PCD刀具高頻感應(yīng)釬焊溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

李琦楠，董 海，徐 鵬

(大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

在PCD刀具的制造過程中，焊接是最主要的環(huán)節(jié)之一[1]，所選用的焊接方法和焊接工藝直接影響著PCD刀具的質(zhì)量。而相比于其他的焊接方法，高頻感應(yīng)釬焊憑借其設(shè)備投資少、焊接工藝簡單、生產(chǎn)效率高等特點廣泛應(yīng)用于PCD刀具的焊接中[2]。國外PCD刀具已開始采用自動釬焊技術(shù)，焊接質(zhì)量高且一致性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。而我國仍然采用手工焊接的方式，焊接溫度難以精確控制，焊接質(zhì)量依靠工人的技術(shù)等級，因此刀具的焊接質(zhì)量很不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低[3]。由此可見，對于感應(yīng)加熱過程中的溫度控制尤為重要。高頻感應(yīng)加熱屬于非線性、大慣性的加熱系統(tǒng)[4]，如果單獨采用PID或者模糊控制則難以實現(xiàn)對其溫度的精確控制。因此，本文設(shè)計了一種基于模糊PID復(fù)合的高頻感應(yīng)釬焊加熱溫度控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)控制方法設(shè)計

1.1 系統(tǒng)模型

PCD刀具的高頻感應(yīng)釬焊可分為加熱升溫階段和恒溫階段。在恒溫釬焊過程中，釬焊溫度需要保持在680 ℃～720 ℃范圍內(nèi)[5]。針對這一特點，采用模糊與PID復(fù)合的控制方式進行溫度控制[6]。在此過程中，設(shè)定一閾值ε，當實時溫度偏差|e|>ε時，采用模糊控制進行加熱；當實時溫度偏差|e|≤ε時，采用PID控制。圖1為該控制系統(tǒng)模型。

1.2 模糊控制器設(shè)計

模糊控制采用二維模糊控制器，為雙輸入單輸出模式，其主要功能有輸入量的模糊化、模糊推理和去模糊[7]。

模糊控制器的設(shè)計主要包含以下四個方面：

(1) 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。輸入語言變量選擇溫度的偏差e和偏差變化率ec，輸出語言變量選擇控制驅(qū)動模塊PWM的占空比u。

(2) 輸入、輸出變量的模糊化。在該釬焊的升溫過程中，設(shè)定其溫度偏差e的基本論域為[-60,60] ,輸入語言變量的論域為[-6,6]，變量取7個語言值{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},隸屬度函數(shù)選擇三角形隸屬函數(shù)，如圖2所示。對ec、u進行相同的模糊化處理，ec的基本論域同樣為[-60,60],u的基本論域為[-1,1],語言變量與前者相同，隸屬函數(shù)都選擇三角形隸屬函數(shù)。

(3) 設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則如表1所示。

圖1 控制系統(tǒng)模型

圖2 各變量對應(yīng)的隸屬度函數(shù)

(4) 模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換。本文模糊判決采用加權(quán)平均法，計算公式如下：

(1)

其中：u′為精確量；ki為加權(quán)系數(shù)，i=1,2,3，…，m；ui為離散論域中的點。

表1 模糊控制規(guī)則

1.3 PID控制器設(shè)計

單片機屬于數(shù)字控制系統(tǒng)[8]，該PID控制部分采用位置式數(shù)字PID控制器，位置式PID的離散型表達式為：

其中：Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù);Kd為微分系數(shù)。

本文PID控制器的設(shè)計步驟為：在不添加微分、積分環(huán)節(jié)的情況下，將比例系數(shù)Kp從零逐漸增大，直到響應(yīng)曲線產(chǎn)生等幅振蕩，記下此時的Kp值；保持此Kp不變，添加微分環(huán)節(jié)，用同樣的方式確定Kd值；最后再對Ki進行調(diào)整。這樣可以獲得三者的初始值，后續(xù)還需對三者的參數(shù)值進行微調(diào)，最后得到可行的控制效果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能：①采集PCD刀具在高頻感應(yīng)釬焊過程中焊接處溫度；②實現(xiàn)人機交互；③對輸入的各項數(shù)據(jù)進行分析、計算、處理并輸出控制信號，對高頻感應(yīng)釬焊機進行功率控制。

控制系統(tǒng)硬件包括主控板和驅(qū)動板。主控板負責(zé)控制串口觸摸屏的顯示并接收來自觸摸屏按鍵按下后對應(yīng)的信號，控制蜂鳴器的發(fā)聲，通過溫度采集器接收由Modbus協(xié)議發(fā)送的信號量，并轉(zhuǎn)化為實際的溫度，對采集到的溫度信號數(shù)據(jù)進行處理、計算，輸出PWM控制信號給驅(qū)動板；驅(qū)動板采用大功率MOS管電路實現(xiàn)對功率的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用了μC/OS嵌入式實時操作系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性，同時也簡化了程序開發(fā)流程[9]。本系統(tǒng)劃分為起始程序、顯示程序、采集程序、報警程序和控制程序5個程序。起始程序是基本任務(wù)，在程序初始化時創(chuàng)建其余任務(wù)；顯示程序控制串口屏幕，顯示出設(shè)定溫度、實際采集溫度和當前系統(tǒng)狀態(tài)處于模糊控制還是PID控制；采集程序控制溫度傳感器采集溫度，并使用Modbus協(xié)議將采集的溫度讀取到單片機，對讀取的信號量進行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成實際采集溫度；報警程序?qū)鞲衅靼l(fā)出的信號進行檢測，判斷系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)；在整個系統(tǒng)中，控制程序處于核心地位，決定著最后的控制效果。在各項初始參數(shù)設(shè)置好后，控制程序通過計算獲得所需的溫度偏差和偏差變化率，并選擇相應(yīng)的控制策略。在采集程序讀取溫度后，優(yōu)先級更高的控制任務(wù)進行搶占，計算偏差和偏差變化率，將偏差與所設(shè)定好的閾值進行比較，判斷采用哪種控制方式，最后輸出PWM的控制量。

4 仿真實驗對比

高頻感應(yīng)加熱的傳遞函數(shù)是一個一階慣性環(huán)節(jié)與一個滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的數(shù)學(xué)模型[10]，其傳遞函數(shù)為：

(3)

其中：K為增益系數(shù)；T為時間常數(shù)；τ為純滯后時間常數(shù)。經(jīng)計算：K=1.13；T=10.5；τ=2。

本文利用MATLAB中的Simulink仿真工具箱建立高頻感應(yīng)釬焊加熱傳統(tǒng)PID和模糊PID復(fù)合控制的仿真模型。

4.1 傳統(tǒng)PID控制仿真

用Simulink建立一個傳統(tǒng)PID控制仿真模型和高頻感應(yīng)釬焊加熱系統(tǒng)模型，如圖3所示。輸入信號采用階躍信號，其值設(shè)定為690，其中PID的3個參數(shù)Kp、Ki、Kd如圖3所示，輸出的溫度曲線如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)PID控制仿真模型

圖4 PID控制輸出響應(yīng)曲線

從圖4中可以看出：利用傳統(tǒng)PID的控制方式很難達到想要的控制效果，雖然上升速率很快，但是會產(chǎn)生很高的超調(diào)量，最大超調(diào)量為125，不符合設(shè)計要求。

4.2 模糊PID復(fù)合控制仿真

利用Simulink建立如圖5所示的模糊PID復(fù)合控制仿真模型，其仿真后的輸出響應(yīng)曲線如圖6所示。

仿真結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)的PID控制方式，模糊PID復(fù)合控制既可以縮短系統(tǒng)過渡時間、提高響應(yīng)速度，同時可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，使超調(diào)量控制在允許的溫度誤差范圍之內(nèi)，并且實現(xiàn)了較好的穩(wěn)態(tài)性能。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一套PCD刀具高頻感應(yīng)釬焊的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模糊控制與PID復(fù)合的控制方式，在允許的溫度范圍之內(nèi)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)精度較高的控溫調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明：相比于普通的PID控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高、超調(diào)量小等優(yōu)點；整個控制過程的溫度變化在允許的范圍之內(nèi)，完全能夠滿足PCD刀具自動釬焊的需要。

圖5 模糊PID復(fù)合控制仿真模型

圖6 模糊PID復(fù)合控制輸出響應(yīng)曲線