电流反馈控制电流波形3.2.4.3 综合控制方案3.3 本章小结第四章 熔化极气体保护焊数学模型及控制仿真4.1 控制对象的建模与辨识4.1.1 数学模型的作用4.1.2 数学模型的分类4.1.3 对象的建模与辨识4.2 GMAW 过程控制参数及相互关系4.3 GMAW 过程数学模型4.3.1 GMAW 过程4.3.2 GMAW 过程数学模型4.3.2.1 GMAW 过程电路系统4.3.2.2 电弧系统4.3.2.3 熔滴上的作用力4.3.2.4 熔滴过渡4.3.2.5 焊丝熔化速度4.3.3 GMAW 模型4.4 GMAW 电流及弧长的滑模变结构控制4.4.1 滑模控制简介4.4.2 电流及弧长数学模型4.4.3 基于微分几何的反馈线性化4.4.4 基于反馈线性化的GMAW 系统滑模控制器的设计及仿真分析4.5 本章小结2焊接电信号的数字信号分析'>第五章 CO2焊接电信号的数字信号分析5.1 焊接电流电压信号的时域分析5.1.1 焊接电信号同步波形5.1.2 焊接电信号的相关性分析5.2 焊接电信号的频域分析5.2.1 焊接电信号的傅里叶谱5.2.2 焊接电信号的功率密度谱5.3 焊接电信号的时频分析5.3.1 焊接电信号的短时傅里叶分析5.3.2 焊接电信号的小波分析基础5.3.3 焊接电信号的小波降噪5.3.4 焊接电信号的小波分析结果5.4 本章小结第六章 基于神经网络的焊缝形貌及质量预测6.1 人工神经网络的基本特点6.2 多层前向神经网络训练算法6.2.1 误差反向传播算法（BP）6.3 BP 网络焊缝几何形貌预测应用设计6.4 BP 算法存在的问题分析6.4.1 学习过程收敛速度慢的原因6.4.2 局部极小6.4.3 BP 算法所得的网络容错能力6.5 BP 网络的改进算法6.6 改进算法BP 网络的应用设计6.7 支持向量机6.7.1 支持向量机理论背景6.7.2 SVM 算法介绍6.7.3 焊缝几何形貌支持向量机应用6.8 本章小结第七章 结论参考文献攻读博士学位期间发表的学术论文及参与的科研工作附录1附录2附录3致谢
相关论文文献
标签：数字信号处理器论文; 波形控制论文; 滑模控制论文; 小波分析论文; 网络论文; 支持向量机论文; 核函数论文;
