1、實(shí)現(xiàn)脈沖GTAW(GasTungstenArcWelding)自動(dòng)化與智能化的困難之一在于實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熔池動(dòng)態(tài)行為,如熔池的尺寸、熔透及焊縫成形的實(shí)時(shí)檢測(cè)與有效控制。電弧焊接是涉及材料、冶金、物理化學(xué)變化等多因素交互作用的復(fù)雜過程。焊接質(zhì)量(焊縫成形、接頭組織及性能)與焊接工藝的多參數(shù)有關(guān),這些參數(shù)的作用相互關(guān)聯(lián),既有動(dòng)態(tài)過程的耦合,又有靜態(tài)效果的重疊。對(duì)于焊接動(dòng)態(tài)過程這樣的多變量、非線性、時(shí)變且含有諸多不確定因素和約束條件的復(fù)雜對(duì)象,采

2、用基于精確數(shù)學(xué)建模方法,難以得到有效的可控制模型,決定了對(duì)焊接熔池的動(dòng)態(tài)變化亦即對(duì)焊接熔寬、熔透和焊縫成形等質(zhì)量控制是非常困難的。采用經(jīng)典及現(xiàn)代控制理論方法來解決上述問題,同時(shí)受到理論上和應(yīng)用上的挑戰(zhàn),難以達(dá)到滿意的結(jié)果。本文以脈沖GTAW焊接過程為對(duì)象,對(duì)基于被動(dòng)式熔池直接視覺圖像傳感的焊接過程的控制進(jìn)行了深入的研究,研究工作著重于無模型自適應(yīng)控制(MFC)方法與實(shí)際焊接過程的應(yīng)用結(jié)合,將無模型自適應(yīng)控制方法引入到脈沖GTAW熔透及焊

3、縫成形控制中,該方法只需要GTAW過程的輸入輸出數(shù)據(jù),不僅克服了焊接過程難以建立精確數(shù)學(xué)模型的困難,且由于具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力,能克服焊接過程的多種不確定性因素。為了研究熔池特征參數(shù)與焊接工藝參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系,本文首先進(jìn)行了傳統(tǒng)階躍試驗(yàn),采用一階慣性環(huán)節(jié)來描述焊接過程,得到了平穩(wěn)焊接過程焊接脈沖峰值電流、送絲速度與熔池形狀參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明對(duì)于脈沖GTAW過程,焊接過程存在非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變等復(fù)雜特點(diǎn)。同時(shí)為了預(yù)測(cè)背面熔寬

4、和正面余高以及滿足控制仿真的需要,采用隨機(jī)試驗(yàn)得到建模數(shù)據(jù),分別建立了BP(BackPropagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和ARX(Auto-RegressiveExogeneous)模型焊接過程很難用基于模型的控制方法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊縫成形控制,為了克服這一困難,本文將無模型自適應(yīng)控制引入到脈沖GTAW的熔透及焊縫成形控制中。以背面熔寬為被控制量,焊接峰值電流為控制量,設(shè)計(jì)了GTAW過程單輸入單輸出無模型自適應(yīng)控制器,閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

5、了該方法的可行性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性,設(shè)計(jì)了梯形、漸變啞鈴形和突變啞鈴形三種不同形狀的工件,以代表實(shí)際焊接過程中不同的散熱條件?；谏鲜鋈N工件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在不同的散熱條件下單輸入單輸出無模型自適應(yīng)控制器均能實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。為了增強(qiáng)無模型自適應(yīng)控制器的自適應(yīng)能力與抗干擾能力,使無模型自適應(yīng)控制器具有智能化的調(diào)節(jié)能力,更符合實(shí)際的焊接過程控制需要。本文將模糊邏輯引入到無模型自適應(yīng)控制中,設(shè)計(jì)了G函數(shù)模糊調(diào)節(jié)的無模型自適應(yīng)

6、控制器,該控制器能從一定程度上,反映實(shí)際焊工的操作經(jīng)驗(yàn)。通過與無模型自適應(yīng)控制基本方法的仿真比較可以看出,在相同的調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi),具有模糊調(diào)節(jié)功能的無模型自適應(yīng)控制的超調(diào)量小,且響應(yīng)曲線更加平滑。而在三種不同形狀工件上的實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的有效性。與無模型自適應(yīng)控制的基本方法相比,該方法使控制器的調(diào)節(jié)更加平滑,從而更有利于焊縫的穩(wěn)定成形。GTAW過程焊縫成形除外界環(huán)境等因素影響外,它還受到多個(gè)可控焊接參數(shù)的直接影響。因此為了提高

7、焊接質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化焊接技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)多變量GTAW過程控制,首先設(shè)計(jì)了以背面熔寬為被控量,以峰值電流和送絲速度為控制量的GTAW控制過程多輸入單輸出無模型自適應(yīng)控制器。仿真及三種工件焊接過程都較好的保持了平穩(wěn)性,背面熔寬在期望值附近波動(dòng),能較好滿足焊縫成形控制的需要。與焊接過程單變量控制器相比,多輸入單輸出的無模型自適應(yīng)控制其不僅能取得較滿意的控制效果,且由于引入了另一個(gè)控制量,焊接過程中可以同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)焊接參數(shù),所以當(dāng)受到外部

8、干擾時(shí),可以更加快速的將背面熔寬調(diào)節(jié)到期望值。由于焊接是一個(gè)多變量強(qiáng)耦合的復(fù)雜過程,為了使控制器能更加真實(shí)有效的體現(xiàn)焊接過程這一特征,提高控制器性能,提出了多輸入多輸出無模型自適應(yīng)控制理論,給出了其具體的設(shè)計(jì)步驟及實(shí)現(xiàn)過程,該方法仍具有只利用系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的特點(diǎn)。針對(duì)脈沖GTAW過程,設(shè)計(jì)多輸入單輸出及多輸入多輸出無模型自適應(yīng)控制器,最終實(shí)現(xiàn)了通過同時(shí)監(jiān)測(cè)背面熔寬與正面余高,而同時(shí)調(diào)節(jié)焊接峰值電流和送絲速度,實(shí)現(xiàn)了正反