高效綠色逆變弧焊電源非線性優(yōu)化控制

逆變弧焊電源在國防和國民經(jīng)濟建設(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)實意義。本項目按照立項時的申請書計劃順利執(zhí)行, 全面研究了逆變弧焊電源的拓撲電路、非線性建模與控制、焊接信息精確檢測方法等關(guān)鍵科學與技術(shù)問題，以期全面提升系統(tǒng)的效率和魯棒性。 （1）設(shè)計了單逆變器大功率逆變弧焊電源主電路拓撲 本項目研究了適合于大功率逆變弧焊電源的新型軟開關(guān)逆變拓撲，提出了一種單逆變器大功率逆變弧焊電源主電路拓撲結(jié)構(gòu)，并探索了基于新型SiC器件的功率變換電路，計算和分析了吸收電容和電阻、諧振電容和電感等參數(shù)，并通過實驗驗證，為進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與數(shù)字控制相結(jié)合的偏磁實時檢測與抑制方法，并設(shè)計了偏磁控制器，能夠?qū)崟r輸出偏磁信號產(chǎn)生的時刻和強弱，并快速、有效地抑制偏磁。可推廣應用于全橋逆變電路。 （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，通過仿真實驗對比，新方法能夠加快系統(tǒng)收斂速度，提高穩(wěn)定精度。設(shè)計基于模糊算法的弧長與熔滴過渡控制策略，實現(xiàn)了焊接電弧的精準控制，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)行器飽和時端口控制的Hamilton系統(tǒng)的干擾容限和魯棒估計方法 研究了執(zhí)行器飽和時，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的H∞數(shù)字濾波方法，實驗表明當系統(tǒng)的狀態(tài)和噪聲變化時，H∞濾波器對外界干擾的影響具有更強的魯棒性，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平臺 本項目設(shè)計了基于混合信號FPGA的控制系統(tǒng)，集A/D采樣、控制策略、焊接工藝專家?guī)斓榷嗳蝿沼谝惑w，驗證了所研究成果的性能；設(shè)計的全數(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。 該項研究的成果不僅對相關(guān)理論研究與應用具有促進作用，而且對發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進弧焊技術(shù)和推進其產(chǎn)業(yè)化重大意義。 2100433B

有工業(yè)縫紉機之稱的弧焊電源在國防和國民經(jīng)濟建設(shè)中的作用舉足輕重。然而，弧焊電源異常復雜的非線性時變特性，不僅制約著焊接質(zhì)量大幅提高，而且使其能耗大、電磁污染嚴重、可靠性低等頑疾長期未得到徹底解決，亟需新的理論和方法予以突破。本項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)逆變拓撲，提高系統(tǒng)效率和動態(tài)響應；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、分析與能量優(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控制，解決有色金屬、高強鋼等的高質(zhì)量焊接難題；并運用不確定時變系統(tǒng)魯棒估計理論，研究高性能、快響應的焊接反饋信息濾波算法，克服強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的實驗平臺驗證成果。本項目屬電力電子技術(shù)和非線性科學交叉前沿方向，不僅對相關(guān)理論研究與應用有顯著促進作用，而且對發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進弧焊技術(shù)和推進其產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。

傳統(tǒng)的PID控制是誤差的比例、積分、微分三項的線性組合，它具有原理簡單、參數(shù)易于調(diào)整、魯棒性較強等特點，在工業(yè)過程控制中得到了廣泛的應用。但是對于一些復雜的系統(tǒng)，特別是非線性對象，PID控制器并不能得到滿意的效果。如果對傳統(tǒng)的PID加以改進，使其能對一些非線性對象實現(xiàn)較高的控制要求，將有很大的實際意義。非線性PID是在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上引進非線性因素來加以改進的，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)隨負荷變化而變化的特性，在設(shè)計比率控制系統(tǒng)時必須要加以注意。

比率控制測量變送環(huán)節(jié)的非線性特性

流量與測量信號無論是呈線性關(guān)系還是呈非線性關(guān)系，其比值系數(shù)與負荷的大小無關(guān)，均保持其為常數(shù)。但是，當流量與測量信號呈非線性關(guān)系時對過程的 動態(tài)特性卻是有影響的。

問題：當負荷增大時，調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)如果不能隨之改變，則系統(tǒng)的運行質(zhì)量就會下降。

比率控制非線性補償

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

差壓變送器的輸出電流信號與開方器的輸出電流信號之間的關(guān)系為：

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

模糊優(yōu)化控制簡介

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

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，目前智能控制已開始廣泛應用。這種控制將人類的智能，例如把適應、學習、探索等能力引入控制系統(tǒng)，使其具有識別、決策等功能，從而使自動控制和優(yōu)化控制達到了更高級的階段。

模糊優(yōu)化控制條件

一般說，進行優(yōu)化控制必須要具備三個條件：

1、要給出系統(tǒng)的性能指標。

2、要給出約束條件。

3、要尋找優(yōu)化控制的機制和方法。

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