高效綠色逆變弧焊電源非線性優(yōu)化控制中文摘要

有工業(yè)縫紉機(jī)之稱的弧焊電源在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用舉足輕重。然而，弧焊電源異常復(fù)雜的非線性時(shí)變特性，不僅制約著焊接質(zhì)量大幅提高，而且使其能耗大、電磁污染嚴(yán)重、可靠性低等頑疾長(zhǎng)期未得到徹底解決，亟需新的理論和方法予以突破。本項(xiàng)目擬首先研究基于無源輔助諧振網(wǎng)絡(luò)的高頻軟開關(guān)逆變拓?fù)?，提高系統(tǒng)效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)；然后研究并提出一種基于哈密頓理論的弧焊電源整體建模、分析與能量?jī)?yōu)化控制方法，從電路和控制的角度全面保證能量的高效利用和熔滴過渡的精細(xì)控制，解決有色金屬、高強(qiáng)鋼等的高質(zhì)量焊接難題；并運(yùn)用不確定時(shí)變系統(tǒng)魯棒估計(jì)理論，研究高性能、快響應(yīng)的焊接反饋信息濾波算法，克服強(qiáng)干擾因素的不利影響，提升系統(tǒng)可靠性；最后構(gòu)建基于SOPC的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證成果。本項(xiàng)目屬電力電子技術(shù)和非線性科學(xué)交叉前沿方向，不僅對(duì)相關(guān)理論研究與應(yīng)用有顯著促進(jìn)作用，而且對(duì)發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)弧焊技術(shù)和推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。

逆變弧焊電源在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用舉足輕重。焊接質(zhì)量的好壞直接影響生產(chǎn)效能甚至人身安全。因此，提高焊接過程的可控性和效率，保證焊接質(zhì)量，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目按照立項(xiàng)時(shí)的申請(qǐng)書計(jì)劃順利執(zhí)行, 全面研究了逆變弧焊電源的拓?fù)潆娐?、非線性建模與控制、焊接信息精確檢測(cè)方法等關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，以期全面提升系統(tǒng)的效率和魯棒性。 （1）設(shè)計(jì)了單逆變器大功率逆變弧焊電源主電路拓?fù)?本項(xiàng)目研究了適合于大功率逆變弧焊電源的新型軟開關(guān)逆變拓?fù)?，提出了一種單逆變器大功率逆變弧焊電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并探索了基于新型SiC器件的功率變換電路，計(jì)算和分析了吸收電容和電阻、諧振電容和電感等參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為進(jìn)一步提高焊接過程的可控性和效率奠定了基礎(chǔ)。 （2）提出了全橋逆變電路偏磁抑制方法 針對(duì)全橋逆變電路易產(chǎn)生偏磁而造成系統(tǒng)可靠性低的難題，提出了一種模擬檢測(cè)與數(shù)字控制相結(jié)合的偏磁實(shí)時(shí)檢測(cè)與抑制方法，并設(shè)計(jì)了偏磁控制器，能夠?qū)崟r(shí)輸出偏磁信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)刻和強(qiáng)弱，并快速、有效地抑制偏磁?？赏茝V應(yīng)用于全橋逆變電路。 （3）研究了基于雙閉環(huán)的全橋逆變器數(shù)字控制方法并優(yōu)化了熔滴過渡控制策略 通過對(duì)逆變弧焊電源整體建模，提出了基于雙閉環(huán)的全橋逆變器數(shù)字控制方法，通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，新方法能夠加快系統(tǒng)收斂速度，提高穩(wěn)定精度。設(shè)計(jì)基于模糊算法的弧長(zhǎng)與熔滴過渡控制策略，實(shí)現(xiàn)了焊接電弧的精準(zhǔn)控制，保證了焊接過程的穩(wěn)定和不同工藝條件下的焊接質(zhì)量。 （4）研究了執(zhí)行器飽和時(shí)端口控制的Hamilton系統(tǒng)的干擾容限和魯棒估計(jì)方法 研究了執(zhí)行器飽和時(shí)，開環(huán)可能不穩(wěn)定的多輸入Hamilton系統(tǒng)的干擾容限和H∞控制問題；提出了焊接電源信號(hào)的H∞數(shù)字濾波方法，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)和噪聲變化時(shí)，H∞濾波器對(duì)外界干擾的影響具有更強(qiáng)的魯棒性，濾波效果良好。 （5）搭建了基于SOPC的全數(shù)字逆變弧焊電源試驗(yàn)平臺(tái) 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了基于混合信號(hào)FPGA的控制系統(tǒng)，集A/D采樣、控制策略、焊接工藝專家?guī)斓榷嗳蝿?wù)于一體，驗(yàn)證了所研究成果的性能；設(shè)計(jì)的全數(shù)字逆變弧焊電源系統(tǒng)性能可靠，能夠確保穩(wěn)定的焊接過程，滿足逆變弧焊工藝要求，保證焊接質(zhì)量。 該項(xiàng)研究的成果不僅對(duì)相關(guān)理論研究與應(yīng)用具有促進(jìn)作用，而且對(duì)發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)弧焊技術(shù)和推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化重大意義。 2100433B

傳統(tǒng)的PID控制是誤差的比例、積分、微分三項(xiàng)的線性組合，它具有原理簡(jiǎn)單、參數(shù)易于調(diào)整、魯棒性較強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。但是對(duì)于一些復(fù)雜的系統(tǒng)，特別是非線性對(duì)象，PID控制器并不能得到滿意的效果。如果對(duì)傳統(tǒng)的PID加以改進(jìn)，使其能對(duì)一些非線性對(duì)象實(shí)現(xiàn)較高的控制要求，將有很大的實(shí)際意義。非線性PID是在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上引進(jìn)非線性因素來加以改進(jìn)的，控制量的基本要素不是直接取自輸入-輸出的誤差，而是經(jīng)過非線性變化后的誤差的比例、積分和微分。由于非線性PID控制器中的增益參數(shù)能夠隨控制誤差而變化，從而克服和減弱了非線性因素的影響，提高了控制器的魯棒性和適應(yīng)性 。

比率控制系統(tǒng)中的非線性特性是指被控過程的靜態(tài)放大系數(shù)隨負(fù)荷變化而變化的特性，在設(shè)計(jì)比率控制系統(tǒng)時(shí)必須要加以注意。

比率控制測(cè)量變送環(huán)節(jié)的非線性特性

流量與測(cè)量信號(hào)無論是呈線性關(guān)系還是呈非線性關(guān)系，其比值系數(shù)與負(fù)荷的大小無關(guān)，均保持其為常數(shù)。但是，當(dāng)流量與測(cè)量信號(hào)呈非線性關(guān)系時(shí)對(duì)過程的 動(dòng)態(tài)特性卻是有影響的。

問題：當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)如果不能隨之改變，則系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量就會(huì)下降。

比率控制非線性補(bǔ)償

為了克服這一不利影響，通常用開方器進(jìn)行補(bǔ)償，即在差壓變送器后串接一個(gè)開方器，使流量與測(cè)量信號(hào)之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。

差壓變送器的輸出電流信號(hào)與開方器的輸出電流信號(hào)之間的關(guān)系為：

測(cè)量變送環(huán)節(jié)和開方器串接后總的靜態(tài)放大系數(shù)為常量，它已不再受負(fù)荷變化的影響。

模糊優(yōu)化控制簡(jiǎn)介

優(yōu)化控制是指在給定的約束條件下，尋求一個(gè)控制系統(tǒng)，使給定的被控系統(tǒng)性能指標(biāo)取得最大或最小值的控制。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前智能控制已開始廣泛應(yīng)用。這種控制將人類的智能，例如把適應(yīng)、學(xué)習(xí)、探索等能力引入控制系統(tǒng)，使其具有識(shí)別、決策等功能，從而使自動(dòng)控制和優(yōu)化控制達(dá)到了更高級(jí)的階段。

模糊優(yōu)化控制條件

一般說，進(jìn)行優(yōu)化控制必須要具備三個(gè)條件：

1、要給出系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2、要給出約束條件。

3、要尋找優(yōu)化控制的機(jī)制和方法。

由于在實(shí)際中情況是復(fù)雜多變的，進(jìn)行優(yōu)化控制不可能達(dá)到十全十美，因此優(yōu)化控制只能是相對(duì)的或滿意的控制，而難以做到最優(yōu)控制。