本發(fā)明涉及電弧焊接過程控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于迭代學(xué)習(xí)的脈沖GTAW焊接過程控制方法。

背景技術(shù)：

脈沖GTAW焊接是指在惰性氣體保護(hù)下，采用脈沖交流電源通過鎢電極焊頭和工件之間的電弧進(jìn)行焊接的方法。電弧焊接過程涉及物理、化學(xué)、材料、冶金等多方面的復(fù)雜交互作用。從焊接工藝要求可知，完全熔透是形成堅固可靠焊縫的重要前提。因此為實現(xiàn)高效率的自動焊接，對焊縫熔透性的控制一直是焊接控制技術(shù)研究的重點。其困難在于：首先，由于焊接過程機理復(fù)雜，呈現(xiàn)高度非線性、大滯后以及時變不確定性等特點，難以建立焊接系統(tǒng)的精確模型，所以采用基于模型的控制方法，難以得到有效的控制模型。其次，由于焊接環(huán)境極端多變以及存在噪聲干擾和負(fù)載擾動，造成焊接系統(tǒng)參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)均會隨時間變化，使得經(jīng)典PID控制算法的參數(shù)整定困難較大。除此之外，目前采用的智能控制方法比如無模型自適應(yīng)控制。雖然其不依賴于焊接系統(tǒng)精確模型，能夠抑制外部環(huán)境不確定干擾，但是這種方法需要經(jīng)過一定的過渡時間才能達(dá)到期望指標(biāo)。那么前期過渡階段形成的焊縫將整體上降低工件的焊接質(zhì)量。因此，提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過程完全跟蹤的控制方法具有實際意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種基于迭代學(xué)習(xí)的脈沖GTAW焊接過程控制方法，在脈沖GTAW焊接的重復(fù)作業(yè)過程中，利用上次焊接過程的背面熔寬信息和焊接峰值電流修正當(dāng)次焊接過程的峰值電流，隨著焊接過程的不斷重復(fù)，可以快速實現(xiàn)高精度的背面熔寬。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明的目的是以下述方式實現(xiàn)的：

一種基于迭代學(xué)習(xí)的脈沖GTAW焊接過程控制方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：焊接控制過程初始化，包括如下具體步驟：

步驟1-1)設(shè)置焊槍的位置與工件的起始焊接位置相同；

步驟1-2)設(shè)置每次焊接的背面熔寬期望值y_d(t)，設(shè)置焊接作業(yè)次數(shù)k＝1，設(shè)置第1次焊接過程的焊接峰值電流值u₁(t)，t為時間變量,t∈[0，T]，T為每次焊接過程完成時的終止時刻；

步驟2：開始第k次焊接作業(yè)：

第k次電弧焊接任務(wù)開始，工件在電弧作用下形成焊縫，并由視覺傳感器測量焊縫的背面熔寬y_k(t),然后與期望存儲器中的期望值y_d(t)相比得到背面熔寬誤差e_k(t)并將e_k(t)儲存到誤差量存儲器：e_k(t)＝y(tǒng)_d(t)-y_k(t)；

步驟3：控制量存儲器更新：

第k次焊接作業(yè)結(jié)束后，判斷誤差量存儲器的數(shù)據(jù)是否達(dá)到背面熔寬誤差精度；若背面熔寬達(dá)到要求精度即滿足條件則直接進(jìn)行第k+1次焊接作業(yè)；否則，根據(jù)PD型迭代控制律：u_k+1(t)＝u_k(t)+k_pe_k(t)+k_de_k(t+1),得到第k+1次焊接作業(yè)的焊接峰值電流，并將u_k+1(t)儲存到控制量存儲器，其中k_p,k_d分別為比例學(xué)習(xí)增益和微分學(xué)習(xí)增益，u_k(t)為第k次焊接過程的焊接峰值電流值；

步驟4：令k值自動加1，轉(zhuǎn)到步驟2依次完成接下來的焊接控制任務(wù)。

優(yōu)選地，所述步驟3中，k_p的取值范圍為[0,1.6],k_d的取值范圍為[0,2]。

優(yōu)選地，所述步驟1中，設(shè)置第1次焊接過程的焊接峰值電流值u₁(t)＝0，t∈[0，T]，即第一次焊接作業(yè)時沒有輸入電流，直接根據(jù)視覺傳感器測量得到的背面熔寬誤差調(diào)整u₂(t)。

本發(fā)明的優(yōu)點是：充分利用焊接過程重復(fù)性的特點，采用PD型迭代學(xué)習(xí)控制算法，能夠使焊縫背面熔寬快速甚至完全達(dá)到期望指標(biāo)?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)簡單，不需要建立焊接系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，只需要上次焊接過程的輸入輸出信息。并且對焊接過程中的非重復(fù)性擾動具有一定的抑制能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于迭代學(xué)習(xí)控制的脈沖GTAW焊接系統(tǒng)原理圖。

圖2是本發(fā)明的算法實施流程圖。

圖3是焊接過程中焊縫背面熔寬的跟蹤曲線。

圖4是焊接過程的誤差最大值隨迭代次數(shù)的變化曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，基于PD型迭代學(xué)習(xí)律的脈沖GTAW焊接控制系統(tǒng)運行原理圖。

(a)不失一般性，假設(shè)正在進(jìn)行第K次焊接，控制量存儲器提供當(dāng)次運行中每個時刻的焊接峰值電流u_k(t)；在焊接過程中電弧作用于工件產(chǎn)生焊縫，通過視覺傳感器間接測量焊縫的背面熔寬y_k(t)，然后計算背面熔寬誤差e_k(t)，并儲存到誤差量存儲器；

(b)當(dāng)?shù)贙次焊接過程結(jié)束時，控制器根據(jù)PD型控制律，利用誤差量存儲器中的數(shù)據(jù)包括e_k(t)，e_k(t+1)以及控制量存儲器中的控制輸入u_k(t)計算第K+1次焊接的峰值電流，并保存到控制量存儲器。控制量存儲器更新完成后，將第K+1次焊接峰值電流值作為控制輸入進(jìn)行第K+1次焊接任務(wù)。

(c)然后重復(fù)過程(a)和(b)，依次進(jìn)行焊接作業(yè)并更新控制量存儲器。

如圖2所示，本發(fā)明方法的具體實施步驟如下：

1.焊接系統(tǒng)初始化。首先，初始化控制量存儲器，憑借工程經(jīng)驗任意給出首次焊接的焊接峰值電流u₁(t),t∈[0,T]。其次，確保每次焊接時焊槍與工件的相對空間位置相同。同時考慮到脈沖GTAW焊接過程是大滯后系統(tǒng)，并且各個工件的焊接又是相互獨立的，由此可知焊接系統(tǒng)的初始狀態(tài)相同且為零即d為最大時滯時刻，滿足迭代學(xué)習(xí)控制的適用條件。

2.第k次焊接作業(yè)。經(jīng)過焊接系統(tǒng)初始化后，令k＝1第k次電弧焊接任務(wù)開始，工件在電弧作用下形成焊縫，并由視覺傳感器測量焊縫的背面熔寬。然后與期望存儲器中的期望值相比得到背面熔寬誤差：e_k(t)＝y(tǒng)_d(t)-y_k(t)，并儲存到誤差量存儲器。

3.控制量存儲器更新。第k次焊接作業(yè)結(jié)束后，根據(jù)誤差量存儲器的數(shù)據(jù)判斷背面熔寬誤差精度。若背面熔寬達(dá)到要求精度即滿足條件則直接進(jìn)行第k+1次焊接作業(yè)。否則，根據(jù)PD型迭代控制律：

u_k+1(t)＝u_k(t)+k_pe_k(t)+k_de_k(t+1)

得到第k+1次焊接的控制輸入即焊接峰值電流，并儲存到控制量存儲器，k_p,k_d分別為比例學(xué)習(xí)增益和微分學(xué)習(xí)增益，k_p的取值范圍為[0,1.6],k_d的取值范圍為[0,2]。

4.重復(fù)焊接過程。令k＝k+1轉(zhuǎn)到步驟2，依次完成接下來的焊接控制任務(wù)。

考慮如下具有重復(fù)性的脈沖GTAW焊接模型：

$y_k\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_i{y}_k(t-i)+\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{b}_j{u}_k(t-j)+w_k\left(t\right)$

其中y_k(t)，u_k(t)，w_k(t)分別表示焊縫背面熔寬，焊接峰值電流和外部非重復(fù)性干擾，i,j是系統(tǒng)時滯量，a為輸出回歸權(quán)重參數(shù)，b為輸入回歸權(quán)重參數(shù)。并采用下面參數(shù)進(jìn)行仿真試驗。

首先給出系統(tǒng)參數(shù)和初始狀態(tài)

i＝5,j＝6,

A＝[a₁ a₂ a₃ a₄ a₅]

＝[1.2245 -0.7935 0.45269 -0.23124 0.11518]

B＝[b₁ b₂ b₃ b₄ b₅ b₆]

＝[-0.700 0.0085696 -0.3748 0.0039714 -0.16826 0.0023674]

w_k(t)＝0.001*randn(1,1)，y_k(-5)＝…＝y(tǒng)_k(-1)＝0,u₁(t)＝0

其次設(shè)置控制器參數(shù)為k_p＝-0.3,k_d＝-0.25，以及期望背面熔寬y_d(t)＝6。仿真結(jié)果如圖3所示，焊接過程第2次，第5次和第30次的背面熔寬跟蹤曲線，可見基于本發(fā)明方法的脈沖GTAW焊接過程，在第30次焊接時就能快速達(dá)到完全跟蹤，并對干擾有一定的抑制能力。圖4表示每次焊接過程中誤差絕對值的最大值隨著焊接次數(shù)的變化曲線，由圖4可知第20次焊接以后的每次焊接的誤差最大值等于零，意味著焊縫的背面熔寬將完全達(dá)到期望值，體現(xiàn)了本發(fā)明迭代學(xué)習(xí)算法對脈沖GTAW焊接過程控制的有效性。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明整體構(gòu)思前提下，還可以作出若干改變和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。