基于PLC的MIG焊送絲機控制系統(tǒng)

張培彥

（鄭州旅游職業(yè)學院，鄭州河南450009）

基于PLC的MIG焊送絲機控制系統(tǒng)

張培彥

（鄭州旅游職業(yè)學院，鄭州河南450009）

目前針對國內(nèi)MIG焊送絲機普遍采用電壓負反饋的常規(guī)PID控制，控制參數(shù)無法在線調(diào)節(jié)，送絲平穩(wěn)度不高、送絲系統(tǒng)動特性差等缺點，設計了一種基于模糊PID控制器的閉環(huán)送絲機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。闡述送絲機速度調(diào)節(jié)原理，建立模糊PID控制器隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則表，給出模糊PID控制的PLC程序實現(xiàn)方法。

MIG焊；送絲機；模糊PID

0 前言

自動送絲機是熔化極氣體保護焊（MIG）的基本設備，在MIG焊接過程中，焊絲盤中的焊絲經(jīng)過送絲機的從動輪進入焊槍，在焊接電流作用下熔化。焊絲的送絲速度與焊接電流的設定有密切關系。因此，焊絲送絲速度的大小和穩(wěn)定與否直接影響著焊接規(guī)范的穩(wěn)定、焊接電弧的控制等。在焊接過程中，當送絲速度過快時，容易產(chǎn)生較大的焊縫；當送絲速度過慢時，又容易導致焊縫凹陷，嚴重影響最終的焊接效果。為了獲得MIG焊接良好的焊縫質量，必須嚴格控制送絲機的送絲速度。

目前國內(nèi)送絲機控制系統(tǒng)普遍采用的是電勢負反饋的常規(guī)PID控制，常規(guī)PID調(diào)節(jié)參數(shù)經(jīng)確定后將在系統(tǒng)中保持不變，無法實現(xiàn)自適應的在線調(diào)節(jié)功能[1]。由于MIG焊接送絲機本身是一個非線性、時變的被控對象，同時在工作時受電磁干擾比較嚴重，使得送絲的平穩(wěn)度不高、送絲系統(tǒng)動特性差，因此，控制參數(shù)固定的常規(guī)PID控制將嚴重影響焊縫成形質量，已無法滿足工業(yè)現(xiàn)場要求。此種控制方式存在精度不高、靈活性差等缺點。本研究采用PLC作為送絲機控制器，設計了一種基于模糊PID控制器的閉環(huán)送絲機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，闡述送絲機速度調(diào)節(jié)原理，完成了模糊PID控制的PLC程序設計。

1 送絲速度調(diào)節(jié)原理

將基于規(guī)則的模糊控制理論與PID控制器結合起來，設計自整定模糊-PID控制器。利用西門子S7-300PLC控制器CPU314輸出的PWM波形來調(diào)節(jié)送絲直流電機兩端的電壓，通過數(shù)字調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)焊絲的送進速度。送絲系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速，其中內(nèi)環(huán)采用電流負反饋PI控制算法，外環(huán)采用基于送絲速度的模糊PID控制算法，其原理框圖如圖1所示。

圖1 M IG焊送絲機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2 模糊PID控制器

由于常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)不能實現(xiàn)在線調(diào)節(jié)的功能，無法滿足送絲調(diào)速系統(tǒng)在不同工況下對參數(shù)自動調(diào)節(jié)的要求，因此常規(guī)PID控制器不能滿足時變非線性系統(tǒng)的控制精度要求。本研究采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法來模擬專家經(jīng)驗，在焊接過程中的每個時間段，根據(jù)系統(tǒng)采樣得到的送絲速度設定值與實際值的偏差e和單位時間的偏差變化率ec作為PID調(diào)節(jié)器的輸入，根據(jù)模糊控制理論實時對比例、積分、微分三個系數(shù)進行調(diào)節(jié)，滿足PID參數(shù)在不同時刻自動調(diào)節(jié)的要求[2]。其結構框圖如圖2所示。

圖2 自動調(diào)節(jié)模糊PID控制器框圖

根據(jù)MIG焊送絲速度控制系統(tǒng)設定值的要求，定義送絲速度偏差e和速度的偏差變化率ec以及KP、KI、KD的模糊論域為[-3，3]，五個參數(shù)所對應的模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，模糊子集中的元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。設速度偏差e的基本論域為[-10，10]μm/s，采樣周期25ms，偏差變化率ec的基本論域為[-0.6，0.6] μm/s-2，其量化因子分別為：ke=0.4，kec=10。KP、KI、KD的基本論域分別定義為[-7，7]、[-0.1，0.1]、[-0.5，0.5]，可以計算出三者的比例因子k1、k2、k3分別為7/6、0.1/6、0.5/6。

在MATLAB模糊邏輯編輯窗口“FISEditor”中建立一個兩輸入三輸出的Mamdani型模糊推理系統(tǒng)，變量編輯隸屬函數(shù)，如圖3所示。

根據(jù)自動調(diào)節(jié)模糊PID調(diào)節(jié)器的設計思想，總結歸納比例系數(shù)的模糊控制規(guī)則，如表1所示。同理可以得到積分系數(shù)和微分系數(shù)的模糊控制規(guī)則。該模糊控制器的控制規(guī)則采用“If e is x1 and ec is x2 then KI is c”的條件句式形式建立。

3 PLC程序設計

MIG焊送絲機速度控制系統(tǒng)的模糊PID控制器為一個兩維輸入三輸出的曼達尼系統(tǒng)，可以將其看成兩維輸入、單個輸出的三個子系統(tǒng)，分別求出PID的比例、積分、微分三個參數(shù)的模糊規(guī)則數(shù)值查詢表。采用加權平均法得到ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊控制變量查詢表。采用離散化的處理方式，將三個參數(shù)的查詢表存放在PLC的共享數(shù)據(jù)塊DB中，實際運行時，查詢表即可得到PID三個參數(shù)變化的模糊值，最后將模糊控制策略通過離線計算和在線查詢的方式實現(xiàn)PID參數(shù)動態(tài)整定[3]。具體步驟有偏差變量模糊化、模糊整定以及去模糊化環(huán)節(jié)。模糊PID控制流程如圖4所示。

模糊PID的三個控制參數(shù)表在WIN-STEP7編程環(huán)境中生成比較復雜繁瑣，本研究采用離線生成的方法，將控制規(guī)則參數(shù)查詢表以共享數(shù)據(jù)塊（DB）的形式存儲于PLC的ROM中，控制算法的程序設計仍然采用模塊化的編程思想。將整個模糊PID調(diào)節(jié)器算法按步驟分為三個部分，每一個部分放在獨立的功能（FC）中，按照控制邏輯組合在一起構成了模糊PID控制[4]，并由主程序OB1調(diào)用循環(huán)中斷組織塊OB35。功能FC分為計算速度偏差e和偏差變化率ec的值及其離散化和模糊化處理（FC8）。模糊規(guī)則查詢表則以共享數(shù)據(jù)塊（DB）的形式供FC使用，ΔkP、ΔkI、ΔkD三個參數(shù)的模糊規(guī)則查詢表各存放在DB3、DB4、DB5中，在線查詢各個DB中的模糊值并實時計算模糊PID的三個參數(shù)（FC9），最后PID參數(shù)去模糊化并運算輸出（FC10）。PLC中模糊PID調(diào)節(jié)器算法設計原理如圖5所示。

PLC是通過查詢數(shù)據(jù)地址獲取數(shù)據(jù)的。本研究設計的PLC程序數(shù)據(jù)查詢采用基址查詢和變址查詢相結合的綜合尋址方法，對控制規(guī)則查詢表中的數(shù)據(jù)實時進行查詢。在本系統(tǒng)的焊絲送絲速度模糊PID調(diào)節(jié)的算法中，PID參數(shù)模糊論域的離散化元素為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。為方便尋址，將E、EC的元素轉化為{0，1，2，3，4，5，6}。PID變量控制表中的值是以浮點數(shù)（REAL）形式存放在DB中，如DB3. DBD0、DB3.DBD4等。尋址中基址設為0，變址=0+E*28+ EC*4，在這樣的尋址方式下，將模糊PID調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)的模糊規(guī)則查詢表寫入PLC的數(shù)據(jù)寄存區(qū)ROM中，按照從左到右、從上到下的方式寫入，三個參數(shù)的查詢表存放在各自共享數(shù)據(jù)塊DB3、DB4、DB5中。如當E=1，EC=1時，變址=1*28+1*4= 32，即DB3.DBD32就是當前情況下比例系數(shù)增量的值，同理DB4.DBD32就是當前情況下積分系數(shù)的值。最終實現(xiàn)了MIG焊送絲速度控制的模糊PID三個參數(shù)的實時動態(tài)整定。

圖3 各變量隸屬函數(shù)

表1 K P的模糊規(guī)則表

圖4 模糊PID控制流程

圖5 模糊PID調(diào)節(jié)器算法原理

4 結論

MIG焊送絲機速度閉環(huán)模糊PID控制系統(tǒng)以可編程控制器PLC為核心，對送絲機速度控制過程中PID三個參數(shù)實時在線調(diào)整提出了解決方法，最后給出模糊PID控制在PLC中的實現(xiàn)方式。實踐表明，設計的模糊PID控制系統(tǒng)焊絲進給速度穩(wěn)定，提高了MIG焊接質量。

[1]李憲政，張劍文.弧焊機技術的發(fā)展及展望[J].化工施工技術，2000，22（3）：8-10.

[2]宋德玉.可編程控制器原理及應用系統(tǒng)設計技術（第2版）.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[3]李友善，李軍.模糊控制理論及其在過程控制中的應用[M].北京：科學出版社，2003：137-138.

[4]劉金現(xiàn).先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：67-70.

Research on control system for M IG welding w ire feeder based on PLC

ZHANG Peiyan
（Zhengzhou VocationalCollegeof Tourism，Zhengzhou 450009，China）

Conventional PID with negative voltage feedback is widely used for controlling MIG welding wire feeder in our country. However,PID parameters can not be adjusted online,smoothness of wire feed is not high,and dynamic characteristics of wire feed system is poor.A speed control system for closed loop wire feeder is designed based on a fuzzy PID controller.The principle of speed adjustment of the wire feeder is described,the membership function and rule list of fuzzy PID controller are established.And the implementationmethod of PLC program for fuzzy PID control is introduced.

MIG welding；wire feeder；fuzzy PID

TG435.5

A

1001-2303（2015）07-0056-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.12

2014-12-21

張培彥（1979—），男，河南滎陽人，講師，碩士，主要從事自動控制技術的教研工作。