CN112548298B - 基于模式识别的微电阻点焊电源pid参数自整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，包括以下步骤：S1、对阶跃响应系统误差e的时间特性进行模式识别，识别出响应曲线的某组特征参数e_k；S2、将特征参数e_k与符合指标的响应曲线的对应参数进行比较，按大小关系送入基于二分法的自整定环节；S3、计算出PI控制器各参数所对应的一次校正量；S4、反复自校PI控制器各参数正直至被控过程阶跃响应特征参数符合预期指标则完成自整定过程。

Description

基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法。

背景技术

微电阻点焊使用恒电压或恒电流输出的焊接模式。针对漆包线微电阻点焊电极，不论有无焊接工件，回路都是完整的。针对漆包线点焊时，在电源放电前期，漆皮未熔化，焊接所需热输入主要靠电极传热，漆皮熔化后才可能涉及一定的分流。针对这种工件对控制过程影响较小、回路负载相对稳定的焊接方法，可以不用微分调节，仅用比例积分(PI)控制。而且，对控制效果的检验，尤其是在电压的上升阶段，可以选择在无工件情况下测试。

但是，由于微点焊电极更换频繁，且不同形状、不同材料的点焊电极差异较大，单一PI参数无法适应所有电极，为了保证不同电极在电源输出过程中都不会产生震荡或较大的过冲，一般PI参数较小，控制策略较保守，造成约3-6ms才能升到设定的电压值，即便如此，也无法完全避免上述情况，而且较难适应短时间焊接的需要。因此，就需要针对不同电极进行PI参数的自整定。

一般自整定方法都需要对过程模型进行辨识，计算复杂，鲁棒性不高。而模式识别法可以避开过程模型问题，且无需像继电反馈法那样产生自激振荡。在闭环系统阶跃响应波形上选取一组表征过程特性且数据量尽可能少的特征信息作为状态变量，以此为依据设计自整定方法，属于智能PID控制(穆克,苏成利.一种改进的模式识别自整定PID控制方法[J].科学技术与工程,2012(07):69-72.)。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，包括以下步骤：

S1、对阶跃响应系统误差e的时间特性进行模式识别，识别出响应曲线的某组特征参数e_k；

S2、将特征参数e_k与符合指标的响应曲线的对应参数进行比较，按大小关系送入基于二分法的自整定环节；

S3、计算出PI控制器各参数所对应的一次校正量；

S4、反复自校PI控制器各参数正直至被控过程阶跃响应特征参数符合预期指标则完成自整定过程。

优选的，所述PI控制器的PI参数自整定的阶跃响应指标为上升时间1.5-2.0ms，即6-8个控制周期，且最大超调量在2％以内。

优选的，所述校正包括积分系数ki、比例系数kp、初始占空比pwm₀的自整定。

优选的，校正过程是通过实验获得符合目标的阶跃响应曲线前期的某一周期电压反馈值u₃与设定值U的比例α％，按电压反馈值u₃是否近似等于设定值U的α％来确定积分系数ki，确定完积分系数ki后，进入kp参数的自整定，最后是初始占空比pwm₀的自整定。

优选的，在积分系数ki、比例系数kp、初始占空比pwm₀自整定开始之前，设定恒压值U和比例α，先初始化PI积分系数ki、比例系数kp及初始占空比pwm₀为一个较小的初值，并初始化ki、kp和pwm₀对应的自校正步长di、dp和dw，及步长di、dp的下限d_min。

优选的，初始化PI参数中的积分系数ki及初始占空比pwm₀的初值，其中，ki初值区间为(0,1.0]，pwm₀初值区间为满占空比周期值的[0,15％]，并初始化ki、kp和pwm₀对应的自校正步长di、dp和dw，及步长di、dp的下限d_min。

优选的，积分系数ki的自整定包括以下步骤：

1)、积分系数ki刚进入的自整定或者每经积分系数ki参数自校正一次之后，都设定kp值等于积分系数ki，在冷却延时周期后，放电2-5周期，读取放电最后一周期电压反馈值u₃；

2)判断步骤1)的电压反馈值u₃的大小，具体如下：

一、若电压反馈值u₃在设定值U的α％附近，则结束子程序；

二、若反馈值u₃小于设定值U的(α-0.5)％，则说明ki偏小，应增大ki，此时若ki参数的自校正步长di大于0，则说明上次整定即在增大ki，此次继续增大，此时若di小于0，说明上次整定是减小ki，且上次减小的过多，通过二分法思想，令ki参数的自校正步长di符号取反并让值除以2，以减半的步长来增大，这时判断ki参数的自校正步长di绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令ki加上步长di，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束ki自整定子程序；

三、若反馈值u₃大于设定值U的(α+0.5)％，则说明ki偏大，应减小ki，此时若ki参数的自校正步长di小于0，则说明上次整定即在减小ki，此次继续减小，此时若di大于0，说明上次整定是增大ki，且上次增大的过多，因此，令di符号取反并让值除以2，以减半的步长来减小，判断di绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令ki加上步长di，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束ki自整定。

优选的，kp的自整定包括以下步骤：

(1)、kp刚进入的自整定或者每经kp参数自校正一次之后，都要先经过冷却延时，之后放电7-10周期，读取最后一周期电压反馈值；

(2)、判断步骤(1)的电压反馈值u₈的大小，具体如下：

(一)、若电压反馈值u₈近似等于设定值U，则结束子程序；

(二)、若电压反馈值u₈小于设定值U，则说明kp偏大，应减小kp，此时若kp参数的自校正步长dp小于0，则说明上次整定即在减小kp，此次继续减小即可，此时若dp大于0，说明上次整定是增大kp，且上次增大的过多，因此，此处令dp符号取反并让值除以二，以减半的步长来减小，这时判断dp绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令kp加上步长dp，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束kp自整定子程序；

(三)、若反馈值u₈大于设定值U，则说明kp偏小，应增大kp。此时若kp参数的自校正步长dp大于0，则说明上次整定即在增大kp，此次继续增大即可，此时若dp小于0，说明上次整定是减小了kp，且上次减小的过多，因此，令dp符号取反并让值除以二，以减半的步长来增大，这时判断dp绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令kp加上步长dp，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束kp自整定子程序。

优选的，初始占空比pwm₀的自整定包括以下步骤：

(a)、初始占空比pwm₀刚进入的自整定或每经pwm₀参数自校正一次之后，都要先经过一定的冷却延时，之后放电8-11周期，读取最后一个周期和倒数第三周期的电压反馈值u₈和u₆；

(b)、判断步骤(a)两个电压反馈值u₈和u₆的大小，分以下两种情况：

一、若反馈值u₈和u₆都近似等于设定值U，或反馈值u₈大于设定值U的101％-102％，则不能再增大初始占空比pwm₀，子程序结束；

二、若反馈值u₈近似等于设定值U，但反馈值u₆小于设定值设定值U的96％-99％，则让初始占空比pwm₀增加dw，完成一次自校正并进入下一次的校正过程，直到满足情况一从而完成整定。

优选的，增量式PI调节公式如下：

Δu_k＝ki·(Ig-Is_k)-kp·(Is_k-Is_k-1) (1)

其中，Δu为控制量的增量，在点焊控制器中指输出的PWM占空比增量；Ig为设定值，Is为采样值，恒压模式指控制焊接电压恒定，恒流模式指控制焊接电流恒定；下标k代表第k次控制周期；ki为积分系数。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

本发明鲁棒性高，无需对过程模型进行辨识，计算简单，且引入二分法在保证精度的同时减少了自调节次数，无需专家系统。在电源回路接入不同型材的微点焊电极后，本发明的自整定方法皆能有效整定PI参数，将上升过程从原有3-6ms不等的时间缩短到约1.6ms，且无震荡产生，同时，最大超调量较小，约为0-2％。

对点焊电源增加了PI自整定与实时监控功能后，提升了漆包线点焊过程稳定性和响应的一致性，避免了人工调参过程，也更好的适应了短时间快速焊接的需要。

附图说明

图1本实施例电阻点焊电源结构；

图2本实施例基于模式识别的自整定PID控制器原理图；

图3本实施例PI自整定程序总框图；

图4本实施例ki自整定子程序框图；

图5本实施例kp自整定子程序框图；

图6本实施例pwm₀自整定子程序框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下结合附图并举实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例的焊接电路如图1所示，整个逆变电路包括主电路和控制电路两部分，主电路由整流滤波电路、绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变电路、中频变压器和次级的整流输出电路组成，所述整流滤波电路、绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变电路、中频变压器和次级的整流输出电路组成依次连接；控制电路以MCU作为核心，MCU内包含两个模数转换模块(ADC)、脉宽调制模块(PWM)、串口通信模块(UART)等，在MCU周围还配备各种辅助电路：RS485通信电路、保护电路、PWM驱动电路、电流采样电路、电压采样电路、控制信号电路和电容触摸显示屏。整流输出电路连接焊接机头，焊接机头与电压采样电路相连，分流计用来测量焊接电流并与电流采样电路相连，所述电流采样电路、电压采样电路分别通过两个模数转换模块与MCU连接。

电阻点焊控制器的输入端为焊接回路的电流和电压采样信号，经过采样电路的信号处理输入到MCU的ADC端口，再经过PID控制，输出PWM信号，信号经过驱动电路隔离放大后控制IGBT开关从而控制焊接回路。

如图2所示的基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，包括以下步骤：

S1、对阶跃响应系统误差e的时间特性进行模式识别，识别出响应曲线的某组特征参数e_k；

S2、将特征参数e_k与符合指标的响应曲线的对应参数进行比较，按大小关系送入基于二分法的自整定环节；

S3、计算出PI控制器各参数所对应的一次校正量；

S4、反复自校PI控制器各参数正直至被控过程阶跃响应特征参数符合预期指标则完成自整定过程。

本实施例的电阻点焊电源控制周期为0.25ms，设定PI参数自整定的阶跃响应指标为上升时间1.5-2.0ms，即6-8个控制周期，且最大超调量在2％以内。经增量式PI调节公式(式1)及实际测试可知，在恒压放电这一阶跃响应初期Is值较小，比例环节累积的影响相对微弱，输出调节主要靠积分环节起作用，尤其在电源输出的前3周期(0.75ms)以内，在一定范围改变kp值不会对反馈得到的电压值产生影响，因此，通过实验获得符合目标的阶跃响应曲线的第3周期电压反馈值u₃与设定值U的比例α％(根据不同的阶跃响应指标，实际获得的α值不同，约在40-50之间)，自整定的第一步，按u₃是否近似等于设定值U的α％来确定积分系数ki。确定完ki后，第二步是kp参数的自整定，以保证在目标上升时间8周期内让电压达到设定值U且没有明显超调。最后是初始占空比pwm₀的自整定，进一步缩短上升时间，PI自整定完整程序框图如图3。

Δu_k＝ki·(Ig-Is_k)-kp·(Is_k-Is_k-1) (1)

式1中，Δu为控制量的增量，在点焊控制器中指输出的PWM占空比增量；Ig为设定值，Is为采样值，恒压模式指控制焊接电压恒定，恒流模式指控制焊接电流恒定；下标k代表第k次控制周期。

在阶跃响应的上升阶段，有Ig＞Is_k＞Is_k-1成立，因此，针对增量式PI调节公式可知，若最大超调量过大或上升时间过短，则应考虑减小ki或增大kp；反之，若呈现过阻尼或上升时间过长，则考虑增大ki或减小kp。

在三个自整定开始之前，如图3，确保恒压值U和比例α已在操作界面设定好，程序先初始化PI参数ki、kp及初始占空比pwm₀为一个较小的初值，并初始化ki、kp和pwm₀对应的自校正步长di、dp和dw，及步长di、dp的下限d_min(下限一般可设为0.1)，注意此处所有值都为正数。由于初始占空比无需较高精度，故无需二分校正及设置步长下限。

初始化完成后，进入ki自整定，如图4。刚进入ki自整定或每经ki参数自校正一次之后，都设定kp值等于ki，一般在2-8ms冷却延时周期后，放电4周期(即1ms)，冷却延时的作用是防止多次自校正过程产生的电阻热积累，从而使焊头过热影响自整定判断。此时，读取放电第3周期电压反馈值u₃，分三种情况：

一、若反馈值u₃在设定值U的α％附近，则结束ki自整定。

二、若反馈值u₃小于设定值U的(α-0.5)％，则说明ki偏小，应增大ki。此时若ki参数的自校正步长di大于0，则说明上次整定即在增大ki，此次继续增大即可，此时若di小于0，说明上次整定是减小了ki，且上次减小的过多了，因此，此处引入二分法思想，令di符号取反并让值除以2，以减半的步长来增大。这时判断di绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令ki加上步长di，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束ki自整定。

三、若反馈值u₃大于设定值U的(α+0.5)％，则说明ki偏大，应减小ki。此时若ki参数的自校正步长di小于0，则说明上次整定即在减小ki，此次继续减小即可，此时若di大于0，说明上次整定是增大了ki，且上次增大的过多了，因此，令di符号取反并让值除以2，以减半的步长来减小。这时判断di绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令ki加上步长di，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束ki自整定。

ki自整定完毕后进入kp自整定，如图5。刚进入kp自整定或每经kp参数自校正一次之后，都要先经过一定的冷却延时，之后放电9周期(即2.25ms)，读取第8周期电压反馈值，此时分三种情况：

一、若反馈值u₈近似等于设定值U，则结束kp自整定。

二、若反馈值u₈小于设定值U的99％，则说明kp偏大，应减小kp。此时若kp参数的自校正步长dp小于0，则说明上次整定即在减小kp，此次继续减小即可，此时若dp大于0，说明上次整定是增大了kp，且上次增大的过多了，因此，此处令dp符号取反并让值除以二，以减半的步长来减小。这时判断dp绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令kp加上步长dp，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束kp自整定。

三、若反馈值u₈大于设定值U的101％，则说明kp偏小，应增大kp。此时若kp参数的自校正步长dp大于0，则说明上次整定即在增大kp，此次继续增大即可，此时若dp小于0，说明上次整定是减小了kp，且上次减小的过多了，因此，令dp符号取反并让值除以二，以减半的步长来增大。这时判断dp绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令kp加上步长dp，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束kp自整定。

kp自整定完毕后进入pwm₀自整定，如图6。当电源输出占空比小于一定值时，单周期内IGBT导通时间很短，实际能产生的电流很微弱，完全不在使用范围内，甚至可能反馈为0值。因此，初始占空比pwm₀不应从0开始，为了找到较合适的参数，就需要进行自整定。刚进入pwm₀自整定或每经pwm₀参数自校正一次之后，都要先经过一定的冷却延时，之后放电9周期(即2.25ms)，读取第8周期和第6周期的电压反馈值u₈和u₆，此时分两种情况：

一、若反馈值u₈和u₆都近似等于设定值U，或反馈值u₈大于设定值U的101％，则不能再增大pwm₀，结束pwm₀自整定。

二、若反馈值u₈近似等于设定值U，但反馈值u₆小于设定值设定值U的98％，则让pwm₀增加dw，完成一次自校正并进入下一次的校正过程，直到满足情况一从而完成整定。

经多种不同形态的点焊电极进行PI自整定实验验证，均可将上升过程从原有3-6ms左右缩短到约1.6ms，同时，最大超调量较小，约为0-2％。若焊接过程需要较缓慢的上升过程，亦可额外自行设定上升时间，因此，增加PI自整定功能后，提升了电源输出的可控性，适应了更短时间的焊接需要，且避免了人工调节过程。

此PI自整定功能，计算简单，无需计算控制过程模型也无需专家系统的知识库，且引入二分法，在保证精度的同时减少了自校正次数，ki、kp和pwm₀三参数总共的自校正次数一般在25次以内，总时间不超过0.2s，一般只需在更换电极时或面向新的应用对象时使用一次此功能。在更换电极后及电极使用过程中，控制器会自动识别每次焊接过程的上升时间和最大超调，若此两参数超过一定标准，则控制器会自动在操作界面提示使用者建议重新自整定。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对阶跃响应系统误差e的时间特性进行模式识别，识别出响应曲线的某组特征参数e_k；

S2、将特征参数e_k与符合指标的响应曲线的对应参数进行比较，按大小关系送入基于二分法的自整定环节；

S3、计算出PI控制器各参数所对应的一次校正量；

S4、反复自校正PI控制器各参数直至被控过程阶跃响应特征参数符合预期指标则完成自整定过程。

2.根据权利要求1所述的基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，其特征在于，所述PI控制器的PI参数自整定的阶跃响应指标为上升时间1.5-2.0ms，即6-8个控制周期，且最大超调量在2％以内。

3.根据权利要求2所述的基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，其特征在于，所述校正包括积分系数ki、比例系数kp、初始占空比pwm₀的自整定。

4.根据权利要求3所述的基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，其特征在于，校正过程是通过实验获得符合目标的阶跃响应曲线前期的某一周期电压反馈值u₃与设定值U的比例α％，按电压反馈值u₃是否近似等于设定值U的α％来确定积分系数ki，确定完积分系数ki后，进入kp参数的自整定，最后是初始占空比pwm₀的自整定。

5.根据权利要求4所述的基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，其特征在于，在积分系数ki、比例系数kp、初始占空比pwm₀自整定开始之前，设定所述U和α，先初始化PI积分系数ki、比例系数kp及初始占空比pwm₀为一个较小的初值，并初始化ki、kp和pwm₀对应的自校正步长di、dp和dw，及步长di、dp的下限d_min。

6.根据权利要求5所述的基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，其特征在于，

初始化PI参数中的积分系数ki及初始占空比pwm₀的初值，其中，ki初值区间为(0,1.0]，pwm₀初值区间为满占空比周期值的[0,15％]，并初始化ki、kp和pwm₀对应的自校正步长di、dp和dw，及步长di、dp的下限d_min。

7.根据权利要求6所述的基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，其特征在于，积分系数ki的自整定包括以下步骤：

1)积分系数ki刚进入的自整定或者每经积分系数ki参数自校正一次之后，都设定kp值等于积分系数ki，在冷却延时周期后，放电2-5周期，读取放电最后一周期电压反馈值u₃；

2)判断步骤1)的电压反馈值u₃的大小，具体如下：

一、若电压反馈值u₃在设定值U的α％附近，则结束子程序；

二、若反馈值u₃小于设定值U的(α-0.5)％，则说明ki偏小，应增大ki，此时若ki参数的自校正步长di大于0，则说明上次整定即在增大ki，此次继续增大，此时若di小于0，说明上次整定是减小ki，且上次减小的过多，通过二分法思想，令ki参数的自校正步长di符号取反并让值除以2，以减半的步长来增大，这时判断ki参数的自校正步长di绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令ki加上步长di，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束ki自整定子程序；

三、若反馈值u₃大于设定值U的(α+0.5)％，则说明ki偏大，应减小ki，此时若ki参数的自校正步长di小于0，则说明上次整定即在减小ki，此次继续减小，此时若di大于0，说明上次整定是增大ki，且上次增大的过多，因此，令di符号取反并让值除以2，以减半的步长来减小，判断di绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令ki加上步长di，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束ki自整定。

8.根据权利要求7所述的基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，其特征在于，kp的自整定包括以下步骤：

(1)、kp刚进入的自整定或者每经kp参数自校正一次之后，都要先经过冷却延时，之后放电7-10周期，读取最后一周期电压反馈值；

(2)、判断步骤(1)的电压反馈值u₈的大小，具体如下：

(一)、若电压反馈值u₈近似等于设定值U，则结束子程序；

(二)、若电压反馈值u₈小于设定值U，则说明kp偏大，应减小kp，此时若kp参数的自校正步长dp小于0，则说明上次整定即在减小kp，此次继续减小即可，此时若dp大于0，说明上次整定是增大kp，且上次增大的过多，因此，此处令dp符号取反并让值除以二，以减半的步长来减小，这时判断dp绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令kp加上步长dp，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束kp自整定子程序；

(三)、若反馈值u₈大于设定值U，则说明kp偏小，应增大kp；此时若kp参数的自校正步长dp大于0，则说明上次整定即在增大kp，此次继续增大即可，此时若dp小于0，说明上次整定是减小了kp，且上次减小的过多，因此，令dp符号取反并让值除以二，以减半的步长来增大，这时判断dp绝对值是否大于最小步长d_min，若大于，则令kp加上步长dp，完成一次整定并进入下一次的整定过程，若小于d_min，则结束kp自整定子程序。

9.根据权利要求8所述的基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，其特征在于，初始占空比pwm₀的自整定包括以下步骤：

(a)、初始占空比pwm₀刚进入的自整定或每经pwm₀参数自校正一次之后，都要先经过一定的冷却延时，之后放电8-11周期，读取最后一个周期和倒数第三周期的电压反馈值u₈和u₆；

(b)、判断步骤(a)两个电压反馈值u₈和u₆的大小，分以下两种情况：

一、若反馈值u₈和u₆都近似等于设定值U，或反馈值u₈大于设定值U的101％-102％，则不能再增大初始占空比pwm₀，子程序结束；

二、若反馈值u₈近似等于设定值U，但反馈值u₆小于设定值U的96％-99％，则让初始占空比pwm₀增加dw，完成一次自校正并进入下一次的校正过程，直到满足情况一从而完成整定。

10.根据权利要求9所述的基于模式识别的微电阻点焊电源PID参数自整定方法，其特征在于，增量式PI调节公式如下：

Δu_k＝ki·(Ig-Is_k)-kp·(Is_k-Is_k-1) (1)

其中，Δu为控制量的增量，在点焊控制器中指输出的PWM占空比增量；Ig为设定值，Is为采样值，恒压模式指控制焊接电压恒定，恒流模式指控制焊接电流恒定；下标k代表第k次控制周期；ki为积分系数。

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