基于灰色PID控制的全數字送絲系統設計

王 春，黃 波，李志榮，胡 勇

(1.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000；2.四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000)

基于灰色PID控制的全數字送絲系統設計

王 春1，2，黃 波1，2，李志榮1，2，胡 勇1，2

(1.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000；2.四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000)

焊接電流是影響焊接質量的重要因素，而焊接電流的大小取決于焊接速度，因此送絲系統的控制電路、調速方案和穩定性在整個焊接過程中占據著重要的位置。針對當前送絲電機控制系統的不足，提出基于灰色PID速度控制的調速系統。首先分析送絲系統的硬件組成，并給出雙閉環系統的總體結構，介紹灰色PID控制原理，最后通過Simulink對上述方法進行仿真。仿真結果表明，該算法能夠有效預測檢測信號的未來趨勢，具有良好的快速動態響應能力，相比常規PID算法有更優良的性能，可應用于全數字化送絲系統中。

送絲系統；灰色PID；調速系統

0 前言

焊接電流、焊接電壓和焊接工藝過程的穩定性是影響焊接質量的重要因素。而焊接電流的大小取決于焊接速度，因此送絲系統的控制電路、調速方案和穩定性在整個焊接過程中占據著重要的位置[1-2]。早期送絲系統通過調整晶閘管導通角大小來控制電機的轉速，但動作噪聲大，使用壽命短，系統響應速度慢[1]。后來多采用電機調節方式，主要是采用轉速負反饋自動調節、電樞電壓負反饋自動調節和電樞電壓負反饋配合電樞電流負反饋自動調節，控制方法通常采用PID模擬控制方法，但缺點是參數調節需要一定時間，響應速度慢，最優參數的選取比較困難，擴展性和適應性不強。

本設計結合電焊機中送絲系統的控制要求，以DSP為控制核心，采用脈寬調制(PWM)控制直流電機的轉速，通過電流負反饋的灰色PID控制，通過編碼器精確調節電機的轉速[1-3]，從而提高焊接系統控制精度。

1 控制系統設計

1.1 送絲系統硬件組成

送絲電機控制采用DSP為控制核心，整個控制系統由鍵盤電路、LCD顯示電路、光耦合電路、通信電路和電機驅動電路組成，硬件系統如圖1所示。鍵盤電路負責參數的輸入，LCD顯示電路實現現場數據的顯示，DSP與上位機通過RS232實現通信功能。在焊接送絲系統設計中，焊槍的行走速度和穩定性占據舉足輕重的地位，可以在送絲電機的同軸安裝光電編碼器，將速度信號轉換成脈沖信號，經過光電隔離電路后送入DSP，進行灰色PID數字調節，然后通過調節PWM脈沖進而實現對送絲電機速度的控制[3-5]。

圖1 送絲系統硬件

1.2 直流電機驅動電路

由于直流電動機的轉速與電樞電壓U成正比，因此通過控制電樞電壓U就可以控制電機的速度。直流電機采用H橋雙極性電壓驅動方式，驅動系統如圖2所示。電機的電樞繞組兩端電壓平均值U0為

圖2 H型雙極可逆PWM驅動系統

1.3 雙閉環控制

早期的送絲電機主要采用開環控制系統，后來發展到速度單閉環系統，但是系統的動態性能較差，送絲精度不高。因此，采用雙閉環調速系統[1]，即采用電流內環，速度外環的方案。而在雙閉環中決定調速系統性能的主要因素是速度外環，所以在速度環中有必要采用智能控制方法以提高控制精度[7]。調速系統原理如圖3所示。

圖3 灰色PID調速系統原理

在控制系統的速度外環中，將給定速度值和由光電編碼器測得的電機轉速值進行比較，得到速度偏差，通過灰色PID調節得到的結果再作為電流環的輸入。

在控制系統的電流內環中，原理和外環一樣，先將霍爾傳感器測得的電流值轉換成電壓值，再反饋到電流環中，計算偏差，然后將灰色PID調節的結果控制PWM的占空比，通過H型驅動電路，實現對電機轉速的控制[1-7]。

其中濾波器的作用是濾除速度輸出信號中的雜波信號，以滿足動態響應的性能要求。

2 灰色PID控制系統[9-10]

2.1 灰色PID理論基礎

灰色預測控制理論是由鄧聚龍教授提出的，部分信息已知、部分信息未知的系統稱為灰色系統，是處理不確定量的一種有效途徑。采用灰色系統的方法，對于不確定部分建立灰色模型，利用它來使控制系統中的灰量得到一定程度的白化，以提高控制質量及其魯棒性。

設系統不確定部分符合匹配條件，即為bD(x，t)，其中D(x，t)包括兩部分：一部分與狀態x成比例，一部分與狀態無關，可描述為

式中 V＝(V1V2… Vn)，xT＝(x1x2… xn)。

2.2 連續系統灰色PID控制

考慮由下列N個非線性不確定子系統組成的復合非線性不確定系統

式中 x∈Rn，u∈R，A為n×n維矩陣，b為n維矩陣，D(x，t)∈R。

bD(x，t)代表系統滿足匹配條件的不確定部分，它包括參數不確定與外干擾等

采用PID控制

為了提高魯棒性，改善控制性能，減弱不確定部分的影響，在控制器起動過程中，首先采用灰色估計器粗略估計不確定部分模型參數V，然后對D(x，t)加以一定程度的補償。

不確定部分D(x)無法直接測量，可由測量數據間接計算，離散化為

式中 t＝kT，T為采樣周期。

灰色估計器的具體算法如下：

(3)計算

式中 BTB必須可逆，若不可逆，則應適當增加N，直到BTB可逆。

(4)根據狀態x(0)k計算D(0)k離散數列，其中

(5)計算D(1)k累加離散數列

(6)計算不確定參數估計值

具有灰色估計器的PID控制方法分為兩個階段。第一階段：采用PID進行控制，對不確定部分的模型參數V進行估計。第二階段：在N步后，在上述控制律基礎上，按估計參數V＾加上補償控制uc，此時u＝up+uc

設

采用u＝up+uc計算，系統性能大為改善，魯棒性大大提高。

采用直流電機額定功率185W，額定電壓220V，額定轉速200 r／min。通過Simulink對上述方法進行仿真，得到的常規PID控制與灰色PID控制的結果對比如圖4所示。可以明顯看到與常規PID控制相比，灰色PID控制在調整時間和最大超調量方面有明顯的改善。

圖4 常規PID控制與灰色PID控制對比

4 結論

仿真結果表明，基于灰色PID控制的調速系統能夠有效預測檢測信號的未來趨勢，具有良好的快速動態響應能力，能有效抑制超調量，增強系統的抗干擾能力，加快穩定時間，提高效率，可應用于全數字化的送絲系統中。

[1]謝 平.送絲系統的數字控制研究[J].電焊機，2010，40(3)：83-85.

[2]劉俊梅，楊 帥，閆思博，等.數字化MIG焊機的送絲系統[J].電焊機，2009，39(2)：67.

[3]沙德尚，廖曉鐘，單立軍，等.送絲電機全數字化控制策略[J].焊接學報，2009，30(3)：49-50.

[4]黃鵬飛，張 濤，古金茂，等.基于模糊PI控制的全數字送絲系統研究[J].電焊機，2010，40(7)：33-34.

[5]朱建渠，張雪原，曹太強.基于埋弧焊機的直流電機數字調速系統研究[J].電焊機，2010,40(4)：82-83.

[6]曹太強，許建平，吳 昊.基于DSP數字調速直流電機系統設計[J].電力電子技術，2008，2(24)：73-77.

[7]蔣 洪.基于灰色預測PID控制及LabVIEW的直流電機調速系統設計[J].測控技術，2010，29(11)：67-68，70.

[8]陳成全.基于單片機的全位置自動焊接控制系統的研究[D].成都：西南交通大學，2009.

[9]劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2003：238-239，241-242.

[10]蔣陵平，傅 強.灰色PID控制在航空發動機中的應用研究[J].機械設計與制造，2006(5)：129-130.

Design of fully digitalized wire feeding system based on grey PID control

WANG Chun1，2，HUANG Bo1，2，LI Zhi-rong1，2，HU Yong1，2
(1.Sichuan Provincial Key Lab of Process Equipment and Control，Zigong 643000，China；2.Mechanical Engineering College，Sichuan University of Science＆Engineering，Zigong 643000，China)

Welding current is a important factor which affect welding quality and depend on welding speed.Therefore，control circuit，speed control scheme and stability of wire feeding system occupy an important position in welding process.To overcome the shortcoming of current wire feeding motor control system，a speed control system based on grey PID is proposed.First，the wire feeding system of hardware composition is analyzed and the overall structure of dual-loop control system is put forward.Secondly，the control theory of grey PID is introduced.Finally，above method could simulate based on simulink.The simulation results show that the algorithm could predict the future trends of detection signal and used for fully digitalized wire feeding system with good quick dynamic response performance.It has better capability than general PID algorithm.

wire feeding system；grey-PID；speed control system

TG433

A

1001-2303(2011)12-0006-04

2011-06-17

過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室基金項目(GK201001、GK200905)；四川理工學院人才引進科研啟動項目(2010XJKRL012)

王 春(1984—)，男，四川自貢人，碩士，助教，主要從事工業過程監控及焊接自動化方面的研究工作。