基于模糊自整定PID控制的钢轨交流闪光焊机闪光速度控制系统的研究

摘要

闪光接触焊是现代轨道交通无缝线路铺设施工工程中钢轨焊接的一种主要方法，闪光接触焊焊接工艺复杂，是一个多变量、非线性、时变、随机干扰较强的焊接过程，目前国内外闪光接触焊机主要采用常规PID控制模式，系统动态调节时间长，超调量大，而且PID参数不能在线整定，难以保证系统在任何工况条件下始终具有最佳的闪光控制效果。针对经典PID控制器存在的问题，本论文查阅了大量国内外有关文献，认真分析了国内外现行交流闪光焊接装备的控制特点，并综合利用和结合我国现有的技术与成果，提出了自整定模糊PID控制策略，将模糊控制和PID控制两者结合起来，设计出了一套基于模糊自整定PID控制器的钢轨焊接控制系统，利用模糊逻辑对PID参数进行在线调整，对焊接过程中的焊接闪光速度进行控制，达到控制焊接电流的目的，并对该控制系统在钢轨交流闪光焊机上的应用作了深入研究。本文首先阐述了闪光焊原理、钢轨闪光焊接工艺要求以及现有交流闪光焊机控制系统特点，分析了现有PID控制系统的局限性，提出了模糊自整定PID控制策略，并通过对焊接控制系统的PID控制和模糊自整定PID控制进行仿真和比较，得出模糊自整定PID控制器的阶跃响应曲线具有上升快，调节精度高，稳态性能好，过渡过程时间短，超调量小等优点。然后针对交流闪光焊机设计出了一套以罗克韦尔公司的SLC500型PLC为控制核心，应用模糊自整定PID控制策略的焊接控制系统，并详细阐述了基于PLC的模糊程序设计，实现了闪光焊在加速烧化阶段的模糊PID自整定控制过程。研究表明，钢轨闪光焊采用模糊自整定PID控制是可行的、有效的，该控制系统可以实现参数的在线自整定，且优于传统PID控制，系统具有结构简单，易于实现，且跟踪性能好，超调量小，适应性强等特点，采用该控制系统可以提高闪光焊设备的生产效率，降低PID参数的整定难度，并有利于提高钢轨焊头的合格率。该控制系统具有较好的经济技术指标和应用前景。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 闪光焊原理

1.2 闪光焊过程简介

1.3 钢轨闪光焊工艺

1.3.1 钢轨脉动闪光焊特点

1.3.2 钢轨脉动闪光焊工艺

1.4 钢轨闪光焊设备现状及其发展现状

1.5 本章小结

第二章 交流闪光焊机系统简介

2.1 焊机简介

2.1.1 焊机系统组成

2.1.2 主要技术指标

2.2 控制系统组成及控制实例

2.2.1 控制系统结构组成

2.2.2 控制实例介绍

2.3 本章小结

第三章 模糊自整定 PID 控制策略

3.1 工艺需求和控制原理

3.1.1 速度控制的工艺需求

3.1.2 系统控制原理

3.2 PID 控制系统的局限性

3.2.1 闪光电流的瞬变性和非线性的影响

3.2.2 阶段转换的影响

3.2.3 钢轨成分均匀性影响

3.2.4 焊接工况的影响

3.3 模糊自整定 PID 算法的确立

3.3.1 控制系统发展趋势

3.3.2 模糊自整定 PID 算法确立

3.4 本章小结

第四章 模糊自整定 PID 控制器的设计

4.1 模糊自整定 PID 控制器

4.1.1 控制器原理

4.1.2 控制器应用策略

4.2 模糊自整定 PID 控制器的设计

4.2.1 输入输出变量模糊化

4.2.2 定义模糊集合及其隶属函数

4.2.3 建立模糊控制规则表

4.2.4 解模糊化方法

4.2.5 利用 GUI 建立模糊控制查询表

4.3 本章小结

第五章 基于 Matlab 的仿真研究与分析

5.1 系统仿真模型的建立

5.1.1 伺服系统原理框图

5.1.2 伺服系统各模块的数学模型

5.2 系统仿真

5.3 仿真分析

5.4 本章小结

第六章 模糊自整定 PID 控制器的应用研究

6.1 模糊自整定 PID 控制器的实际应用分析

6.2 PLC 编程软件及硬件配置

6.2.1 RSLogix50 编程软件介绍

6.2.2 RSLinx 通讯软件

6.2.3 RSLogix Emulate500 软件

6.2.4 硬件选型及系统配置

6.3 基于 PLC 的模糊控制程序设计

6.3.1 电流值的定标

6.3.2 查询表的预置

6.3.3 输入变量的量化

6.3.4 输入值的模糊化程序设计

6.3.5 模糊控制表查询程序的设计

6.3.6 模糊控制器输出程序设计

6.3.7 输出程序的设计

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本课题完成的主要内容

7.2 总结与展望

7.3 进一步工作设想

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文