PCD刀具高頻感應釬焊溫度控制系統設計

李琦楠，董 海，徐 鵬

(大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

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

1 系統控制方法設計

1.1 系統模型

PCD刀具的高頻感應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[5]。針對這一特點，采用模糊與PID復合的控制方式進行溫度控制[6]。在此過程中，設定一閾值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為該控制系統模型。

1.2 模糊控制器設計

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},隸屬度函數選擇三角形隸屬函數，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，隸屬函數都選擇三角形隸屬函數。

(3) 設計模糊控制器的控制規則。模糊控制規則如表1所示。

圖1 控制系統模型

圖2 各變量對應的隸屬度函數

(4) 模糊量到精確量的轉換。本文模糊判決采用加權平均法，計算公式如下：

(1)

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

表1 模糊控制規則

1.3 PID控制器設計

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

其中：Kp為比例系數;Ki為積分系數;Kd為微分系數。

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

2 系統硬件設計

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

控制系統硬件包括主控板和驅動板。主控板負責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的信號，控制蜂鳴器的發聲，通過溫度采集器接收由Modbus協議發送的信號量，并轉化為實際的溫度，對采集到的溫度信號數據進行處理、計算，輸出PWM控制信號給驅動板；驅動板采用大功率MOS管電路實現對功率的控制。

3 系統軟件設計

軟件系統采用了μC/OS嵌入式實時操作系統，可以提高系統的響應性，同時也簡化了程序開發流程[9]。本系統劃分為起始程序、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，在程序初始化時創建其余任務；顯示程序控制串口屏幕，顯示出設定溫度、實際采集溫度和當前系統狀態處于模糊控制還是PID控制；采集程序控制溫度傳感器采集溫度，并使用Modbus協議將采集的溫度讀取到單片機，對讀取的信號量進行轉化，轉化成實際采集溫度；報警程序對傳感器發出的信號進行檢測，判斷系統是否處于正常狀態；在整個系統中，控制程序處于核心地位，決定著最后的控制效果。在各項初始參數設置好后，控制程序通過計算獲得所需的溫度偏差和偏差變化率，并選擇相應的控制策略。在采集程序讀取溫度后，優先級更高的控制任務進行搶占，計算偏差和偏差變化率，將偏差與所設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

高頻感應加熱的傳遞函數是一個一階慣性環節與一個滯后環節串聯的數學模型[10]，其傳遞函數為：

(3)

其中：K為增益系數；T為時間常數；τ為純滯后時間常數。經計算：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釬焊加熱傳統PID和模糊PID復合控制的仿真模型。

4.1 傳統PID控制仿真

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

圖3 傳統PID控制仿真模型

圖4 PID控制輸出響應曲線

從圖4中可以看出：利用傳統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，但是會產生很高的超調量，最大超調量為125，不符合設計要求。

4.2 模糊PID復合控制仿真

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

仿真結果表明：相比于傳統的PID控制方式，模糊PID復合控制既可以縮短系統過渡時間、提高響應速度，同時可以減小系統的超調量，使超調量控制在允許的溫度誤差范圍之內，并且實現了較好的穩態性能。

5 結論

本文設計了一套PCD刀具高頻感應釬焊的溫度控制系統。系統采用模糊控制與PID復合的控制方式，在允許的溫度范圍之內，該系統可以實現精度較高的控溫調節。仿真結果表明：相比于普通的PID控制系統，該控制系統具有響應速度快、穩態精度高、超調量小等優點；整個控制過程的溫度變化在允許的范圍之內，完全能夠滿足PCD刀具自動釬焊的需要。

圖5 模糊PID復合控制仿真模型

圖6 模糊PID復合控制輸出響應曲線