周陽，齊鉑金

(北京航空航天大學(xué),北京,100191)

0 序言

變極性等離子弧焊(variable polarity plasma arc welding，VPPAW)技術(shù)具有電弧能量密度高、焊縫缺陷小、熔透能力強(qiáng)、陰極清理效果好等優(yōu)點(diǎn)，是焊接鋁及其合金的最佳選擇，在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3].

鋁合金的VPPAW 主要有穿孔型和熔入型兩種.熔入型VPPAW 工藝與傳統(tǒng)非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊(tungsten inert gas welding，TIG 焊)相似，而穿孔型VPPAW 主要利用穿透工件的穩(wěn)定小孔進(jìn)行焊接成形.在穿孔型VPPAW 過程中，等離子弧被高度壓縮，液態(tài)熔池在等離子電弧的脈動(dòng)壓力沖擊作用下，熔池中心凹陷，形成一個(gè)貫穿工件的小孔，熔池中液態(tài)金屬在電弧壓力、液體金屬表面張力、重力的綜合作用下保持動(dòng)態(tài)平衡.當(dāng)焊槍沿焊接方向移動(dòng)時(shí)，穿孔熔池在等離子電弧后方閉合成形[4-5].

理論分析和試驗(yàn)結(jié)果均表明，變極性焊接電流的受控穩(wěn)定性是獲得良好焊縫成形的前提，也是影響該焊接方法推廣應(yīng)用的瓶頸.肯塔基大學(xué)的Zhang 等人[6]以及山東大學(xué)Jia 等人[7]通過等離子電弧穿孔過程的尾焰電壓的動(dòng)態(tài)變化，控制焊接電流，改善了VPPAW 工藝的成形質(zhì)量.Saad 等人[8]通過測(cè)量VPPAW 過程產(chǎn)生的聲音信號(hào)，控制焊接電流幅值的變化，實(shí)現(xiàn)了等離子弧穿孔過程的穩(wěn)定控制.

為了改善VPPAW 工藝的變極性焊接電流受控穩(wěn)定性，基于變極性焊接電流的受控穩(wěn)定性以及等離子電弧的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析，設(shè)計(jì)出了一種具有并行運(yùn)算能力的模糊PID 控制器，通過控制器參數(shù)的在線自調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了變極性焊接電流波形的穩(wěn)定控制，從而有效地改善了VPPAW 工藝的變極性焊接電流波形的穩(wěn)定性.

1 VPPAW 電源結(jié)構(gòu)

圖1 為VPPAW 電源結(jié)構(gòu)示意圖.該電源主要是由恒壓源、全橋直流到直流(direct current to direct current,DCDC)逆變電路、半橋DCDC 逆變電路、全橋變極性電路、同步維弧電路等構(gòu)成.恒壓源輸出電壓vin，經(jīng)全橋DCDC 逆變電路和半橋DCDC 逆變電路變換后，得到基值電流i1和輔助基值電流i2，i1和i2在CD 端疊加得到變極性基值電流iin，最后，iin經(jīng)變極性切換后得到變極性焊接電流iout.

圖1 VPPAW 電源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of VPPAW power supply

同步維弧電源串聯(lián)在等離子焊槍與VPPAW電源輸出端之間，輸出同步維弧電流iarc.i1，i2，iin和iout波形示意圖如圖2 所示，其中，Ib和tb分別表示iout在直流正接階段(direct current electrode negative，DCEN)的幅值和持續(xù)時(shí)間，Ip和tp分別表示iout在直流反接階段(direct current electrode positive，DCEP)的幅值和持續(xù)時(shí)間.模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital conversion,ADC)采樣單元實(shí)現(xiàn)電流波形的采樣.

圖2 VPPAW 電源輸出變極性焊接電流關(guān)鍵波形Fig.2 Key waveform of VPPAW power supply output variable polarity current.(a) base current;(b) auxiliary base current;(c) variable polarity base current;(d) variable polarity welding current

在鋁合金VPPAW 過程中，閉環(huán)控制器根據(jù)輸出電流反饋值與設(shè)定值之間的偏差和偏差變化率，對(duì)全橋電路上下橋臂絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)柵極驅(qū)動(dòng)波形的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制i1和i2波形的幅值參數(shù)(Ib和Ibb)和脈寬參數(shù)(tb和tp).其中，Ibb表示疊加的峰值電流.由于iout是基于iin的變極性切變而來，而iin又是通過i1和i2疊加而來，因此，研究VPPAW電源輸出變極性焊接電流的受控穩(wěn)定性，可以歸結(jié)到研究i1和i2的波形受控穩(wěn)定性.

在鋁合金VPPAW 工藝過程中，影響陰極清理效果的主要因素是iout在DCEP 半波的幅值Ip以及持續(xù)時(shí)間tp.當(dāng)Ip越大時(shí)，電弧的陰極清理區(qū)域就越大，清理效果越好；當(dāng)tp越長(zhǎng)時(shí)，電弧在鎢極端沉積的熱量就越大，對(duì)鎢電極的燒損就越嚴(yán)重.因此，為了獲得良好的陰極清理效果，同時(shí)盡可能地避免鎢電極的過快燒損，通常將iout在DCEP半波的占比控制在20%以下，并且，Ip幅值比Ib高50～90 A.

VPPAW 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，半橋DCDC 逆變電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)iout的這種不對(duì)稱輸出，其輸出電流i2在變極性焊接電流iout中占比相對(duì)較小，i2的受控穩(wěn)定性對(duì)等離子電弧穩(wěn)定性的影響相對(duì)較弱，而且半橋DCDC 逆變電路與全橋DCDC 逆變電路均采用相同的閉環(huán)控制策略.因此，為了簡(jiǎn)化分析過程，將僅研究全橋DCDC 逆變電路輸出基值電流波形i1對(duì)變極性焊接電流iout的受控穩(wěn)定性影響.

2 VPPAW工藝等離子電弧穩(wěn)定性分析

在實(shí)際應(yīng)用中，VPPAW 電源拓?fù)渲械摹伴]環(huán)控制器”通常采用常規(guī)的PID 控制器，在純電阻負(fù)載情況下，其輸出變極性焊接電流的關(guān)鍵波形如圖3 所示.其中，圖3a 表示變極性焊接電流波形iout，圖3b 表示基值電流波形i1.由圖3 可見，在純電阻負(fù)載情況下，常規(guī)PID 控制器能夠確保VPPAW電源輸出變極性焊接電流波形的穩(wěn)定控制.

圖3 純電阻負(fù)載情況下VPPAW 電源輸出關(guān)鍵電流波形Fig.3 Key current waveform of VPPAW power supply under pure resistance load.(a) variable polarity welding current;(b) base current

在鋁合金的VPPAW 工藝過程中，VPPAW 電源的輸出負(fù)載是等離子電弧.圖4 為等離子電弧形態(tài)切變特點(diǎn).當(dāng)iout的極性由DCEP 半波切變到DCEN 半波時(shí)，工件為陽極，等離子電弧在工件表面形成的陽極斑點(diǎn)會(huì)主動(dòng)尋找純金屬區(qū)域，產(chǎn)生收縮的柱狀電弧，如圖4a 所示；當(dāng)iout的極性由DCEN 半波切變到DCEP 半波時(shí)，工件為陰極，等離子電弧在工件表面形成的陰極斑點(diǎn)會(huì)主動(dòng)尋找氧化膜所在區(qū)域，產(chǎn)生發(fā)散的圓錐狀電弧，如圖4b所示.其中，柱狀電弧和圓錐狀電弧的底部直徑分別為r1和r2，且r1

圖4 等離子電弧形態(tài)切變特點(diǎn)Fig.4 Morphologic variation of plasma arc.(a) DCEN half wave cylindrical acr;(b) DCEP half wave conical arc

在鋁合金的VPPAW 工藝過程中，等離子電弧作為VPPAW 電源的輸出負(fù)載，具有顯著的非線性特性，尤其在變極性焊接電流波形iout的極性切變過程中.圖5 為常規(guī)PID 控制方法下VPPAW 電源輸出變極性焊接電流的關(guān)鍵波形.采用穿孔立向上式焊接，焊接試樣為10 mm 厚5A06-Y2 鋁合金平板，其它關(guān)鍵焊接工藝參數(shù)如表1 所示.

表1 鋁合金的VPPAW 試驗(yàn)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of VPPAW experiment

圖5 常規(guī)PID 控制下VPPAW 電源輸出關(guān)鍵電流波形Fig.5 Key current waveform of VPPAW power under PID control.(a) variable polarity welding current;(b) base current

圖5a 表示變極性焊接電流波形iout，圖5b 表示基值電流波形i1.由于電弧負(fù)載特性隨著iout極性的切變而變化，使得常規(guī)PID 控制器無法確?；惦娏鞑ㄐ蝘1幅值的穩(wěn)定控制，導(dǎo)致i1波形畸變，而iout又是基于i1波形的變極性切換而來，因此，iout波形發(fā)生了明顯的畸變.

圖6 為等離子電弧的形態(tài)變化情況.圖6 中縱軸表示等離子電弧的底部直徑r，橫軸表示等離子電弧圖像的采樣序號(hào)，采樣時(shí)間間隔為250 μs；左邊方框中的電弧圖像表示iout在DCEP 半波產(chǎn)生的等離子電弧底部直徑；右邊方框中的電弧圖像表示iout在DCEN 半波產(chǎn)生的等離子電弧底部直徑；圖6中曲線表示等離子電弧底部直徑的變化曲線，該曲線可以直觀的反映出等離子電弧形態(tài)特征的變化趨勢(shì).其中，1～ 12 號(hào)圖片對(duì)應(yīng)DCEP 半波的圓錐狀電弧，其底部直徑為r2，13～ 40 號(hào)圖片對(duì)應(yīng)DCEN 半波的柱狀電弧，其底部直徑為r1.

圖6 常規(guī)PID 控制下等離子電弧形態(tài)變化情況Fig.6 Morphologic variation of plasma arc under PID control

從圖5 和圖6 可知，在DCEP 半波的開始階段，iout的幅值Ip在負(fù)方向上逐漸增大，對(duì)應(yīng)圖6 中等離子電弧直徑r1由5.3 mm 逐漸增大到7.2 mm.在DCEN 半波的開始階段，iout在正方向上存在一定的超調(diào)，經(jīng)振蕩衰減后趨于穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)圖6 中等離子電弧直徑r2從7.2 mm 開始振蕩收縮，最終穩(wěn)定在3.5 mm 附近.由此可見，圖6 所示的等離子電弧形態(tài)的變化特點(diǎn)與圖5 所示的變極性焊接電流波形iout的波動(dòng)趨勢(shì)一致，即變極性焊接電流幅值的波動(dòng)導(dǎo)致等離子電弧的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性變差.

此時(shí)VPPAW 工藝過程產(chǎn)生的穿孔熔池背部圖像如圖7 所示.其中，熔池圖像的采樣時(shí)間間隔為1 ms，iout在DCEN 半波產(chǎn)生的穿孔熔池圖像為1～ 8 號(hào)，iout在DCEP 半波產(chǎn)生的穿孔熔池圖像為9～ 10 號(hào)，熔池內(nèi)部白色區(qū)域表示等離子電弧的尾焰出口.由于常規(guī)PID 控制框架下，VPPAW 電源輸出變極性焊接電流波形iout發(fā)生畸變，等離子電弧動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性變差，使得電弧在穿孔熔池中產(chǎn)生不均勻的電弧力，導(dǎo)致穿孔熔池外形不規(guī)則，并且等離子電弧在穿孔熔池中產(chǎn)生不連續(xù)的尾焰出口，如圖7 中6～ 10 號(hào)穿孔熔池.

圖7 PID 控制策略下穿孔熔池背部圖像Fig.7 Back molten pool image under PID control

大量焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)變極性焊接電流處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，等離子電弧形態(tài)失穩(wěn)、焊接過程產(chǎn)生的液態(tài)熔池流動(dòng)性紊亂、焊縫成形質(zhì)量變差，嚴(yán)重情況下，甚至?xí)?dǎo)致等離子弧的焊接過程由穿孔焊接過程演變成切割過程，形成切割焊縫，如圖8 所示.

圖8 VPPAW 工藝的切割焊縫成形Fig.8 Cutting weld of VPPAW process

在常規(guī)PID 控制框架下進(jìn)行鋁合金的變極性等離子弧穿孔立向上焊接工藝，VPPAW 電源輸出變極性焊接電流波形的畸變，會(huì)導(dǎo)致等離子電弧動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性變差，影響等離子電弧穿孔焊接成形質(zhì)量.

3 變極性焊接電流穩(wěn)定性的優(yōu)化控制

3.1 模糊PID 控制器的構(gòu)建

在VPPAW 電源的輸出性能指標(biāo)中，變極性焊接電流波形的上升沿和下降沿變化速率均高達(dá)60 A/us，在賦予了焊接電源優(yōu)異的電氣特性的同時(shí)，也使得非線性電弧負(fù)載具有了顯著的瞬變特性.在這種情況下，常規(guī)PID 控制器固定不變的控制器參數(shù)已很難滿足受控系統(tǒng)參數(shù)或模型的快速切變，尤其在系統(tǒng)參數(shù)或模型變化幅度較大時(shí)，控制系統(tǒng)的輸出性能會(huì)明顯變差,如圖5 所示.模糊PID 控制器具有在線調(diào)節(jié)PID 控制器參數(shù)的能力，使得PID 控制器能夠始終滿足當(dāng)前輸出偏差e和偏差變化率ec對(duì)控制器參數(shù)的要求，從而達(dá)到提高受控系統(tǒng)輸出性能的目的[9-10]，另外，為了確保設(shè)計(jì)出的控制器能夠快速響應(yīng)電弧負(fù)載的瞬變特性，基于FPGA 的并行邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出了如圖9所示具有并行運(yùn)算能力的模糊PID 控制器.其中?u/?t表示誤差變化率ec的計(jì)算環(huán)節(jié)，PID(s)表示PID 控制器的傳遞函數(shù).

圖9 模糊PID 控制器的原理框圖Fig.9 Schematic diagram of fuzzy PID controller

模糊PID 控制器主要由參數(shù)更新線程、高速ADC 線程、模糊推理線程、PID 參數(shù)更新線程、PWM 波形控制線程等5 個(gè)并行子線程組成，其中，模糊推理線程和PID 參數(shù)更新線程共同構(gòu)成模糊PID 控制器.

3.1.1 模糊推理線程

基于FPGA 并行邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了圖10 所示的模糊推理線程.模糊推理線程的主要作用是根據(jù)預(yù)設(shè)模糊規(guī)則庫將輸入數(shù)據(jù)e，ec映射到輸出數(shù)據(jù)Kp(比例系數(shù))，Ki(積分系數(shù))，Kd(微分系數(shù))對(duì)應(yīng)的模糊集合中，然后根據(jù)隸屬度曲線計(jì)算出輸出數(shù)據(jù)的實(shí)際值.其中，模糊推理線程主要由模糊化、模糊規(guī)則庫、模糊輸出引擎和解模糊化4 部分組成.

圖10 模糊推理線程的原理框圖Fig.10 Schematic diagram of fuzzy reasoning thread

模糊控制器的實(shí)質(zhì)是根據(jù)模糊規(guī)則建立模糊輸入數(shù)據(jù)e，ec與模糊輸出數(shù)據(jù)Kp，Ki，Kd之間的關(guān)系，因此，模糊控制器只能處理模糊值.為了便于模糊控制的計(jì)算，需要首先定義輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的模糊子集.

在鋁合金的VPPAW 工藝情況下，當(dāng)基值電流i1設(shè)定值為200 A，全橋DCDC 逆變電路輸出電流波形如圖11 所示.

圖11 全橋DCDC 逆變電路輸出基值電流波形Fig.11 Base current waveform of the full bridge DCDC inverter circuit

在t1時(shí)刻，變極性焊接電流波形iout由DCEN 半波切換到DCEP 半波，電弧形態(tài)由柱狀電弧切變成圓錐狀電弧，電弧負(fù)載特性發(fā)生切變，使得i1的輸出值偏離目標(biāo)值，在iin波形中產(chǎn)生一個(gè)偏差為?I1=Iset?Irel=50 A的負(fù)向超調(diào)；在t2時(shí)刻，iout由DCEP半波切換到DCEN 半波，等離子電弧形態(tài)由圓錐狀電弧切變成柱狀電弧，電弧負(fù)載特性發(fā)生切變，使得i1的輸出值偏離目標(biāo)值，在iin波形中產(chǎn)生一個(gè)偏差為?I2=Iset?Irel=?220 A的正向超調(diào).那么，e的論域區(qū)間必須包括 ?I1和?I2這兩個(gè)偏差值.綜合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，e的論域區(qū)間被設(shè)定為e∈[?300,300]，單位是安培(A).ec的大小與ADC采樣周期、閉環(huán)控制策略的更新周期以及硬件電路的響應(yīng)速度有關(guān)，綜合VPPAW 試驗(yàn)樣機(jī)的硬件性能，在全橋電路滿脈寬輸出情況下，實(shí)際測(cè)得ec的極限值為±18 A/μs，因此，ec的論域區(qū)間被設(shè)定為ec∈[?18,18]，單位是安培每微秒(A/μs).

輸出數(shù)據(jù)Kp，Ki，Kd論域區(qū)間的定義原則，主要可以歸納為以下3 點(diǎn)[11-12].

(1)當(dāng)iout的極性在DCEP 半波與DCEN 半波之間切換，并且DCEP 半波與DCEN 半波的幅值差達(dá)到最大值90 A 時(shí)，電弧負(fù)載切換導(dǎo)致的e最大，為了加快輸出電流的響應(yīng)速度，需要盡量增大Kp；為了防止輸出電流出現(xiàn)較大超調(diào)量，需要盡量減輕Ki項(xiàng)的作用，通常將Ki設(shè)為0；另外，為了避免e的突然增大，導(dǎo)致微分項(xiàng)飽和，Kd不宜設(shè)置得太大，一般控制在中等水平.

(2)當(dāng)iout在DCEP 半波與DCEN 半波之間切換，產(chǎn)生的e和ec處于中等水平時(shí)，為了使輸出電流具有較小的超調(diào)量，Kp值一般取小一些；Ki的值取中等偏小水平；此時(shí)，微分項(xiàng)對(duì)輸出的影響較大，所以Kd要取中等水平，以確保輸出電流具有較好的上升沿.

(3)當(dāng)基值電流i1處于恒定狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的e較小.為了使基值電流具有較好的穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)適當(dāng)增大Kp和Ki，同時(shí)，為了避免輸出電流在設(shè)定值附近產(chǎn)生比較大的振蕩，通常將Kd的值取大一些.

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，綜合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，Kp，Ki，Kd的論域區(qū)間設(shè)定為

對(duì)e，ec和Kp，Ki，Kd的論域區(qū)間進(jìn)行模糊化處理，得到相應(yīng)的模糊數(shù)據(jù)集.將論域的上限和下限以各自區(qū)間的中位數(shù)為原點(diǎn)劃分成13 個(gè)區(qū)間，并分別用NB，NM5，NM4，NM3，NM2，NM1，Zero，PM1，PM2，PM3，PM4，PM5，PB 表示，其中，e，ec和Kp，Ki，Kd的論域區(qū)間劃分方式如表2 所示.根據(jù)表2 繪制出e，ec，Kp，Ki，Kd的隸屬度曲線，如圖12所示，其中隸屬度函數(shù)類型為三角形隸屬函數(shù).

圖12 e,ec,Kp,Ki,Kd 的隸屬度曲線Fig.12 Membership curves of e,ec,Kp,Ki and Kd.(a) membership curve of input data e;(b) membership curve of input data ec;(c) membership curve of input data Kp;(d) membership curve of input data Ki;(e) membership curve of input data Kd

表2 輸入和輸出數(shù)據(jù)論域劃分方式Table 2 Domain division method of input and output data

模糊規(guī)則庫是由所有可能的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)之間的模糊關(guān)系組成，是構(gòu)成模糊推理的依據(jù)，且模糊規(guī)則均以IF-THEN 的格式進(jìn)行表示.由于e和ec的論域均被劃分成13 個(gè)區(qū)間，最多可以構(gòu)建出169 條IF-THEN 格式的模糊規(guī)則.

模糊輸出引擎的作用是根據(jù)模糊規(guī)則庫將輸入數(shù)據(jù)的隸屬度映射到輸出數(shù)據(jù)的模糊結(jié)論中.解模糊過程是將模糊輸出引擎輸出的模糊結(jié)論轉(zhuǎn)化成為具體的輸出，即PID 控制器的實(shí)際參數(shù)值，該過程與模糊化的過程剛好相反.

3.1.2 PID 參數(shù)更新線程

基于FPGA 并行邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了PID 參數(shù)更新線程，如圖13 所示.PID 參數(shù)更新線程主要由偏差計(jì)算線程和PID 增量計(jì)算線程兩個(gè)部分組成.首先，在模糊推理線程對(duì)PID 控制器參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，偏差計(jì)算線程根據(jù)當(dāng)前電流設(shè)定值和反饋值計(jì)算出最近3 個(gè)時(shí)刻的偏差值ek0，ek1，ek2，其中，ek2為當(dāng)前偏差值，ek1為前一時(shí)刻的偏差值，ek0為最初的偏差值.PID 增量計(jì)算線程根據(jù)當(dāng)前計(jì)算出的PID 控制器參數(shù)值Kp，Ki，Kd和最近3 個(gè)時(shí)刻的偏差值ek0，ek1，ek2計(jì)算出當(dāng)前PID控制器的增量值de.

圖13 PID 參數(shù)更新線程原理圖Fig.13 Schematic diagram of PID parameter update thread

根據(jù)式(3)的計(jì)算結(jié)果對(duì)前一時(shí)刻PID 控制器的增量值進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)PID 控制策略的實(shí)時(shí)矯正.

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)及分析

將模糊PID 控制器應(yīng)用到VPPAW 試驗(yàn)樣機(jī)中進(jìn)行鋁合金的VPPAW 工藝試驗(yàn)，通過對(duì)比分析VPPAW 電源輸出變極性焊接電流波形的受控穩(wěn)定性以及等離子電弧形態(tài)的變化特點(diǎn)，驗(yàn)證模糊PID 控制器具有改善VPPAW 工藝的變極性焊接電流受控穩(wěn)定性的能力.其中，焊接試驗(yàn)條件與圖5表示常規(guī)PID 控制方法下的鋁合金的VPPAW 工藝試驗(yàn)相同，主要焊接工藝參數(shù)如表1 所示.

圖14 為模糊PID 控制下VPPAW 電源輸出關(guān)鍵電流波形，其中，圖14a 表示變極性焊接電流波形iout，圖14b 表示基值電流波形i1，t1，t2，t3，t4，t5分別表示變極性焊接電流波形iout的極性切變時(shí)刻.

基值電流i1的設(shè)定值與反饋值之間的誤差e和誤差變化率ec的波形如圖15 所示.

根據(jù)圖14 和圖15 所示波形可知，當(dāng)iout波形的極性發(fā)生切變時(shí)，在e和ec波形中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大幅度的脈沖波動(dòng).此時(shí)，模糊PID 控制器中的模糊推理線程為了適應(yīng)e和ec的這種變化，對(duì)PID 控制器的Kp，Ki，Kd參數(shù)進(jìn)行模糊推理，計(jì)算出新的Kp，Ki，Kd值，然后，PID 參數(shù)更新線程根據(jù)Kp，Ki，Kd的計(jì)算值以及ek0，ek1，ek2 的計(jì)算值對(duì)PID 控制器的增量值進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，從而實(shí)現(xiàn)PID 控制策略的實(shí)時(shí)矯正，其中，Kp，Ki，Kd參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整曲線如圖16 所示.

圖14 模糊PID 控制下VPPAW 電源輸出關(guān)鍵電流波形Fig.14 Key waveform of VPPAW power supply under fuzzy PID control.(a) variable polarity welding current;(b) base current

圖15 誤差e 和誤差變化率ec 的波形Fig.15 Waveform of error e and error change rate ec

圖16 Kp，Ki，Kd 參數(shù)的調(diào)整曲線Fig.16 Adjustment curve of Kp，Ki and Kd

相比于常規(guī)PID 控制作用下的變極性焊接電流波形iout，模糊PID 控制作用下的變極性焊接電流波形iout在極性切換過程中始終保持平穩(wěn)過渡，未出現(xiàn)明顯的波形畸變現(xiàn)象.因此，模糊PID 控制器能夠確保VPPAW 電源輸出變極性焊接電流波形的穩(wěn)定控制.

相比于圖6 所示的等離子電弧形態(tài)的變化特點(diǎn)，圖17 所示的等離子電弧底部直徑變化曲線在DCEN 半波和DCEP 半波基本保持穩(wěn)定，均未出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)現(xiàn)象.因此，模糊PID 控制器在鋁合金的VPPAW 工藝情況下具有改善等離子電弧動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的功能.圖18 為模糊PID 控制策略下穿孔熔池背部圖像.由于模糊PID 控制器能夠確保VPPAW 電源輸出變極性焊接電流波形的穩(wěn)定控制，并能有效地改善等離子電弧的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，使得等離子電弧在穿孔熔池中產(chǎn)生均勻的周期性脈動(dòng)壓力，從而在圖18 中形成了規(guī)則的穿孔熔池，并且等離子電弧在穿孔熔池中產(chǎn)生連續(xù)的尾焰出口.綜上所述，模糊PID 控制器在鋁合金的VPPAW 工藝過程中，能夠確保VPPAW 電源輸出變極性焊接電流的穩(wěn)定控制.

圖17 模糊PID 控制下等離子電弧形態(tài)變化情況Fig.17 Shape of plasma arc in VPPAW process under fuzzy PID control

圖18 模糊PID 控制策略下穿孔熔池背部圖像Fig.18 Back perforation molten pool image under FUZZY PID control strategy

4 結(jié)論

(1)基于FPGA 控制核心，設(shè)計(jì)了一套全數(shù)字化的VPPAW 電源，實(shí)現(xiàn)了鋁合金的變極性等離子弧穿孔立向上焊接工藝.

(2)在常規(guī)PID 控制策略下，研究了VPPAW電源輸出變極性焊接電流的受控穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果表明，電弧負(fù)載的非線性特性會(huì)導(dǎo)致常規(guī)PID 控制策略下VPPAW 電源輸出電流波形畸變，而輸出焊接電流波形的畸變又會(huì)進(jìn)一步加劇電弧負(fù)載的非線性特性，降低變極性焊接電流的受控穩(wěn)定性.

(3)為了改善VPPAW 工藝的變極性焊接電流的受控穩(wěn)定性，引入模糊控制理論，基于FPGA 的并行邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出了一種具有并行運(yùn)算能力的模糊PID 控制器，在鋁合金的變極性等離子弧穿孔立向上焊接工藝下，實(shí)現(xiàn)了VPPAW 電源輸出變極性焊接電流波形的穩(wěn)定控制.