ES2293845B2 - SYSTEM OF MONITORING AND CONTROL OF PROCESSES OF SURFACE THERMAL TREATMENT OF MATERIALS WITH LASER THROUGH AN ADAPTIVE NEURONAL CONTROL BY MEANS OF REFERENCE MODEL. - Google Patents

SYSTEM OF MONITORING AND CONTROL OF PROCESSES OF SURFACE THERMAL TREATMENT OF MATERIALS WITH LASER THROUGH AN ADAPTIVE NEURONAL CONTROL BY MEANS OF REFERENCE MODEL. Download PDF

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ES2293845B2 ES200602421A ES200602421A ES2293845B2 ES 2293845 B2 ES2293845 B2 ES 2293845B2 ES 200602421 A ES200602421 A ES 200602421A ES 200602421 A ES200602421 A ES 200602421A ES 2293845 B2 ES2293845 B2 ES 2293845B2
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Abstract

Sistema de monitorización y control de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser mediante un control neuronal adaptativo mediante modelo de referencia. Consiste en un sistema de monitorización y control en tiempo real de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser mediante control neuronal mediante modelo de referencia, que emplea como variable de entrada la máxima temperatura en la superficie del material y como variable de actuación la potencia de salida de la fuente láser. El sistema calcula cíclicamente la señal de actuación sobre la potencia de la fuente láser (8), en base al error de seguimiento (4). La señal de control sobre la potencia de la fuente láser (8) es calculada en dos etapas: en primer lugar, el controlador lineal tipo Proporcional, Integral y Derivativo, PID (5) genera, en base al error de seguimiento (4), la correspondiente actuación (6), y posteriormente, a partir de dicha señal y el estado del proceso (2), el controlador neuronal mediante modelo de referencia (7) calcula la señal de actuación sobre la fuente láser (8).System for monitoring and controlling processes of surface heat treatment of laser materials by means of an adaptive neuronal control using a reference model. It consists of a real-time monitoring and control system of surface heat treatment processes of laser materials by means of a neuronal control using a reference model, which uses as input variable the maximum temperature on the surface of the material and as a performance variable the power output of the laser source. The system cyclically calculates the actuation signal on the power of the laser source (8), based on the tracking error (4). The control signal on the power of the laser source (8) is calculated in two stages: first, the proportional, Integral and Derivative linear controller, PID (5) generates, based on the tracking error (4), the corresponding action (6), and subsequently, from said signal and the state of the process (2), the neuronal controller by reference model (7) calculates the action signal on the laser source (8).

Description

Sistema de monitorización y control de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser mediante un control neuronal adaptativo mediante modelo de referencia.Process monitoring and control system of surface heat treatment of materials with laser by an adaptive neuronal control by reference model.

Sector de la técnicaTechnical sector

La invención se encuadra en el sector técnico de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales mediante la tecnología láser, centrándose en la monitorización y el control avanzado de estos procesos.The invention falls within the technical sector of surface heat treatment processes of materials by laser technology, focusing on monitoring and control advanced of these processes.

Estado de la técnicaState of the art

En los últimos años, la tecnología láser se está aplicando con éxito en una amplia variedad de tratamientos térmicos superficiales, proporcionando una enorme flexibilidad y rapidez, permitiendo realizar tratamientos superficiales localizados y de espesores muy reducidos, con una mínima alteración del material base o substrato, lo que le ha conferido una cierta sensación de madurez tecnológica, si bien un análisis en profundidad permite detectar todavía infinidad de aspectos y cuestiones sin resolver, fundamentalmente en el área de la monitorización y el control automático del proceso.In recent years, laser technology is being successfully applying in a wide variety of heat treatments superficial, providing enormous flexibility and speed, allowing localized surface treatments and very small thicknesses, with minimal material alteration base or substrate, which has given it a certain sense of technological maturity, although an in-depth analysis allows detect still countless aspects and unresolved issues, mainly in the area of monitoring and control automatic process.

Entre las principales limitaciones para la aplicación industrial a gran escala de la tecnología láser cabe destacar la posible falta de uniformidad en el tratamiento como consecuencia de la elevada sensibilidad del proceso a perturbaciones externas, derivadas esencialmente de inestabilidades en la fuente láser e imperfecciones en el acabado superficial del elemento a tratar.Among the main limitations for the Large-scale industrial application of laser technology fits highlight the possible lack of uniformity in treatment as consequence of the high sensitivity of the process to external disturbances, essentially derived from instabilities in the laser source and imperfections in the surface finish of the item to be treated

Las irregularidades en el tratamiento pueden dar lugar a un comportamiento inaceptable del producto final, como consecuencia de una disminución de su resistencia al desgaste, a la fatiga o a la corrosión, requiriendo un postprocesado del mismo o incluso conllevar su rechazo y destrucción, con el consiguiente incremento de coste.Irregularities in treatment may give result in unacceptable behavior of the final product, such as consequence of a decrease of its resistance to wear, to fatigue or corrosion, requiring postprocessing thereof or even entail its rejection and destruction, with the consequent cost increase

Estas consideraciones permiten establecer la necesidad de diseñar un sistema de monitorización y control del proceso en tiempo real capaz de mantenerlo dentro de las condiciones nominales de trabajo, mejorando la uniformidad del tratamiento e incrementando la calidad final del producto obtenido.These considerations allow establishing the need to design a monitoring and control system for real-time process capable of keeping it within nominal working conditions, improving the uniformity of treatment and increasing the final quality of the product obtained.

Si bien en la literatura se pueden encontrar diversas referencias a sistemas de control para procesos de tratamiento de materiales con láser, pudiendo citarse como ejemplos las patentes EP0836905, EP0086540 y JP2003183726, la mayoría de las referencias se limitan a sistemas de control lineales, esencialmente controladores tipo Proporcional, Integral y Derivativo del Error (PID) y algún controlador mediante realimentación del vector de estados, sin que se hayan encontrado referencias acerca de la aplicación de un sistema de control neuronal mediante modelo de referencia a procesos de tratamiento de materiales con láser.While in the literature you can find various references to control systems for processes treatment of materials with laser, which can be cited as examples EP0836905, EP0086540 and JP2003183726, most of the references are limited to linear control systems, essentially Proportional, Integral and Derivative type controllers Error (PID) and some controller through feedback state vector, with no references found about of the application of a neuronal control system using a model of reference to material treatment processes with To be.

De todos modos, a pesar de la elevada no linealidad y complejidad de los procesos de tratamiento de materiales con láser, sus fundamentos teóricos han sido ampliamente estudiados en los últimos años, pudiéndose encontrar en la literatura amplia documentación al respecto, incluyendo diversos modelos matemáticos de altas prestaciones, alguno de los más significativos desarrollados por los solicitantes de la patente (J. L. Ocaña et al. "Modelo Numérico Tridimensional para la Simulación de Procesos de Tratamiento Superficial de Materiales con Láser". Revista de Metalurgia. 35. 75-83. 1999.). Estos modelos están basados en su mayoría en elementos finitos y son de gran utilidad para el estudio y análisis predictivo del tratamiento.In any case, despite the high non-linearity and complexity of laser material treatment processes, its theoretical foundations have been widely studied in recent years, and extensive documentation can be found in the literature, including various mathematical models of high performance, some of the most significant developed by the patent applicants (JL Ocaña et al . "Three-dimensional Numerical Model for the Simulation of Processes of Surface Treatment of Materials with Laser". Metallurgy Magazine. 35. 75-83. 1999 .). These models are mostly based on finite elements and are very useful for the study and predictive analysis of treatment.

Sin embargo, como consecuencia de su complejidad y elevado tiempo de cálculo, estos modelos no son adecuados para la simulación del tratamiento en tiempo real, siendo necesario recurrir a técnicas de modelado no lineal de última generación, tales como el modelado mediante redes neuronales artificiales para obtener un modelo del tratamiento adecuado y suficientemente rápido para su evaluación directa en tiempo real.However, as a result of its complexity and high calculation time, these models are not suitable for real-time treatment simulation, being necessary resort to state-of-the-art nonlinear modeling techniques, such as modeling using artificial neural networks to get a proper treatment model and fast enough for direct real-time evaluation.

Como consecuencia, tampoco se han encontrado referencias a la integración en sistemas de monitorización y control de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser de una etapa de supervisión del proceso que verifique la coherencia entre la información procedente de los sensores con la proporcionada por un modelo neuronal de altas prestaciones incorporado al sistema de monitorización y control del proceso, poniendo de manifiesto la originalidad del sistema de monitorización y control objeto de patente.As a result, they have not been found references to integration in monitoring systems and surface heat treatment process control of laser materials of a stage of process monitoring that verify the consistency between the information coming from the sensors with the one provided by a high neuronal model benefits incorporated into the monitoring and control system of the process, revealing the originality of the system Patent monitoring and control.

Breve descripción de las figurasBrief description of the figures

La figura 1 presenta un diagrama de bloques del sistema de monitorización y control propuesto en su modo de realización completo, en el cual el sistema de monitorización y control calcula cíclicamente la señal de actuación sobre la potencia de salida de la fuente láser (8) en base a la señal de error de seguimiento (4), definida como la diferencia entre el valor deseado de máxima temperatura, especificado por la consigna de referencia (1) y el valor realmente alcanzado por el tratamiento (2), valor que ha sido previamente filtrado y acondicionado (12) y verificada su validez por la etapa de supervisión del proceso (13).Figure 1 presents a block diagram of the proposed monitoring and control system in its mode of complete realization, in which the monitoring system and control cyclically calculates the action signal on the output power of the laser source (8) based on the signal of tracking error (4), defined as the difference between the desired maximum temperature value, specified by the setpoint of reference (1) and the value actually achieved by the treatment (2), value that has been previously filtered and conditioned (12) and its validity verified by the process supervision stage (13).

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Con el objeto de optimizar las prestaciones del sistema de monitorización y control del proceso, el sistema de control se ha dividido en dos etapas: un controlador lineal tipo Proporcional, Integral y Derivativo, PID (5) el cual genera la correspondiente señal de actuación (6) en base al error de seguimiento (4) y en segundo lugar un controlador neuronal adaptativo mediante modelo de referencia (7), el cual calcula la señal de actuación sobre la potencia de salida de la fuente láser (8) a partir de la señal de actuación del controlador PID (6) y el estado del proceso, representado por el valor de máxima temperatura en la superficie del material realmente alcanzado por el tratamiento (2).In order to optimize the benefits of process monitoring and control system, the system control has been divided into two stages: a linear controller type Proportional, Integral and Derivative, PID (5) which generates the corresponding actuation signal (6) based on the error of tracking (4) and secondly a neuronal controller adaptive by reference model (7), which calculates the actuation signal on the output power of the laser source (8) from the actuation signal of the PID controller (6) and the process status, represented by the maximum temperature value on the surface of the material really reached by the treatment (2).

La figura 2 describe de un modo detallado el funcionamiento del controlador lineal PID (5), el cual calcula la señal de actuación (6) como una combinación lineal de tres acciones de control básicas: la acción proporcional (15), es decir una actuación proporcional al error de seguimiento (4), la acción integral (18), una actuación proporcional a la integral temporal del error de seguimiento y la acción derivativa (24), una actuación proporcional a la derivada temporal del error de seguimiento (22). Con el objeto de acotar el rango de actuación, el controlador PID (5) incorpora un mecanismo antisaturación (26).Figure 2 describes in a detailed way the operation of the PID linear controller (5), which calculates the actuation signal (6) as a linear combination of three actions basic control: the proportional action (15), that is a action proportional to the following error (4), the action integral (18), an action proportional to the temporal integral of the follow-up error and the derivative action (24), a performance proportional to the temporary derivative of the tracking error (22). In order to narrow the range of action, the PID controller (5) incorporates an anti-saturation mechanism (26).

La figura 3 presenta un detalle del funcionamiento del controlador neuronal mediante modelo de referencia (7), el cual calcula la señal de actuación sobre la potencia de salida de la fuente láser (8) a partir de la señal de actuación del controlador PID (6) y el estado del proceso, representado por el valor de máxima temperatura en la superficie del material realmente alcanzado por el tratamiento (2).Figure 3 presents a detail of the Neural controller operation by means of reference (7), which calculates the action signal on the output power of the laser source (8) from the signal of PID controller performance (6) and process status, represented by the maximum surface temperature value of the material actually reached by the treatment (2).

La figura 4 presenta un esquema detallado del funcionamiento del modelo neuronal incremental del proceso incorporado a la etapa de supervisión (13), el cual estima el incremento de temperatura en el siguiente instante de muestreo (30) en función de la máxima temperatura en la superficie del material estimada por el modelo en el instante actual (28) y la actuación sobre la potencia de salida de la fuente láser (8) en el instante actual. El valor de la máxima temperatura en el instante actual (28) se obtiene sumándole el valor de temperatura ambiente (35) a la integral del incremento de temperatura (34), calculada por acumulación.Figure 4 presents a detailed outline of the functioning of the incremental neuronal model of the process incorporated into the supervision stage (13), which estimates the temperature increase at the next instant of sampling (30) depending on the maximum temperature on the surface of the material estimated by the model at the current time (28) and the performance on the output power of the laser source (8) in the instant current. The maximum temperature value at the current instant (28) is obtained by adding the ambient temperature value (35) to the integral of the temperature increase (34), calculated by accumulation.

La figura 5 presenta un esquema simplificado del funcionamiento de la etapa de supervisión (13), la cual verifica la coherencia entre la señal de máxima temperatura en la superficie del material ya filtrada y acondicionada (12) con el valor de temperatura estimado mediante el modelo neuronal incremental del proceso (28), comparando la diferencia entre ambos valores, expresada en valor relativo (40) con un umbral de aceptación o rechazo (41), definido en base a las características particulares de los procesos de tratamiento térmico de materiales con láser y el tipo de sensor de temperatura empleado.Figure 5 presents a simplified scheme of operation of the supervision stage (13), which verifies the coherence between the maximum surface temperature signal of the material already filtered and conditioned (12) with the value of estimated temperature using the incremental neuronal model of process (28), comparing the difference between both values, expressed in relative value (40) with an acceptance threshold or rejection (41), defined based on the particular characteristics of the heat treatment processes of laser materials and the type of temperature sensor used.

En el caso de que la diferencia entre ambos valores, expresada en valor relativo (40) supere el valor umbral de aceptación (41), definido como el porcentaje de diferencia admisible, la etapa de supervisión del proceso (13) emite una señal de alarma, permitiendo al operador del sistema adoptar las medidas correctivas oportunas.In the event that the difference between the two values, expressed in relative value (40) exceed the threshold value of acceptance (41), defined as the percentage of difference admissible, the process supervision stage (13) emits a signal alarm, allowing the system operator to take measures timely corrections.

La figura 6 presenta un diagrama de bloques del sistema de monitorización y control propuesto en su modo de realización simplificado, en el que se elimina la etapa de supervisión del proceso (13), manteniendo el resto de los elementos del sistema de control descritos anteriormente, de tal modo que la única variación en el funcionamiento del sistema de monitorización y control es que el error de seguimiento (4) se calcula directamente en base a la medida de temperatura proporcionada por el sensor una vez filtrada y acondicionada (12), sin ningún tipo de supervisión, suprimiéndose por consiguiente la capacidad de detección en tiempo real de fallos en el funcionamiento del sistema de monitorización y control.Figure 6 presents a block diagram of the proposed monitoring and control system in its mode of simplified embodiment, in which the stage of process supervision (13), keeping the rest of the elements of the control system described above, such that the only variation in the operation of the monitoring system and control is that the tracking error (4) is calculated directly based on the temperature measurement provided by the sensor a once filtered and conditioned (12), without any supervision, consequently suppressing time detection capability real malfunction of the monitoring system and control.

De un modo más detallado, se indica a continuación el significado de los distintos símbolos empleados:In a more detailed way, it indicates then the meaning of the different symbols employees:

1 -one -
Consigna de referencia de temperatura, especifica el valor deseado para la máxima temperatura en la superficie del material durante el proceso.Temperature reference setpoint, specify the desired value for the maximum surface temperature of the material during the process.

2 -2 -
Señal de máxima temperatura en la superficie del material, ya validada por la etapa de supervisión (13).Maximum temperature signal on the surface of the material, already validated by the supervision stage (13).

3 -3 -
Sumador.Adder.

4 -4 -
Señal de error de seguimiento, calculada como la diferencia entre la medida de la máxima temperatura en la superficie del material ya validada (2) y el valor deseado, especificado por la consigna de referencia (1).Tracking error signal, calculated as the difference between the maximum temperature measurement in the surface of the material already validated (2) and the desired value, specified by the reference setpoint (1).

5 -5 -
Controlador lineal PID.PID linear controller.

6 -6 -
Señal de actuación del controlador PID.PID controller actuation signal.

7 -7 -
Controlador neuronal mediante modelo de referencia.Neural controller using model reference.

8 -8 -
Señal de actuación del controlador neuronal mediante modelo de referencia sobre la potencia de salida de la fuente láser.Signal of the neuronal controller through reference model on the power output of the source To be.

9 -9 -
Sistema de tratamiento de materiales con láser.Material treatment system with To be.

10 -10 -
Señal de salida del proceso, máxima temperatura en la superficie del material.Process output signal, maximum temperature in The surface of the material.

11 -eleven -
Etapa de adquisición de datos, incluyendo el pirómetro infrarrojo sensor de temperatura, así los elementos necesarios para el filtrado y acondicionamiento de la señal medida.Data acquisition stage, including the infrared pyrometer temperature sensor as well the elements necessary for filtering and signal conditioning measure.

12 -12 -
Señal de máxima temperatura en la superficie del material medida por el pirómetro infrarrojo, ya filtrada y acondicionada.Maximum temperature signal on the surface of the material measured by the infrared pyrometer, already filtered and conditioned.

13 -13 -
Etapa de supervisión del proceso, verifica la coherencia entre la señal de temperatura medida por el pirómetro infrarrojo, una vez filtrada y acondicionada (12), con la temperatura estimada (28) mediante un modelo neuronal incremental del proceso.Process supervision stage, verify the coherence between the temperature signal measured by the pyrometer infrared, once filtered and conditioned (12), with the estimated temperature (28) using an incremental neuronal model of process.

14 -14 -
Ganancia proporcional.Proportional Gain

15 -fifteen -
Acción proporcional, actuación proporcional al valor del error de seguimiento (4).Proportional action, action proportional to the value of the tracking error (4).

16 -16 -
Ganancia integral.Comprehensive gain

17 -17 -
Integrador.Integrator.

18 -18 -
Acción integral, actuación proporcional a la integral temporal del error de seguimiento.Integral action, action proportional to the Temporary integral of the tracking error.

19 -19 -
Retardo puro.Pure delay.

20 -twenty -
Señal del error de seguimiento en el instante de muestreo anterior.Signal of the tracking error at the instant of previous sampling.

21 -twenty-one -
Sumador.Adder.

22 -22 -
Derivada temporal del error de seguimiento, calculada directamente a partir de la diferencia del error de seguimiento entre dos instantes de muestreo consecutivos (4 y 20).Temporary derivative of the tracking error, calculated directly from the error difference of monitoring between two consecutive sampling moments (4 and twenty).

23 -2. 3 -
Ganancia diferencial.Differential gain.

24 -24 -
Acción derivativa, actuación proporcional a la derivada temporal del error de seguimiento (22).Derivative action, action proportional to the temporary derivative of the tracking error (22).

25 -25 -
Sumador.Adder.

26 -26 -
Mecanismo antisaturación.Anti-saturation mechanism

28 -28 -
Señal de temperatura estimada por el modelo en el instante actual.Temperature signal estimated by the model in the current instant

29 -29 -
Red neuronal tipo perceptrón multicapa.Multilayer perceptron neuronal network.

30 -30 -
Incremento de temperatura en el siguiente instante de muestreo.Temperature increase in the next instant Of sampling.

31 -31 -
Sumador.Adder.

32 -32 -
Señal de temperatura estimada en el siguiente instante de muestreo.Temperature signal estimated in the following sampling time

33 -33 -
Retardo puro.Pure delay.

34 -3. 4 -
Integral del incremento de temperaturaIntegral temperature increase

35 -35 -
Temperatura ambiente.Room temperature.

36 -36 -
Sumador.Adder.

37 -37 -
Sumador.Adder.

38 -38 -
Valor absoluto.Absolute value.

39 -39 -
Divisor.Divider.

40 -40 -
Diferencia entre la señal de máxima temperatura medida por el pirómetro infrarrojo, ya filtrada y acondicionada (12) y la temperatura estimada por el modelo neuronal incremental del proceso (28), expresada en valor relativo.Difference between the maximum temperature signal measured by the infrared pyrometer, already filtered and conditioned (12) and the temperature estimated by the incremental neuronal model of the process (28), expressed in relative value.

41 -41 -
Umbral de aceptación o rechazo, expresado en %.Acceptance or rejection threshold, expressed in %.

42 -42 -
Comparador. Si la diferencia no supera el umbral, la etapa de supervisión valida el valor de máxima temperatura en la superficie del material medida por el pirómetro infrarrojo, ya filtrada y acondicionada (12), en caso contrario emite una alarma permitiendo al operador del sistema adoptar las medidas correctivas oportunas.Comparator If the difference does not exceed the threshold, the supervision stage validates the maximum temperature value in the surface of the material measured by the infrared pyrometer, since filtered and conditioned (12), otherwise it emits an alarm allowing the system operator to take corrective measures timely.
Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

La presente invención introduce un sistema de monitorización y control de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser mediante control neuronal adaptativo mediante modelo de referencia, el cual emplea como variable de entrada la máxima temperatura en la superficie del material medida mediante un pirómetro infrarrojo, convenientemente calibrado y posicionado y como variable de actuación la potencia de salida de la fuente láser.The present invention introduces a system of monitoring and control of heat treatment processes surface of laser materials by neural control adaptive through reference model, which uses as input variable the maximum temperature on the surface of the material measured by an infrared pyrometer, conveniently calibrated and positioned and as a performance variable the power of Laser source output.

El empleo de la potencia de salida de la fuente láser como variable de actuación permite compensar cualquier desviación detectada en el valor de la temperatura alcanzada sin alterar el perfil espacial de la distribución de temperaturas en la zona tratada, garantizando así la uniformidad y calidad del tratamiento.The use of source power output laser as an action variable allows to compensate any deviation detected in the temperature value reached without alter the spatial profile of the temperature distribution in the treated area, thus guaranteeing the uniformity and quality of the treatment.

En la presente patente se proponen dos modos de realización del sistema de monitorización y control: un modo de realización completo en el que además de monitorizar y controlar el proceso, se supervisa en tiempo real el desarrollo del mismo, verificando la coherencia entre la temperatura medida por el pirómetro infrarrojo con la temperatura estimada mediante un modelo neuronal incremental del proceso incorporado al sistema de monitorización y control y un modo de realización simplificado en el que se suprime la supervisión del proceso.In this patent two ways of proposing realization of the monitoring and control system: a mode of complete realization in which in addition to monitoring and controlling the process, its development is monitored in real time, checking the consistency between the temperature measured by the infrared pyrometer with the estimated temperature using a model incremental neuronal process incorporated into the system monitoring and control and a simplified embodiment in which suppresses process supervision.

De acuerdo con el esquema propuesto en la figura 1, que corresponde a la realización completa del sistema, el sistema de monitorización y control calcula cíclicamente la señal de actuación sobre la potencia de la fuente láser (8) en base a la señal de error de seguimiento (4), definida como la diferencia entre el valor de máxima temperatura deseado, especificado por la consigna de referencia (1) y el valor realmente alcanzado por el tratamiento (2), el cual ha sido previamente filtrado y acondicionado (12) y verificada su validez por la etapa de supervisión del proceso (13).According to the scheme proposed in the figure 1, which corresponds to the complete realization of the system, the monitoring and control system cyclically calculates the signal of performance on the power of the laser source (8) based on the tracking error signal (4), defined as the difference between the maximum desired temperature value, specified by the reference setpoint (1) and the value actually reached by the treatment (2), which has been previously filtered and conditioning (12) and its validity verified by the stage of process supervision (13).

En el caso de que la señal de máxima temperatura en la superficie del material ya filtrada y acondicionada (12) no sea coherente con el valor de temperatura estimado mediante el modelo neuronal incremental del proceso (28), la etapa de supervisión del proceso (13) emite una señal de alarma, permitiendo al operador del sistema adoptar las medidas correctivas oportunas.In the event that the maximum temperature signal on the surface of the material already filtered and conditioned (12) not is consistent with the estimated temperature value using the incremental neuronal model of the process (28), the stage of process supervision (13) emits an alarm signal, allowing to the system operator to take corrective measures timely.

La coherencia entre ambas señales se verifica directamente comparando la diferencia en valor relativo (40) entre el valor de la máxima temperatura en la superficie del material ya filtrada y acondicionada (12) y el valor de temperatura estimado mediante el modelo neuronal incremental del proceso (28), con un umbral de aceptación o rechazo (41) definido en base a las características particulares de los procesos de tratamiento térmico de materiales con láser y el tipo de sensor de temperatura empleado.The coherence between both signals is verified directly comparing the difference in relative value (40) between the value of the maximum temperature on the surface of the material already filtered and conditioned (12) and the estimated temperature value through the incremental neuronal model of the process (28), with a Acceptance or rejection threshold (41) defined based on the particular characteristics of heat treatment processes of materials with laser and the type of temperature sensor employee.

Esencialmente, el controlador neuronal adaptativo mediante modelo de referencia (7), base del sistema de monitorización y control, permite asimilar la respuesta dinámica del proceso de tratamiento térmico superficial de materiales con láser, respuesta altamente no lineal y compleja, a la respuesta en lazo abierto de un sencillo sistema lineal de prestaciones conocidas, sistema que se denomina modelo de referencia, en este caso un sistema lineal de primer orden cuyo comportamiento dinámico es aproximadamente tres veces más rápido que el del proceso original.Essentially, the neuronal controller adaptive by reference model (7), base of the system monitoring and control, allows to assimilate the dynamic response of the surface heat treatment process of materials with laser, highly non-linear and complex response, to the response in open loop of a simple linear performance system known, system called reference model, in this case a first order linear system whose dynamic behavior It is approximately three times faster than the process original.

Como consecuencia, el conjunto formado por el proceso y el controlador neuronal mediante modelo de referencia se comporta como un simple sistema lineal conocido de primer orden, sistema que es fácilmente controlable mediante un controlador lineal Proporcional, Integral y Derivativo del error de seguimiento, PID.As a consequence, the set formed by the process and the neuronal controller using reference model is behaves like a simple linear system known first order, system that is easily controllable by a controller Proportional, Integral and Derivative linear error of PID tracking.

Desde un punto de vista conceptual, eligiendo como modelo de referencia el comportamiento deseado para el proceso en lazo cerrado, se podría prescindir del controlador lineal PID, pero sin embargo, la inserción de un bloque de control lineal tipo PID cerrando el lazo de control permite obtener una mejora considerable en las prestaciones del conjunto, principalmente en lo que respecta a su estabilidad y robustez ante perturbaciones externas no previstas.From a conceptual point of view, choosing as a reference model the desired behavior for the process in closed loop, the PID linear controller could be dispensed with, but nevertheless, the insertion of a linear type control block PID closing the control loop allows an improvement considerable in the benefits of the whole, mainly in what Regarding its stability and robustness against disturbances External not provided.

Además, la división del sistema de control en dos etapas, simplifica considerablemente el diseño y sintonización de los parámetros operativos del sistema de control, por cuanto es posible sintetizar cada etapa de forma independiente.In addition, the division of the control system into Two stages, greatly simplify the design and tuning of the operating parameters of the control system, because it is possible to synthesize each stage independently.

En la figura 3, se puede observar como mediante una compleja red neuronal tipo perceptrón multicapa (27), el controlador neuronal mediante modelo de referencia (7) calcula la actuación sobre la potencia de salida de la fuente láser (8), en función de la señal de actuación del controlador PID (6) y el estado actual del proceso, representado por el valor de máxima temperatura en la superficie del material (2).In figure 3, it can be seen as by a complex multilayer perceptron neuronal network (27), the Neural controller using reference model (7) calculates the acting on the output power of the laser source (8), in function of the PID controller actuation signal (6) and the status  current process, represented by the maximum temperature value on the surface of the material (2).

Teniendo en cuenta que el objetivo fundamental de un controlador mediante modelo de referencia es corregir el comportamiento dinámico del proceso, asimilándolo al del modelo de referencia, las prestaciones del proceso una vez controlado vendrán definidas en gran medida por la correcta elección de las características dinámicas del modelo de referencia.Given that the fundamental objective of a controller by reference model is to correct the dynamic behavior of the process, assimilating it to the model of reference, the benefits of the process once controlled will come defined largely by the correct choice of dynamic characteristics of the reference model.

En el sistema de control objeto de patente, se han establecido como criterios básicos para la elección del modelo de referencia limitar la sobreoscilación del proceso, es decir la máxima desviación de la respuesta con respecto al valor deseado y además reducir el tiempo de establecimiento del sistema, es decir el tiempo necesario para que el sistema alcance el estado estacionario, mejorando de este modo considerablemente la eficiencia del proceso. Como consecuencia, se ha estimado conveniente emplear como modelo de referencia un sistema lineal de primer orden cuya dinámica es aproximadamente tres veces más rápida que la original del proceso a controlar.In the patent control system, have established as basic criteria for the choice of the model of reference limit the over-oscillation of the process, that is the maximum deviation of the response with respect to the desired value and also reduce the system establishment time, that is the  time needed for the system to reach status stationary, thereby significantly improving the process efficiency As a result, it has been estimated it is convenient to use a linear system of reference as a reference model first order whose dynamics is approximately three times faster than the original process to control.

Considerando las particularidades de los procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser, caracterizados por un elevado grado de no linealidad y una gran rapidez de respuesta, el controlador mediante modelo de referencia se ha implementado mediante una red neuronal tipo perceptrón multicapa (27).Considering the particularities of the surface heat treatment processes of materials with lasers, characterized by a high degree of nonlinearity and a very fast response, the controller using model reference has been implemented using a neural network type multilayer perceptron (27).

Históricamente, las redes neuronales artificiales surgen en un intento de emular los mecanismos biológicos básicos de procesado y almacenamiento de información, mediante una compleja red formada por múltiples unidades simples de procesado en paralelo denominadas neuronas artificiales, interconectadas entre sí mediante una densa estructura de conexiones unidireccionales, formando diversas topologías o arquitecturas en función de la aplicación para la cual han sido diseñadas.Historically, neural networks artificial emerge in an attempt to emulate the mechanisms Basic biological processing and storage, through a complex network consisting of multiple simple units of Parallel processing called artificial neurons, interconnected with each other through a dense connection structure  unidirectional, forming various topologies or architectures in function of the application for which they have been designed.

Por su naturaleza, las redes neuronales artificiales constituyen una de las técnicas fundamentales para el modelado y control de procesos no lineales altamente complejos, tales como el tratamiento térmico superficial de materiales con láser, por su excelente capacidad para aprender y corregir su comportamiento a partir de un conjunto suficientemente representativo de datos de entrada-salida del proceso.By their nature, neural networks artificial constitute one of the fundamental techniques for the modeling and control of highly complex nonlinear processes, such as surface heat treatment of materials with laser, for its excellent ability to learn and correct your behavior from a set sufficiently representative of input-output data of process.

Atendiendo al tipo de señales que procesan, las distintas neuronas de la red pueden agruparse en estructuras homogéneas denominadas capas, siendo posible distinguir en cualquier red neuronal típica al menos tres tipos de capas: la capa de entrada, que agrupa todas las neuronas que reciben información del exterior, un conjunto de capas internas u ocultas que carecen de contacto con el exterior y la capa de salida, la cual proporciona la respuesta de la
red.
According to the type of signals they process, the different neurons in the network can be grouped into homogeneous structures called layers, being possible to distinguish in any typical neuronal network at least three types of layers: the input layer, which groups all the neurons that receive information from the outside, a set of hidden or internal layers that lack contact with the outside and the exit layer, which provides the response of the
net.

En la actualidad están documentadas en la literatura al menos unas cincuenta arquitecturas distintas de redes neuronales artificiales, siendo una de las más empleadas en el modelado y control de procesos no lineales la arquitectura conocida como perceptrón multicapa, una red multicapa con una sola capa interna u oculta, en la que todas las neuronas que constituyen la red son del tipo perceptrón simple.They are currently documented in the literature at least about fifty different network architectures artificial neural, being one of the most used in the modeling and control of nonlinear processes known architecture as a multilayer perceptron, a multilayer network with a single layer internal or hidden, in which all the neurons that constitute the network are of the simple perceptron type.

Como neurona artificial, el perceptrón simple trata de emular el funcionamiento de las unidades de procesado de los sistemas sensoriales de los vertebrados, siendo su respuesta una función no lineal de los valores de entrada a la neurona, función conocida como función de activación o función de transferencia.As an artificial neuron, the simple perceptron tries to emulate the operation of the processing units of the sensory systems of vertebrates, being their response a nonlinear function of the neuron input values, function known as activation function or function of transfer.

De acuerdo con las consideraciones anteriores, el controlador mediante modelo de referencia (7) se ha implementado mediante una red neuronal tipo perceptrón multicapa (27), con una capa interna formada por seis neuronas con función de activación de tipo sigmoidal, es decir una función continua y derivable de la familia de las funciones trigonométricas hiperbólicas, en este caso concreto, la tangente hiperbólica.In accordance with the above considerations, the controller through reference model (7) has been implemented through a multilayer perceptron neuronal network (27), with a inner layer formed by six neurons with activation function of sigmoidal type, that is, a continuous and derivable function of the family of hyperbolic trigonometric functions, in this case concrete, the hyperbolic tangent.

En su realización completa, el sistema de monitorización y control de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser propuesto incorpora una etapa de supervisión del proceso (13), la cual verifica la coherencia entre la señal de máxima temperatura en la superficie del material ya filtrada y acondicionada (12) con el valor de temperatura estimado mediante el modelo neuronal incremental del proceso (28), permitiendo detectar en tiempo real fallos en el funcionamiento del sistema de monitorización y control y adoptar las medidas correctivas
oportunas.
In its complete implementation, the system for monitoring and controlling surface heat treatment processes of laser materials proposed incorporates a process supervision stage (13), which verifies the coherence between the maximum temperature signal on the surface of the material and filtered and conditioned (12) with the estimated temperature value through the incremental neuronal model of the process (28), allowing real-time detection of failures in the operation of the monitoring and control system and taking corrective measures
timely.

Como consecuencia de la elevada complejidad y no linealidad de los procesos de tratamiento térmico de materiales con láser, así como su bajo tiempo de respuesta, para la simulación del tratamiento en tiempo real es necesario recurrir a técnicas de modelado no lineal de última generación, tales como el modelado mediante redes neuronales artificiales para obtener un modelo del tratamiento adecuado y suficientemente rápido para su evaluación directa dentro del sistema de monitorización y control.As a consequence of the high complexity and not linearity of heat treatment processes of materials with laser, as well as its low response time, for the simulation of Real-time treatment is necessary to resort to techniques of state-of-the-art nonlinear modeling, such as modeling using artificial neural networks to obtain a model of adequate treatment and fast enough for evaluation Direct within the monitoring and control system.

En base a las consideraciones anteriores, para el modelado del proceso de tratamiento térmico superficial de materiales con láser se ha desarrollado un modelo neuronal incremental del proceso, implementado mediante una red neuronal tipo perceptrón multicapa, con una capa interna formada por seis neuronas con función de activación de tipo sigmoidal.Based on the above considerations, for the modeling of the surface heat treatment process of laser materials a neural model has been developed incremental process, implemented through a neural network multilayer perceptron type, with an inner layer formed by six neurons with sigmoidal activation function.

En la realización simplificada del esquema de monitorización y control propuesto, de acuerdo con la estructura representada en la figura 6, se elimina la etapa de supervisión del proceso (13), manteniendo el resto de los elementos descritos anteriormente, de tal modo que la única variación en su funcionamiento es que el error de seguimiento (4) se calcula directamente en base a la medida proporcionada por el sensor de temperatura una vez filtrada y acondicionada (12), sin ningún tipo de supervisión, suprimiéndose por consiguiente la capacidad de detección en tiempo real de fallos en el funcionamiento del sistema de monitorización y control.In the simplified embodiment of the scheme of proposed monitoring and control, according to the structure represented in figure 6, the supervision stage of the process (13), keeping the rest of the elements described above, so that the only variation in its operation is that the tracking error (4) is calculated directly based on the measurement provided by the sensor temperature once filtered and conditioned (12), without any type of supervision, thereby suppressing the ability to real-time detection of system operation failures of monitoring and control.

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Modo de realizaciónEmbodiment

El sistema de monitorización y control propuesto puede llevarse a cabo mediante un equipo de tratamiento térmico superficial de materiales con láser equivalente al siguiente:The proposed monitoring and control system can be carried out by means of a heat treatment equipment surface of laser materials equivalent to the following:

--
Un sistema de tratamiento de materiales con láser (9), el cual incluye una fuente láser adecuada al tipo de tratamiento térmico a realizar y que permita el control en tiempo real de la potencia de salida, además de los sistemas de posicionamiento del haz y del elemento a tratar y demás elementos auxiliares necesarios para su correcto funcionamiento. Teniendo en cuenta las características del proceso, es posible emplear una amplia variedad de fuentes láser (CO_{2}, Nd:YAG, Diodo, etc.), sin que esto influya en la aplicabilidad de la invención objeto de patente.A material treatment system with laser (9), which includes a laser source suitable for the type of heat treatment to be performed and that allows real-time control of the output power, in addition to the positioning systems of the beam and the element a treat and other auxiliary elements necessary for its correct functioning. Taking into account the characteristics of the process, it is possible to use a wide variety of laser sources (CO2), Nd: YAG, Diode, etc.), without this influencing the applicability of the invention object of patent.

--
Un pirómetro infrarrojo, el cual se emplea como sensor para la monitorización de la máxima temperatura en la superficie del material durante el tratamiento. Teniendo en cuenta las características del proceso, es posible emplear tanto pirómetros de un color como de dos colores.A infrared pyrometer, which is used as a sensor for maximum temperature monitoring on the surface of the material during treatment. Taking into account the characteristics of the process, it is possible to use both pyrometers One color as two colors.

--
Un ordenador personal para el control del proceso, provisto de tarjeta de adquisición de datos, pantalla gráfica y demás periféricos de entrada/salida de datos habituales, además de un software de monitorización y control de procesos de tratamiento de materiales con láser mediante control neuronal adaptativo mediante modelo de referencia.A personal computer for process control, provided with card data acquisition, graphic display and other peripherals of usual input / output of data, in addition to software monitoring and control of material treatment processes with laser through adaptive neuronal control using reference.

La conexión entre el ordenador y el pirómetro se efectúa mediante un canal de entrada analógica de la tarjeta de adquisición de datos, incorporando una etapa de adaptación y filtrado de la señal adecuada al rango de trabajo de ambos elementos.The connection between the computer and the pyrometer is done through a channel of analog input of the data acquisition card, incorporating a stage of adaptation and filtering of the appropriate signal to the working range of both elements.

De un modo similar, para la señal de actuación del sistema de control sobre la potencia de la fuente láser se emplea un canal de salida analógica de la tarjeta de adquisición de datos.In a manner similar, for the control signal of the control system on the power of the laser source is used an analog output channel of the data acquisition card.

En la presente patente se proponen dos modos de realización: un modo de realización completo en el que además de monitorizar y controlar el proceso, se supervisa en tiempo real el funcionamiento del mismo, verificando la coherencia entre la temperatura medida por el pirómetro infrarrojo empleado como sensor, con la temperatura estimada mediante un modelo neuronal del proceso incorporado al sistema de monitorización y control y un modo de realización simplificado en el que se suprime la etapa de supervisión del proceso.In this patent two ways of proposing embodiment: a complete embodiment in which in addition to monitor and control the process, the operation of the same, verifying the coherence between the temperature measured by the infrared pyrometer used as sensor, with the estimated temperature using a neuronal model of the process incorporated into the monitoring and control system and a mode of simplified embodiment in which the stage of process supervision

De acuerdo con el esquema propuesto en la figura 1, en su realización completa, el sistema de monitorización y control calcula cíclicamente la señal de actuación sobre la potencia de la fuente láser (8) en base a la señal de error de seguimiento (4), definida como la diferencia entre el valor de máxima temperatura deseado, especificado por la consigna de referencia (1) y el valor realmente alcanzado por el tratamiento (2), el cual ha sido previamente filtrado y acondicionado (12) y verificada su validez por la etapa de supervisión del proceso (13).According to the scheme proposed in the figure 1, in its full realization, the monitoring system and control cyclically calculates the action signal on the power of the laser source (8) based on the error signal of tracking (4), defined as the difference between the value of maximum desired temperature, specified by the setpoint of reference (1) and the value really achieved by the treatment (2), which has been previously filtered and conditioned (12) and its validity verified by the process supervision stage (13).

En el caso de que la señal de máxima temperatura en la superficie del material ya filtrada y acondicionada (12) no sea coherente con el valor de temperatura estimado mediante el modelo neuronal incremental del proceso (28), la etapa de supervisión del proceso (13) emite una señal de alarma, permitiendo al operador del sistema adoptar las medidas correctivas oportunas.In the event that the maximum temperature signal on the surface of the material already filtered and conditioned (12) not is consistent with the estimated temperature value using the incremental neuronal model of the process (28), the stage of process supervision (13) emits an alarm signal, allowing to the system operator to take corrective measures timely.

En su realización simplificada, de acuerdo con el esquema de la figura 6, se elimina la etapa de supervisión del proceso (13), manteniéndose el resto de los elementos descritos anteriormente, de tal modo que la única variación en su funcionamiento es que el error de seguimiento (4) se calcula directamente en base a la medida proporcionada por el sensor de temperatura una vez filtrada y acondicionada (12), sin ningún tipo de supervisión, suprimiéndose por consiguiente la capacidad de detección en tiempo real de fallos en el funcionamiento del sistema de monitorización y control.In its simplified implementation, according to the scheme of figure 6, the supervision stage of the process (13), keeping the rest of the elements described above, so that the only variation in its operation is that the tracking error (4) is calculated directly based on the measurement provided by the sensor temperature once filtered and conditioned (12), without any type of supervision, thereby suppressing the ability to real-time detection of system operation failures of monitoring and control.

Aplicación industrialIndustrial application

Con carácter general, el sistema de monitorización y control descrito es de aplicación inmediata en cualquiera de los tratamientos térmicos superficiales de materiales con láser realizados habitualmente en la industria, (temple, normalizado, refusión, recubrimiento superficial, aleado superficial, etc.), siendo necesarios únicamente pequeños ajustes en función de las características específicas de la instalación y el proceso a controlar.In general, the system of monitoring and control described is of immediate application in any of the surface heat treatments of materials with lasers usually made in industry, (tempering, normalized, refusion, surface coating, alloy superficial, etc.), only small adjustments being necessary depending on the specific characteristics of the installation and The process to control.

Claims (2)

1. Sistema de monitorización y control de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser mediante control neuronal adaptativo mediante modelo de referencia que comprende los siguientes elementos:1. Monitoring and control system surface heat treatment processes of laser materials by adaptive neuronal control by reference model comprising the following elements:
--
Sistema de tratamiento de materiales con láser, el cual incluye una fuente láser, equipos de posicionamiento del haz y del elemento a tratar y demás elementos auxiliares necesarios para su correcto funcionamiento (7).Material treatment system with laser, which includes a laser source, positioning equipment of the beam and the element to be treated and other auxiliary elements necessary for proper operation (7).
--
Pirómetro infrarrojo empleado como sensor de la máxima temperatura en la superficie del material.Infrared pyrometer used as maximum temperature sensor on the surface of the material.
--
Ordenador personal para el control del proceso, provisto de tarjeta de adquisición de datos, pantalla gráfica y demás periféricos de entrada/salida de datos, además de un software de monitorización y control de procesos de tratamiento de materiales con láser mediante control neuronal adaptativo mediante modelo de referencia.Personal computer for the control of process, provided with data acquisition card, screen graphics and other peripherals for data input / output, in addition to a software for monitoring and control of treatment processes of materials with laser by adaptive neuronal control by reference model.
caracterizado porque: characterized in that:
--
Cíclicamente, la máxima temperatura en la superficie del material a tratar (12), medida mediante el pirómetro infrarrojo y convenientemente filtrada y acondicionada, es comparada con el valor de temperatura de proceso deseada, especificado mediante la señal de consigna de referencia (1), introducida mediante el dispositivo de entrada de datos del ordenador que controla el proceso, obteniendo el error de seguimiento (4), el cual es procesado por el sistema de monitorización y control, generando la señal de actuación sobre la potencia de salida de la fuente láser (8),Cyclically, the maximum temperature in the surface of the material to be treated (12), measured by the infrared and conveniently filtered and conditioned pyrometer, is compared to the desired process temperature value, specified by the reference setpoint signal (1), entered through the data entry device of the computer that controls the process, getting the error of tracking (4), which is processed by the system monitoring and control, generating the signal of action on the output power of the laser source (8),
--
El sistema de control está dividido en dos etapas: un controlador lineal tipo Proporcional, Integral y Derivativo, PID (5), el cual genera la correspondiente señal de actuación (6) en base al error de seguimiento (4) y en segundo lugar un controlador neuronal adaptativo mediante modelo de referencia (7), implementado mediante una red neuronal tipo perceptrón multicapa, el cual calcula la señal de actuación sobre la potencia de salida de la fuente láser (8) a partir de la señal de actuación del controlador PID (6) y la máxima temperatura en la superficie del material (12), medida mediante el pirómetro infrarrojo, filtrada y acondicionada, yHe control system is divided into two stages: a controller Linear Proportional, Integral and Derivative type, PID (5), which generates the corresponding actuation signal (6) based on the error tracking (4) and secondly a neuronal controller adaptive by reference model (7), implemented by a multilayer perceptron neuronal network, which calculates the signal of action on the output power of the laser source (8) a from the actuator signal of the PID controller (6) and the maximum material surface temperature (12), measured by the infrared pyrometer, filtered and conditioned, and
--
El controlador lineal PID (5) calcula la señal de actuación correspondiente (6) en base al error de seguimiento (4), como una combinación lineal de tres acciones de control básicas: una actuación proporcional al error de seguimiento (15), una actuación proporcional a la integral temporal del error de seguimiento (18) y una actuación proporcional a la derivada temporal del error de seguimiento (24).He PID linear controller (5) calculates the actuation signal corresponding (6) based on the tracking error (4), as a linear combination of three basic control actions: one action proportional to the follow-up error (15), an action proportional to the temporary integral of the tracking error (18) and an action proportional to the temporary derivative of the error of follow-up (24).
2. Sistema de monitorización y control de procesos de tratamiento térmico superficial de materiales con láser, según reivindicación 1, caracterizado porque incorpora una etapa de supervisión del proceso (13), que verifica la coherencia entre la señal de máxima temperatura en la superficie del material medida por el pirómetro infrarrojo, una vez filtrada y acondicionada (12), con el valor estimado de máxima temperatura en la superficie del material (28), el cual se estima mediante un modelo neuronal del proceso implementado de modo incremental mediante una red neuronal completamente independiente (29), tipo perceptrón multicapa con seis neuronas en su capa interna, la cual estima en tiempo real el incremento en la máxima temperatura en la superficie del material en el siguiente instante de muestreo (30) en función de la máxima temperatura en la superficie del material estimada por el modelo en el instante actual (28) y la actuación sobre la potencia de salida de la fuente láser (8) en el instante actual, y en el caso de que la señal de máxima temperatura en la superficie del material medida por el pirómetro sensor de temperatura una vez filtrada y acondicionada (12) no sea coherente con el valor de temperatura estimado mediante el modelo neuronal del proceso (28), la etapa de supervisión del proceso (13) emite una señal de alarma, permitiendo adoptar las medidas correctivas oportunas.2. System for monitoring and controlling surface heat treatment processes of laser materials, according to claim 1, characterized in that it incorporates a process supervision stage (13), which verifies the coherence between the maximum temperature signal on the surface of the material measured by the infrared pyrometer, once filtered and conditioned (12), with the estimated value of maximum temperature on the surface of the material (28), which is estimated by a neuronal model of the process implemented incrementally by a completely neural network independent (29), multilayer perceptron type with six neurons in its inner layer, which estimates in real time the increase in the maximum temperature on the surface of the material at the next instant of sampling (30) based on the maximum temperature in the surface of the material estimated by the model at the current time (28) and the performance on the power output of the source laser (8) at the present time, and in the event that the maximum temperature signal on the surface of the material measured by the temperature sensing pyrometer once filtered and conditioned (12) is not consistent with the temperature value estimated by the neuronal model of the process (28), the process supervision stage (13) emits an alarm signal, allowing the appropriate corrective measures to be taken.
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