弧焊電源智能控制研究現(xiàn)狀與展望

董兵天

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

0 引 言

智能化的新型弧焊電源設(shè)有微機(jī)處理器和專用的大型集成電路，核心在于智能化、數(shù)字化的弧焊電源的全面控制。基于此，逆變式新型弧焊電源結(jié)構(gòu)具備了更優(yōu)的可靠性和科學(xué)性，確保了在簡化整個電源基本構(gòu)造的同時，優(yōu)化全方位的電源運(yùn)行性能[1]。此外，運(yùn)用智能控制全面操控弧焊電源的整個運(yùn)行過程，可在根源上增強(qiáng)弧焊電源的穩(wěn)定性和抗干擾性。

1 智能化的弧焊電源基本構(gòu)造

弧焊電源誕生之初，主要局限于直流發(fā)電機(jī)。目前，新型弧焊電源已具備逆變性和數(shù)字化的顯著特征。運(yùn)用智能控制操控弧焊電源有助于全面突顯弧焊電源本身具備的智能性與高效性，同時呈現(xiàn)輕量化的電源電路模塊[2]。對于主功率器，通常可選擇MOS管或者IGBT部件。針對新型的弧焊電源有必要設(shè)置80 kHz左右的逆變器頻率，以維持逆變器裝置的順利運(yùn)行。

從弧焊電源的整體構(gòu)造角度講，當(dāng)前多數(shù)弧焊電源都設(shè)有雙機(jī)控制的全新控制模式，核心在于智能控制器。電源控制核心應(yīng)為DSP的高性能芯片。對于PWM的傳輸脈沖而言，有限雙極性的特殊開關(guān)可實現(xiàn)針對上述脈沖予以精確輸出的目標(biāo)，然后放大光耦隔離器的脈沖波。因此，關(guān)于弧焊電源應(yīng)配備上述的基本電源架構(gòu)，運(yùn)用高頻開關(guān)順利完成全橋逆變主電路的驅(qū)動。

除電源基本構(gòu)造外，弧焊電源還應(yīng)配備交互式的人機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要依賴于SCI模塊，通過設(shè)置模塊調(diào)節(jié)的方式，隨時調(diào)控現(xiàn)有的弧焊電源電流和輸出電壓，并將其置于數(shù)字化的ARM調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。弧焊電源能達(dá)到全方位的智能化改進(jìn)，最關(guān)鍵的根源在于智能化的DSP模塊[3]。此類智能模塊可為操作者提供智能化的多種靈活算法，實現(xiàn)綜合性的電源性能優(yōu)化。同時，DSP還有助于迅速完成實時信號的處理，其中涵蓋了電流控制和復(fù)雜電壓調(diào)節(jié)的有關(guān)工藝。

2 弧焊電源全面運(yùn)用智能控制的要點

閉環(huán)反饋控制應(yīng)靈活運(yùn)用于全過程的焊接操作控制，因為智能控制過程通常涉及與之有關(guān)的焊接數(shù)據(jù)輸出和參數(shù)輸入等操作[4]。同時，焊接操作有關(guān)的各項參數(shù)都具備突出的非線性特征和較強(qiáng)的耦合性，實現(xiàn)建模操作的難度相對較大。傳統(tǒng)焊接控制的模式，主要借助PID的經(jīng)典控制運(yùn)算方法。近年來，智能控制逐漸具備了更快的運(yùn)算速度和更健全的電路結(jié)構(gòu)，且包含了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)、遺傳算法與其他多種算法。具體實踐中，智能控制弧焊電源的研究現(xiàn)狀可以從以下三方面給予分析。

2.1 關(guān)于構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

ANN可稱為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，本質(zhì)上屬于數(shù)學(xué)模型，全面融合了生物結(jié)構(gòu)和生物自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本功能。基于此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于完成并行式的協(xié)同處理、分布式信息存儲及自主學(xué)習(xí)，且具備自動建模的良好性能[5]。從現(xiàn)狀看，焊接過程靈活運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的著眼點應(yīng)在于保障焊接質(zhì)量、構(gòu)建焊接過程的模型、處理焊接熔池的圖像、預(yù)測接頭性能與跟蹤控制全過程的焊接操作等，同時確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身具備多層次的特征。

在具體實現(xiàn)焊接控制的有關(guān)實踐中，構(gòu)建整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵措施應(yīng)包含設(shè)計輸出層和輸入層，且多種神經(jīng)元都要納入輸入層的范疇，確保實現(xiàn)非線性的大量信息的接收和處理。同時，焊接操作涉及的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還需設(shè)計必要的輸出向量和輸入向量，通過運(yùn)用全方位的焊接信息分析、節(jié)點傳輸以及信息權(quán)衡操作實現(xiàn)最終的焊接操作結(jié)果。此外，上述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)包含隱藏層，尤其需要關(guān)注其中的復(fù)雜節(jié)點[6]。

2.2 關(guān)于模糊控制

FC技術(shù)是模糊控制方法，最突出的是非線性特征。針對焊接控制領(lǐng)域而言，模糊控制已被全面引入當(dāng)前的焊接控制操作。模糊控制方法建立在模糊關(guān)系、隸屬函數(shù)及模糊推理的前提下，可全面適用于多種多樣的焊接操作對象[7]。通過完成模糊推理可獲得相應(yīng)的模糊量，并將其轉(zhuǎn)變成清晰度較高的焊接控制模式。

2.3 關(guān)于遺傳算法

本質(zhì)上講，遺傳算法本身構(gòu)成了典型的搜索算法，核心內(nèi)涵在于模仿遺傳進(jìn)化和優(yōu)勝劣汰的自然演化規(guī)律。因此，遺傳算法能夠針對特定的對象直接作用而不必限定函數(shù)連續(xù)性。在涉及到遺傳算法和弧焊電源控制的融匯、結(jié)合過程中，通過判斷焊縫形態(tài)，全面判斷和確定熔化極氣體，且涉及到送絲距離、焊縫間隙及其他有關(guān)參數(shù)的精確輸入處理，最終尋求最優(yōu)的遺傳算法。

3 展望技術(shù)發(fā)展的趨向

當(dāng)前，智能控制技術(shù)表現(xiàn)為逐步深入發(fā)展的趨向，同時伴隨著各類控制手段的全面融合。展望現(xiàn)階段智能控制趨向可知，數(shù)字化和智能化構(gòu)成了下一階段弧焊電源控制的趨勢。下一階段，弧焊電源控制將全面整合現(xiàn)階段的電子信息技術(shù)和電子電力技術(shù)。從網(wǎng)絡(luò)通信的視角看，嵌入式新型操作系統(tǒng)占據(jù)了重要地位。弧焊電源逐步健全的過程中，電源本身將類似于計算機(jī)與焊接裝置的融合結(jié)構(gòu)，進(jìn)而呈現(xiàn)優(yōu)良的數(shù)字化和智能化控制性能[8]。

因此，在未來的弧焊技術(shù)轉(zhuǎn)型與優(yōu)化中，技術(shù)人員可將自適應(yīng)的內(nèi)置專家系統(tǒng)布置于弧焊電源的相應(yīng)部位，實現(xiàn)自動程度更高的焊接動作和焊接材料選擇。在柔性化和網(wǎng)絡(luò)化改造的前提下，針對整個弧焊電源，用戶可靈活遠(yuǎn)程控制，包含編程、在線調(diào)試與軟件升級等。

此外，智能化弧焊電源還設(shè)有自動焊接的靈活組合，其中自動機(jī)器人應(yīng)配備機(jī)器手臂和送絲操作的自動模塊，而技術(shù)人員隨時可維修或者拆卸模塊化的焊接電源。通過運(yùn)用全方位的自動化焊接操作，弧焊電源可實時在線反饋效果，隨時跟蹤調(diào)整焊縫等特殊部位。同時，技術(shù)人員應(yīng)繼續(xù)關(guān)注智能化手段和弧焊操作過程的全方位融合，推進(jìn)弧焊電源智能控制的轉(zhuǎn)變與演化。

4 結(jié) 論

近年來，智能化手段正滲透更多領(lǐng)域，誕生了智能控制的新型電源種類。若弧焊電源可實現(xiàn)整個過程的智能化操控，有助于縮短原有的電源設(shè)計周期，優(yōu)化控制硬件電路的具體操作模式。因此，未來實踐中，需落實升級現(xiàn)有的弧焊電源綜合性能，全面突顯操控弧焊電源的便捷性和靈活性。