王 春，黄 波，李志荣，胡 勇

(1.过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川 自贡 643000；2.四川理工学院 机械工程学院，四川 自贡 643000)

基于灰色PID控制的全数字送丝系统设计

王 春1，2，黄 波1，2，李志荣1，2，胡 勇1，2

(1.过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川 自贡 643000；2.四川理工学院 机械工程学院，四川 自贡 643000)

焊接电流是影响焊接质量的重要因素，而焊接电流的大小取决于焊接速度，因此送丝系统的控制电路、调速方案和稳定性在整个焊接过程中占据着重要的位置。针对当前送丝电机控制系统的不足，提出基于灰色PID速度控制的调速系统。首先分析送丝系统的硬件组成，并给出双闭环系统的总体结构，介绍灰色PID控制原理，最后通过Simulink对上述方法进行仿真。仿真结果表明，该算法能够有效预测检测信号的未来趋势，具有良好的快速动态响应能力，相比常规PID算法有更优良的性能，可应用于全数字化送丝系统中。

送丝系统；灰色PID；调速系统

0 前言

焊接电流、焊接电压和焊接工艺过程的稳定性是影响焊接质量的重要因素。而焊接电流的大小取决于焊接速度，因此送丝系统的控制电路、调速方案和稳定性在整个焊接过程中占据着重要的位置[1-2]。早期送丝系统通过调整晶闸管导通角大小来控制电机的转速，但动作噪声大，使用寿命短，系统响应速度慢[1]。后来多采用电机调节方式，主要是采用转速负反馈自动调节、电枢电压负反馈自动调节和电枢电压负反馈配合电枢电流负反馈自动调节，控制方法通常采用PID模拟控制方法，但缺点是参数调节需要一定时间，响应速度慢，最优参数的选取比较困难，扩展性和适应性不强。

本设计结合电焊机中送丝系统的控制要求，以DSP为控制核心，采用脉宽调制(PWM)控制直流电机的转速，通过电流负反馈的灰色PID控制，通过编码器精确调节电机的转速[1-3]，从而提高焊接系统控制精度。

1 控制系统设计

1.1 送丝系统硬件组成

送丝电机控制采用DSP为控制核心，整个控制系统由键盘电路、LCD显示电路、光耦合电路、通信电路和电机驱动电路组成，硬件系统如图1所示。键盘电路负责参数的输入，LCD显示电路实现现场数据的显示，DSP与上位机通过RS232实现通信功能。在焊接送丝系统设计中，焊枪的行走速度和稳定性占据举足轻重的地位，可以在送丝电机的同轴安装光电编码器，将速度信号转换成脉冲信号，经过光电隔离电路后送入DSP，进行灰色PID数字调节，然后通过调节PWM脉冲进而实现对送丝电机速度的控制[3-5]。

图1 送丝系统硬件

1.2 直流电机驱动电路

由于直流电动机的转速与电枢电压U成正比，因此通过控制电枢电压U就可以控制电机的速度。直流电机采用H桥双极性电压驱动方式，驱动系统如图2所示。电机的电枢绕组两端电压平均值U0为

图2 H型双极可逆PWM驱动系统

1.3 双闭环控制

早期的送丝电机主要采用开环控制系统，后来发展到速度单闭环系统，但是系统的动态性能较差，送丝精度不高。因此，采用双闭环调速系统[1]，即采用电流内环，速度外环的方案。而在双闭环中决定调速系统性能的主要因素是速度外环，所以在速度环中有必要采用智能控制方法以提高控制精度[7]。调速系统原理如图3所示。

图3 灰色PID调速系统原理

在控制系统的速度外环中，将给定速度值和由光电编码器测得的电机转速值进行比较，得到速度偏差，通过灰色PID调节得到的结果再作为电流环的输入。

在控制系统的电流内环中，原理和外环一样，先将霍尔传感器测得的电流值转换成电压值，再反馈到电流环中，计算偏差，然后将灰色PID调节的结果控制PWM的占空比，通过H型驱动电路，实现对电机转速的控制[1-7]。

其中滤波器的作用是滤除速度输出信号中的杂波信号，以满足动态响应的性能要求。

2 灰色PID控制系统[9-10]

2.1 灰色PID理论基础

灰色预测控制理论是由邓聚龙教授提出的，部分信息已知、部分信息未知的系统称为灰色系统，是处理不确定量的一种有效途径。采用灰色系统的方法，对于不确定部分建立灰色模型，利用它来使控制系统中的灰量得到一定程度的白化，以提高控制质量及其鲁棒性。

设系统不确定部分符合匹配条件，即为bD(x，t)，其中D(x，t)包括两部分：一部分与状态x成比例，一部分与状态无关，可描述为

式中 V＝(V1V2… Vn)，xT＝(x1x2… xn)。

2.2 连续系统灰色PID控制

考虑由下列N个非线性不确定子系统组成的复合非线性不确定系统

式中 x∈Rn，u∈R，A为n×n维矩阵，b为n维矩阵，D(x，t)∈R。

bD(x，t)代表系统满足匹配条件的不确定部分，它包括参数不确定与外干扰等

采用PID控制

为了提高鲁棒性，改善控制性能，减弱不确定部分的影响，在控制器起动过程中，首先采用灰色估计器粗略估计不确定部分模型参数V，然后对D(x，t)加以一定程度的补偿。

不确定部分D(x)无法直接测量，可由测量数据间接计算，离散化为

式中 t＝kT，T为采样周期。

灰色估计器的具体算法如下：

(3)计算

式中 BTB必须可逆，若不可逆，则应适当增加N，直到BTB可逆。

(4)根据状态x(0)k计算D(0)k离散数列，其中

(5)计算D(1)k累加离散数列

(6)计算不确定参数估计值

具有灰色估计器的PID控制方法分为两个阶段。第一阶段：采用PID进行控制，对不确定部分的模型参数V进行估计。第二阶段：在N步后，在上述控制律基础上，按估计参数V＾加上补偿控制uc，此时u＝up+uc

设

采用u＝up+uc计算，系统性能大为改善，鲁棒性大大提高。

采用直流电机额定功率185W，额定电压220V，额定转速200 r／min。通过Simulink对上述方法进行仿真，得到的常规PID控制与灰色PID控制的结果对比如图4所示。可以明显看到与常规PID控制相比，灰色PID控制在调整时间和最大超调量方面有明显的改善。

图4 常规PID控制与灰色PID控制对比

4 结论

仿真结果表明，基于灰色PID控制的调速系统能够有效预测检测信号的未来趋势，具有良好的快速动态响应能力，能有效抑制超调量，增强系统的抗干扰能力，加快稳定时间，提高效率，可应用于全数字化的送丝系统中。

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Design of fully digitalized wire feeding system based on grey PID control

WANG Chun1，2，HUANG Bo1，2，LI Zhi-rong1，2，HU Yong1，2
(1.Sichuan Provincial Key Lab of Process Equipment and Control，Zigong 643000，China；2.Mechanical Engineering College，Sichuan University of Science＆Engineering，Zigong 643000，China)

Welding current is a important factor which affect welding quality and depend on welding speed.Therefore，control circuit，speed control scheme and stability of wire feeding system occupy an important position in welding process.To overcome the shortcoming of current wire feeding motor control system，a speed control system based on grey PID is proposed.First，the wire feeding system of hardware composition is analyzed and the overall structure of dual-loop control system is put forward.Secondly，the control theory of grey PID is introduced.Finally，above method could simulate based on simulink.The simulation results show that the algorithm could predict the future trends of detection signal and used for fully digitalized wire feeding system with good quick dynamic response performance.It has better capability than general PID algorithm.

wire feeding system；grey-PID；speed control system

TG433

A

1001-2303(2011)12-0006-04

2011-06-17

过程装备与控制工程四川省高校重点实验室基金项目(GK201001、GK200905)；四川理工学院人才引进科研启动项目(2010XJKRL012)

王 春(1984—)，男，四川自贡人，硕士，助教，主要从事工业过程监控及焊接自动化方面的研究工作。