基于模式識別PI自整定的 漆包線點焊智能控制

田然 曾家銓 劉明 曹彪 黃增好

摘要：漆包線點焊過程時間較短，要求點焊電源控制響應(yīng)快速，且其電極具有屬性差異大、在使用過程中因不斷損耗需頻繁更換的特點。常規(guī)PID控制由于其參數(shù)固定不變，難以根據(jù)點焊回路尤其是電極差異進行自適應(yīng)調(diào)整。提出一種基于模式識別PI自整定的漆包線點焊智能控制方法，與常規(guī)PID控制方法相比，該方法可針對不同的電極對控制參數(shù)進行自整定，提高了漆包線點焊控制的穩(wěn)定性和快速性，取得了較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：漆包線點焊;PID自整定;模式識別;智能控制

中圖分類號：TG409? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）01-0049-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.07

0? ? 前言

漆包線廣泛應(yīng)用于電子和電氣等領(lǐng)域，常作為元件內(nèi)外連接的導(dǎo)體介質(zhì)或繞成線圈作為元件的一部分。單面電阻點焊是目前常用的一種漆包線點焊方法，一般采用具有特殊回路結(jié)構(gòu)的點焊電極，通電時，電極端部電流密度大，電流熱效應(yīng)使端部極速升溫至紅熱狀態(tài)，從而實現(xiàn)漆包線的脫漆與焊接[1-3]。

漆包線點焊一般采用基于PI控制的恒電壓模式，有時也采用恒電流模式，但目前常見點焊電源的單一固定PI參數(shù)無法較好地適應(yīng)漆包線點焊電極的以下幾個特點[4-5]：（1）不同形狀、大小、材質(zhì)的電極差異較大，比如存在片狀電極與針狀電極;（2）使用過程中，端部損耗對回路影響較大;（3）更換頻繁，自動化產(chǎn)線一天就可能消耗數(shù)支電極，即便僅應(yīng)用同一種電極，由于電極端部尺寸較小，難以保證較好的材料均勻性和加工一致性。

因此，為了保證不同電極甚至同一電極不同狀態(tài)下在電源輸出過程中不會產(chǎn)生震蕩或較大的過沖，一般控制策略較保守，選取的PI參數(shù)較小，造成階躍響應(yīng)在約3～6 ms區(qū)間內(nèi)達到設(shè)定的電壓值，響應(yīng)的一致性難以保證，并且較難適應(yīng)短時間快速焊接的需要。即便采用較保守的控制策略，隨著電極的損耗、電阻的不斷增大，在電極壽命的中后期仍然可能發(fā)生震蕩。因此，需要針對不同電極甚至同一電極的前后不同狀態(tài)進行PI參數(shù)的自整定并智能監(jiān)控。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模式識別法

設(shè)計了如圖 1所示的逆變式電阻點焊電源控制器，其輸入端為焊接回路的電壓或電流反饋信號，經(jīng)過采樣電路的信號處理輸入到PIC32MK芯片的ADC端口，再經(jīng)過PI控制，輸出PWM信號，PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路隔離放大后控制IGBT，從而控制焊接回路。

漆包線點焊使用電極具有特殊的回路結(jié)構(gòu)，不論有無焊接工件，點焊回路都是完整的。在電源放電前期，漆包線漆皮未熔化，對回路控制影響較小，焊接所需熱輸入主要靠電極傳熱，漆皮熔化后才可能發(fā)生分流。因此，對PI控制效果的檢驗可以選擇在無工件情況下進行階躍響應(yīng)測試。

一般自整定方法都需要對過程模型進行辨識，計算復(fù)雜。而模式識別法可以避開過程模型問題，且無需像繼電反饋法那樣產(chǎn)生自激振蕩，在閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形上選取一組能表征過程特性且數(shù)據(jù)量盡可能少的特征信息作為狀態(tài)變量，以此為依據(jù)設(shè)計自整定方法，屬于智能PID控制[6-8]。

文中的階躍響應(yīng)下基于模式識別的PI自整定控制器原理如圖2所示。原理為：對階躍響應(yīng)系統(tǒng)誤差e的時間特性進行模式識別，提取該過程部分特征參數(shù)ek作為狀態(tài)變量，將其與理想模式的狀態(tài)變量值進行比較，按大小關(guān)系送入基于二分法的自整定算法環(huán)節(jié)，計算出PI控制器各參數(shù)所對應(yīng)的一次調(diào)節(jié)量，多次自調(diào)節(jié)直至階躍響應(yīng)特征參數(shù)與理想模式吻合，完成自整定過程。文中方法無需預(yù)先對被控對象進行大量實驗或仿真構(gòu)建專家系統(tǒng)，只需確定理想模式的狀態(tài)變量即可，具有適用性廣的優(yōu)點。

由增量式PI控制算法[9]可得出表達式：

（1）

式中 Δu為控制量的增量，在點焊控制器中為PWM輸出占空比（PDC）的增量;Ig為恒壓或恒流設(shè)定值;Is為焊接電壓或電流的反饋采樣值;下標(biāo)k代表第k次控制周期。在階躍響應(yīng)的上升階段，Ig>Isk>Isk-1 恒成立，因此，每在比較器環(huán)節(jié)執(zhí)行比較后，若上升過快、最大超調(diào)過大，則自整定算法中應(yīng)考慮減小ki或增大kp;反之，若上升時間過長、呈現(xiàn)過阻尼，則考慮增大ki或減小kp。

另外，由于PI算法為增量式，PDC需要一個初值pdc0，而當(dāng)占空比小于一定值時，電源主電路IGBT導(dǎo)通時間很短，實際能產(chǎn)生的電流很微弱，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離使用范圍。因此，若初始占空比pdc0不設(shè)為0，可縮短上升過程初期的時間，為了找到較合適的參數(shù)，需進行自整定。

文中設(shè)計的點焊電源控制周期為0.25 ms，設(shè)定理想模式的階躍響應(yīng)指標(biāo)為上升時間1.5～2.0 ms，即6～8個控制周期，且最大超調(diào)在2%以內(nèi)。由式（1）及實驗可知，在恒壓放電這一階躍響應(yīng)初期Is值較小，比例環(huán)節(jié)累積的影響相對微弱，輸出調(diào)節(jié)主要靠積分環(huán)節(jié)起作用，尤其在電源輸出的前3個周期以內(nèi)，在一定范圍改變kp值對反饋得到的電壓值影響微弱，如圖 3所示。

因此，通過實驗確定理想模式的階躍響應(yīng)曲線的第3周期電壓反饋值u3與設(shè)定值U的比值α%（根據(jù)不同的階躍響應(yīng)指標(biāo)，實際獲得的α值不同，約在40～50之間）。自整定的第一步，按u3是否近似等于設(shè)定值U的α%調(diào)節(jié)積分系數(shù)ki。確定ki后，第二步是kp參數(shù)的自整定，以保證在目標(biāo)上升時間8周期內(nèi)使電壓達到設(shè)定值U且沒有明顯超調(diào)。最后是pdc0的自整定，進一步縮短上升時間。

2 自整定程序流程

PI自整定程序框圖如圖 4所示。在3個自整定子程序開始之前，先確保在操作界面設(shè)定好恒壓值U和比例α，程序先初始化PI參數(shù)ki及pdc0為一個較小的初值，并初始化ki、kp和pdc0對應(yīng)的自調(diào)節(jié)步長di、dp和dc，及步長di、dp的下限dmin，注意此處所有值都為正數(shù)。由于初始占空比無需較高精度，故無需設(shè)置其步長下限。

初始化完成后，進入ki自整定子程序，如圖 5所示。剛進入子程序或每經(jīng)ki參數(shù)自調(diào)節(jié)一次之后，都設(shè)定kp等于ki，在一定的冷卻延時后，放電4周期（即1 ms）。其中，冷卻延時的作用是確保每次放電前回路已無殘余電流，且防止電極在自整定過程中過熱或燒損。

此時，讀取放電第3周期電壓反饋值u3作為特征信息，并與設(shè)定值U的α%進行比較，分三種情況：（1）若兩值近似相等，則結(jié)束子程序。 （2）若反饋值u3相對較小，則應(yīng)增大ki，即本次步長di應(yīng)為正;若上次di為正，則沿用，表明尚未鎖定ki的區(qū)間，若上次di為負(fù)，則可鎖定ki的區(qū)間，此處引入二分法思想，令di符號取反且值除以2。 （3）若u3相對較大，則應(yīng)減小ki，即本次步長di應(yīng)為負(fù);若上次di為負(fù)，則沿用，表明尚未鎖定ki的區(qū)間;若上次di為正，則可鎖定ki的區(qū)間，令di符號取反且值除以2。

在比較環(huán)節(jié)結(jié)束后，判斷本次計算后di絕對值是否小于最小步長dmin。若小于，則達到精度要求，結(jié)束子程序;否則，令ki加上步長di，完成一次調(diào)節(jié)并進入下一次調(diào)節(jié)過程。

ki自整定完畢后進入kp自整定子程序，如圖 6所示。kp與ki的自整定類似，只是識別的特征信息由第3周期電壓反饋值u3變?yōu)榈?周期電壓反饋值u8，當(dāng)u8與設(shè)定值U近似相等或步長dp絕對值小于最小步長dmin時，結(jié)束子程序。

kp自整定完畢后進入pdc0自整定子程序，見圖 7。與kp和ki相比較，pdc0無需較高精度，故無需二分迭代，此環(huán)節(jié)識別的特征信息是第8周期和第6周期的電壓反饋值u8、u6，以進一步縮短上升時間。

三個參數(shù)的自調(diào)節(jié)次數(shù)之和一般在25次以內(nèi)，由于一次調(diào)節(jié)過程時間很短，總時間不超過0.2 s，若自調(diào)節(jié)次數(shù)之和超過30次，會停止自整定并報警提示，以增強魯棒性，防止電極過熱燒損或其他異常。

3 實時監(jiān)控策略

當(dāng)三個參數(shù)都自整定結(jié)束后（見圖 4），保存自整定過程中最后一次階躍響應(yīng)的前10周期電壓采樣值作為理想曲線，為后續(xù)焊接提供參考標(biāo)準(zhǔn)。將理想曲線上下平移一定值作為包絡(luò)線，當(dāng)后續(xù)焊接過程中的實時電壓采樣值超出包絡(luò)曲線，電源會報警提示或自動執(zhí)行PI參數(shù)自整定程序，以保證焊接過程的穩(wěn)定性。

4 試驗結(jié)果

選取5種不同規(guī)格的針狀漆包線點焊電極（見圖 8），對電源進行PI自整定實驗驗證。點焊電源完整PWM周期為15 000時鐘周期，恒壓比例系數(shù)α為43，設(shè)定pdc0為2 000時鐘周期，ki初值為0.4，di初值為0.8，dp初值為0.4，dmin為0.1，dc為500時鐘周期。

以圖中1號電極為例，設(shè)定恒壓0.7 V，自整定全過程電極電壓波形如圖 9a所示，總耗時約80 ms。參數(shù)迭代過程如圖 9b所示，ki自整定過程迭代4次，kp自整定過程迭代3次，pdc0自整定過程迭代3次，總迭代次數(shù)10次。1號電極自整定結(jié)束后，以恒壓0.7 V進行漆包線點焊的電極電壓波形如圖 10所示，上升時間約為1.6 ms，最大超調(diào)在2%以內(nèi)，符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)試驗，5根電極參數(shù)自整定后均可在最大超調(diào)在2%以內(nèi)的前提下將恒壓輸出的上升時間縮短至約1.6 ms。恒壓0.7 V下自整定前后參數(shù)對比如表 1所示。由表1可知，在單一固定參數(shù)kp=ki=1時，恒壓焊接的上升時間與電極電阻呈負(fù)相關(guān)，差異明顯，且自整定后的kp、ki參數(shù)大小也大致與電極電阻呈負(fù)相關(guān)。

試驗結(jié)果表明，為保證輸出的一致性，漆包線點焊電極更換（或電極損耗導(dǎo)致電阻變化）后需要重新整定PI參數(shù)，且采用文中所述基于模式識別的PI自整定方法具有很好的整定效果。若某些點焊工藝需要較緩慢的上升過程，亦可額外自行設(shè)定勻速上升時間。

5 結(jié)論

（1）基于模式識別的PI自整定方法及實時監(jiān)控策略計算簡單，無需辨識過程模型及專家系統(tǒng)知識庫，且二分法在保證精度的同時減少了自調(diào)節(jié)次數(shù)。在點焊恒壓控制應(yīng)用中自整定總時間不超過0.2 s，一般在更換電極或電極損耗較大時執(zhí)行此功能。

（2）對點焊電源增加了PI自整定與實時監(jiān)控功能后，提升了漆包線點焊過程的穩(wěn)定性和響應(yīng)的一致性，避免了人工調(diào)參過程，也更好地適應(yīng)了短時間快速焊接的需要。

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