1. 研究目的与意义（文献综述）

逆变弧焊电源是一种节能、高效、轻便的电源，已广泛应用于国民生产的各个方面。弧焊电源的主电路一般采用开关变换器，控制电路主要采用专用集成控制芯片来实现。经典控制理论首先被使用于线性小规模系统的自动化领域，而随着现代控制理论和计算机技术的发展，在大规模线性多变量系统中也逐渐得到应用，比如传统的PID控制，PI控制等，但对于非线性复杂系统，这些控制策略却难以做到对这类系统作状态判断，预测其动态变化，并进行必要的操作。若采用上述方法，必然费力而算法极其复杂，又难获得满意的结果。而现代控制理论比如自适应控制，神经网络控制，专家系统控制也逐渐进入人们的视野，包括各种理论的结合运用，比如神经网络模糊控制等。^[1]但随着工程系统的日益复杂化和对控制要求的精确化，传统的控制器的不足之处也逐渐显露出来。如用于非线性和不确定性系统，其鲁棒性还不够强；用于时变系统，其适应性还不够快；用于多变量关联系统,其协调性还不够好等。而模糊控制技术通过状态判断、动态预测、采用知识表示的语言规则和模糊推理，对各类复杂系统具有良好的控制性能。焊接过程是一个复杂的过程，难以建立起精确的数学模型，而模糊控制又无需建立数学模型，这充分展现了模糊控制相对于传统控制的优越性。模糊控制不仅适用于小规模线性、非线性复杂系统，而且逐渐向大规模复杂系统扩展，从已经实现的控制系统来看，它具有易于熟悉，箱出连续、可靠性高，能发挥熟练专家操作的良好自动化效果等优点。^[2]

钨极氩弧焊(Tungsten Inert Gas WeIding，简称TIG 焊)是焊接有色金属及其合金，如铝、镁及合金、不锈钢等的理想方法，具有电弧稳定、焊缝成形美观等优点。但是在现场施焊中，由于工况不同，电弧受到各种因素的干扰，如：电弧长度的变化，工件的不平度，保护气体的纯度、流量和供电电网的波动等，都会使焊接电流电压偏离稳定工作点。如果焊接电流、电压能快速自动地返回稳定工作点，则电弧可以持续稳定燃烧。由此可见，电源工作的稳定性和可靠性主要依靠控制系统，它是整个电源的核心。TIG焊时，由于使用的电流密度较小以及氩气的导热率小，电弧基本不受压缩，电弧的静特性是水平的，根据电弧静特性对电源外特性的要求，不论采用交流电源还是直流电源，都应该采用下降外特性的电源。由于TIG焊时，弧长的微小变化都会引起焊接电源发生很大的波动，所以，TIG焊时最理想的是采用垂直陡降外特性的电源（比如磁放大器式硅弧焊整流器），它可以消除由弧长变化引起的电流波动。TIG的电源国内外的一些研究机构(如北工大、华南理工、奥地利Fonius等)将模糊逻辑应用于弧焊电源控制系统中，主要是基于MCU；张鹏等学者利用数字信号处理器(DSP)的高运算速度，缩短PI运算时间、增加采样点，提高控制精度。^[3]王建萍学者利用微机模糊控制，在TIG焊逆变电源的实时检测电弧电流控制系统中建立电弧电流模糊控制算法。采用双输入单输出的模糊控制器模型，即采用电弧电流的变化及其变化率作为模糊控制器的两个输入量，把调节移相式PWM脉宽的输入电压作为模糊控制器的输出量。^[4]或者通过采用IGBT智能功率模块(IPM )和MC89850单片机等新型元器件，结合模糊控制软件，设计出适合小型便携式TIG焊的逆变孤焊电源。^[5]

本课题将模糊控制用于TIG焊逆变电源的外特性控制，最终实现弧焊电源的智能化控制。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1、掌握模糊控制理论，设计弧焊电源模糊控制器；

2、掌握MATLAB/Simulink软件；

3、利用MATLAB软件对TIG焊逆变电源-电弧闭环系统进行仿真研究；2.2 研究目标

将模糊控制用于TIG焊逆变电源的外特性控制，利用MATLAB软件对TIG焊逆变电源-电弧闭环系统进行仿真研究，最终实现弧焊电源的智能化控制。

2.3 技术方案

TIG焊焊接过程是一个复杂的变化过程，具有非线性和时变的特点。模糊控制是基于规则的控制，设计时不需要建立被控对象的数学模型，系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变及纯滞后系统的控制。将模糊控制用于TIG焊逆变电源的外特性控制，可实现弧焊电源的智能化控制。

模糊控制是一种智能的控制方法，它利用多值模糊逻辑和人工智能要素来模仿人的思维及反应IMl，特别适合于难以建立数学模型控制系统。其控制器的设计方法与传统控制系统的设计方法有所不同。传统的控制系统设计，是设法通过对工作机理的分析、系统辨识，建立起被控对象及控制系统的数学模型之后，以此作为建模、分析、设计的基础。而模糊控制系统的设计是在充分积累对被控对象的操作经验、策略，或大量操作时的输入一输出数据，然后分析理解，去粗取精、去伪存真、归纳总结，经过筛选最终用模糊条件语句表述成模糊规则。根据模糊规则选定输入输出量，确定控制器主要变量及其恰当的隶属函数，从而确定控制器结构，设计出模糊控制器。焊接过程是一个复杂的

过程，难以建立起精确的数学模型，而模糊控制又无需建立数学模型，这充分展现了模糊控制相对于传统控制的优越性。^[7]

模糊控制器主要由精确量模糊化、模糊推理以及模糊判决三部分构成，如图1所示。其基本工作原理是：将输入的数字信号经过模糊化变成模糊量，送入含有模糊规则的模糊推理模块，经过近似推理得出结论——模糊集合，然后由模糊判决模块变成清晰量，再输出到下一级调节被控对象，使其输出满意的结果。

TIG焊逆变电源模糊控制工作时由功率电路、控制电路和电源负载三部分组成，如图2所示。其功率电路的主要部分是由功率元件、高频变压器等组成的逆变部分,经输出整流后得到所需的电源输出电压；滤波电感和电弧可等效为一阶惯性网络，控制电路的关键是PWM调节，反馈检测电路对实际输出的焊接电流进行检测，得到电流反馈信号，该信号与电流控制给定信号进行比较,其偏差经模糊控制器运算后控制PWM的输出脉宽，从而控制功率元件的导通时间，由此构成电流负反馈，得到具有陡降外特性的逆变电源。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，确定技术方案，并完成开题报告。

第4－6周：熟悉模糊控制理论和matlab/simulink仿真软件。

第7－8周：弧焊电源模糊控制器的设计。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 诸静. 模糊控制原理与应用及其现状. 《电气应用》， 1993 (3):18-22

[2] 王蕾，宋文忠. pid控制《自动化仪表》， 2004 , 25 (4):1-6

[3] 艾盛，张健，马彩霞. 单片机模糊控制逆变tig焊电源的研究.《机械科学与技术》， 1999 (2):288-290