论文总字数：18628字

摘 要

逆变弧焊电源的控制系统是非线性系统，根据传统的控制策略来构建精确的数学模型是非常困难的。本文设计的以电流误差、误差变化率为输入，以PID控制器的三个参数为输出的双输入-三输出模糊自适应控制器，能够在整个闭环电路系统负载发生变化的时候将自身的参数调节至合适的值，实现对逆变弧焊电源恒流外特性的智能化控制。为确保设计方案的可行性，利用MATLAB/Simulink这一建模工具，构建整个逆变弧焊电源模糊自适应控制系统的仿真模型，并进行仿真。仿真实验将传统控制器与模糊自适应控制器的数据进行对比，研究结果表明，模糊自适应控制器在不构建精确数学模型的前提下，改善了逆变电源系统的动态特性，控制效果更加有效可靠，为实现逆变弧焊电源的智能化控制提供了良好的方案。

关键词：逆变电源；模糊控制；自适应；MATLAB

Abstract

The control system of inverter arc welding power supply is a nonlinear system, so it is very difficult to build an accurate mathematical model according to the traditional control strategy.In this paper, design of current error and error change rate as input, with three parameters of PID controller for the output of double input and three output fuzzy adaptive controller, creates an electric current in the closed circuit system error when will adjust their own parameters to suitable value, realize to constant current inverter arc welding power source external characteristic of intelligent control.In order to ensure the feasibility of the design scheme, the simulation model of the fuzzy adaptive control system of the whole inverter arc welding power supply was built and simulated by using the modeling tool MATLAB/Simulink.Simulation experiment to the traditional controller and a fuzzy adaptive controller, comparing the data the results show that the fuzzy adaptive controller on the premise of not to build accurate mathematical model, to improve the dynamic characteristics of inverter power supply system, the control effect is more effective and reliable, to achieve the intelligent control of the inverter arc welding power source provides a good solution.

Key Words：Inverter power supply；Fuzzy control；The adaptive；MATLAB

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 主要研究内容 2

第2章 模糊自适应控制器设计 4

2.1 模糊控制的基本理论 4

2.2 模糊控制器的结构选择 5

2.3 模糊自适应控制器的结构 5

2.4 输入输出的模糊化与去模糊化 6

2.4.1 模糊子集及论域的选择 6

2.4.2 隶属度函数的选择 7

2.4.3 量化因子及比例因子的选择 8

2.4.4去模糊化方法的选择 9

2.5 模糊控制规则制定 9

2.6 基于MATLAB的模糊控制器设计 10

第3章 逆变弧焊电源外特性控制系统仿真 14

3.1 逆变电源外特性控制原理 14

3.2模糊控制器的嵌入 15

3.3逆变电源控制系统的仿真模型图 16

3.3.1 模糊自适应控制组成部分 16

3.3.2 PWM控制组成部分 17

3.3.3 PWM死区控制组成部分 17

3.3.4 功率输出组成部分 17

3.4 仿真参数设定 18

3.5 仿真结果分析 18

第4章 总结与展望 20

4.1 总结 20

4.2 展望 20

参考文献 22

致 谢 23

附录1 24

附录2 25

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

焊接已然成为现代化工业生产的重要技术手段,行业的发展对焊接质量进一步提出了更高的要求，研制出小型、轻量、低成本的新型弧焊电源一直是是各研究单位和弧焊电机生产企业的目标^[1]。逆变弧焊电源近几十年得到迅速发展，已经广泛应用于现代化生产中，也因此对其电气特性控制提出了更多的要求^[2]。

已有的采用微机控制的弧焊电源中，控制系统软件的控制策略通常采用PID或者PI控制，可以有效提高系统的稳定性和动态性能，但是精确数学模型难以建立，参数的设定工作难度较大^[3]。由此，逆变弧焊电源必然朝着智能化控制的方向发展。实现弧焊电源的智能化控制，使得控制系统设计比较方便、柔性化，更加满足现代生产的需求。目前，在弧焊电源智能化控制方面已取得理论成果和成熟的应用案例主要是以模糊控制技术、人工神经网络和专家系统为主的智能控制技术^[4-6]。 相对于人工神经网络控制、专家系统控制，模糊控制的优点在于设计成本低廉，控制效果有效且显著^[7]。而大多数小型焊接电源的造价都不太高，在满足设备性能要求的同时也要控制成本。因此，模糊控制技术应该是逆变弧焊电源控制系统设计的优先考虑方案。

80年代中期，焊接领域就开始了模糊控制理论的应用^[8]。模糊控制理论在工业领域有很多应用案例，且在这些应用案例中都显示其优于传统的PID控制^[9]。 但是，现代工业领域中大约90％的工业过程自动化控制仍然是由PID控制器实现，PID控制只有三个参数来进行整定，其简单易使的特点使得其具有竞争力^[10]。控制器不是越复杂就越好，有针对性的解决问题并基于已有智能化控制策略来设计先进的PID控制，如模糊PID控制、专家PID控制、神经PID控制，才是现代化控制中应该最先考虑的方案，也是国内外专家学者近十几年来一直研究的方向^[11]。

弧焊电源作为焊接过程重要的施工工具，是焊接技术的核心部位，也是提高焊接技术的源头所在，对无论是生产焊机还是涉及焊接的企业来说，更加优质的弧焊电源将会给它们带来非凡的意义。模糊控制器设计成本低，应用前景广阔，将模糊控制器应用在逆变弧焊电源的控制系统中不仅仅是能提高设备的性能，还可以减少对操作人员健康的损害。例如，提高电弧了稳定性，减少焊接飞溅、烟尘和噪声等，有利于改善操作人员的工作环境，保护施焊工人的身心健康，降低职业病的风险，无论是对工人还是对企业来说都是有益无害。同时，也可以提高企业在行业的竞争力。本次课题设计的实验利用计算机进行，无污染产生和大的物料消耗，还能验证设计方案，保证结果的准确性，保证结论的科学性。

1.2 国内外研究现状

国内研究中，高雅宏基于传统PID控制的基础上，设计的模糊自适应控制器，可以根据系统误差变化来改变控制规则，非常方便，能够实现自整定的功能，完全符合工艺方面的要求^[12]。寇明坤分析了基于MATLAB工具箱的参数调节方法，设计出模糊自适应控制器，并在 MATLAB/Simulink 中搭建控制框图。仿真结果表明模糊自适应PID指标都优于传统PID的指标，系统性能得到提升^[13]。何宽芳，黄石生融合了PID和控制规律和神经网络特点，应用于弧焊电源，使其性能得到了进一步提高^[14]。贾贵玺等人以80C51单片机为核心器件，基于模糊控制理论，将模糊控制器应用于逆变弧焊电源，实践过程证明，采用模糊控制不用建立复杂的数学模型，就可以达到控制效果，降低了控制系统设计的复杂度。同时，智能控制方法模糊控制的应用，改善了电源的特性，提高了电源的抗干扰能力，很好的实现了对电源外特性的控制^[15]。

国外研究中，Meric Cetin提出了一种新型的模型预测自校正PID控制器来控制非线性连续时间系统，所提出的RK-PID控制器提供了可接受的控制性能，对外部噪声、干扰和参考轨迹变化的影响具有鲁棒性^[16]。Mohammed Salah Bouakkaz等人在研究光伏发点系统中为了改善光伏系统的动态特性，提出了一种自适应控制策略，其中光伏电压采用分数阶比例积分微分控制器调节，动态性能在各种操作情况下显示出极好的瞬态响应^[17]。该文提出了一种新型模糊自校正 PID控制器。Caglar Conker研究模糊自适应PID控制技术在驾驶HHO干电池系统中应用时，针对羟基发生器提出了模糊比例积分微分控制器。还比较了开关控制器、常规PID控制器、模糊控制器和基于模糊的自适应PID控制器的动态性能分析。结果表明，该模糊自适应PID控制器在干电池温度控制方面的控制效果最好，综合性能优于其他三个控制器^[18]。

1.3 主要研究内容

基于模糊控制理论的相关知识，将模糊控制技术应用在逆变弧焊电源中，设计出逆变弧焊电源恒流外特性的模糊自适应控制器，实现对逆变弧焊电源的智能化控制，并利用MATLAB/Simulink软件进行仿真。

研究的实验过程在计算机上完成。开始实验时，第一步是先进行模糊自适应控制器的设计，而模糊自适应控制器的设计核心为模糊控制器的设计，设计过程主要包括控制器的结构选择、模糊子集的选择、隶属度函数的选择以及量化因子等确定，这一过程都以对逆变电源实际性能需求为依据，借助MATLAB模糊工具箱的强大功能，在设计理论完备的情况下，操作过程并不复杂；第二步则是建立仿真模型，依托MATLAB中的Simulink建模仿真能力，也可以大幅度降低仿真的操作性难度，需要注意的点是，涉及模块的选择以及参数的调试要以电源电路工作原理为依据，符合实际电路的工作情况。同时，软件自身运行所需调节的参数也需要重视，注重仿真实验的时间及效率。仿真数据应该方便调取，便于观察和对比。

同时，设置对照实验，通过反复实验，总结数据，根据得到实验数据结果对设计方案的可行性做出判断。另外，透过数据分析设计方案的优缺点，结合实际生产生活分析方案的应用优势，对存在的问题进行记录，以便日后提出更有利的解决方案。

请支付后下载全文，论文总字数：18628字

相关图片展示：