基于光电传感器的智能焊缝跟踪系统的设计说明书(论文).doc

课 程 设 计 说 明 书学生姓名:王学圣学 号：201319030432学 院:机械工程学院班 级:机械134题 目: 基于光电传感器的智能焊缝 跟踪系统的设计 高 敏 指导教师： 职称: 副 教 授 2016年 12 月 26 日摘要焊接自动化具有提高生产效率，优化产品质量和改善劳动条件等优点，能够大力促进制造业经济的发展，而焊缝跟踪技术是实现焊接自动化的必要技术，因此，发展焊缝跟踪技术具有重要意义。本系统的执行机构采用的是小车配合双十字滑架的模式。系统经过理论分析，建立了相应的数学模型，并在此基础上设计了符合系统要求的模糊-PID控制系统。模糊-PID控制系统采用开关切换控制的方式，在大误差范围内采用PID控制，在小误差范围内则转换成模糊控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的误差范围自动选择切换。仿真设计表明，该模型不仅简单可靠，而且跟踪精度高。相关的焊接实验与仿真表明，光电传感器式焊缝自动跟踪系统总体上达到了设计要求，具有深入开发的潜力。关键词：光电传感器，焊缝跟踪，单片机，模糊-PID控制，控制器 目录第一章 绪论21.选题依据及课题意义2 2.本文设计的主要内容2第二章 光电传感器的设计32.1 光电传感器的组成和原理32.1.1 光电传感器的元件组成32.1.2 光电传感器的电路设计42.1.3 传感器元件的选择和工作特性42.2 影响光电传感器工作的因素62.2.1 传感器高度实验62.2.2 工件表面状况影响实验72.2.3 人工辅助线影响实验72.2.4 弧光影响实验82.2.5 白线偏移实验及数据处理9第三章 硬件选择及系统整体组成123.1 MSC-51单片机系统123.2 单片机的P口分配123.3 单片机存储空间分配12第四章 焊缝跟踪控制系统144.1 控制原理144.2 数学模型144.3 控制器的设计154.4 Fuzzy-PID复合控制器164.5 PID控制部分174.6 仿真与分析18心得19参考文献20 第一章 绪论 1.选题依据及课题意义焊接技术作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点。焊接技术的自动化、柔性化与智能化是未来焊接技术发展的必然趋势。采用机器人焊接不但可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、而且可以实现小批量产品的焊接自动化。随着科学技术的不断发展，和对产品质量要求的不断提高，弧焊机器人正朝着“高效化、自动化、智能化、柔性化”的方向发展，所采用的传感器多是电弧传感器或光电传感器。但从整体上看，目前国内外大量应用的弧焊机器人系统基 2.本文设计的主要内容 （1）设计并自制光电传感器，分析哪些主要因素影响传感器的精准度和灵敏度，最终确定传感器的最佳工作状态。（2）为了进一步提高传感器识别的精确度和灵敏度，使之能够对工件不同表面状态的焊缝保持一定的跟踪精度，需要改进光电传感器的信号采集和数据处理方式。第二章 光电传感器的设计2.1 光电传感器的组成和原理2.1.1 光电传感器的元件组成光电传感器核心元件主要有两部分组成，一部分是光源，也就是发光器件，我们在这里选用发光二极管;别一部分是对光源发出光的接受元件，也就是光敏元件，我们在这里选用光敏三极管作为接受元件。对于发光器件，我们选用发光二极管，发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。它们具有以下几种特点：发光(能量转换)效率高，反应(开关)时间快可以达到很高的闪烁频率，使用寿命长,耐震荡等机械冲击，体积小，便于聚焦。本实验中作为接受元件的光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。因此，它与光敏二极管相比，具有更大的光电流放大作用，也即有更高的灵敏度。光敏三极管工作原理图如下图2-1所示。图2-1 光敏三级管的工作原理图2.1.2 光电传感器的电路设计由光敏三极管的工作原理，我们可以知道，光敏三极管在一定的光强度照射时，它处于导通准状态，当在一定的有效范围内时，光强度增大（或减小），光敏三极管的电阻也就减小（或增大），当与它串联的电阻一旦选定确定时，每一个并联支路中的电流的大小就由光敏三极管中的电阻决定，进而与光敏三极管串联的电阻的两端电压也随之而改变，我们通过测量并联支路中串联电阻的两端的电压的大小来反映并联支路的电流导通的情况，也即串联电阻的两端电压能间接反映出照射到光敏三极管的光强度。如光电传感器的电路图2-2所示，我们只需要测出电路中L，M和R端的电压就能间接的知道三个光敏管的光强度。图2-2 光电传感器的电路原理图2.1.3 传感器元件的选择和工作特性为了有效的准确的反映出焊缝的偏移状况，那么三个发光二极管发出的光强度应该尽量一致，但实际上发出的光强度完全一样的三个发光二极管是不存在的，我们只能在允许一定的误差内，选择发光强度尽量相近的就行。因此，我们在大量同样规格的发光二极管中选出性能尽可能相近的三个。同理，光敏三极管的选定也是依据这个原则选择，三个光敏三极管的特性大抵相同，且都在其光电特性曲线的线性区内工作，如光线太强，超出光敏管的线性区，则出现饱和现象，传感器无法在饱和区内感应出光强度的变化；如光线太弱，也同样不在光敏管的线性内，既不敏锐，也不能有规律反映出光强度的变化。所选用的光敏管的光电特性曲线如下图2-3所示。图2-3 光敏三极管的光电特性2.1.4 光电传感器的工作原理首先，为了更加有效的检测出焊缝，我们在焊缝上画一条人工辅助白线，然后利用我们设计的光电传感器检测人工辅助白线，根据人工白线的不同偏差情况，传感器相应的输出不同的偏差信号。光电传感器内装有三只发光二极管和三只光敏三极管。它的工作原理如下：发光二极管发出的光照到工件表面上反射回来被光敏三极管接受，根据白线处反光量较大的原理，离白线最近的光敏三极管输出的电流信号比另外两只光敏三极管要强，因此与其串联的电阻输出的电压信号也就更高。这样，我们只要对光电传感器输出的信号（也即图2-2中L，M，R端的电压）做一比较，就能反映出焊缝实际偏差情况，工作原理如图2-5所示。图2-5 光电传感器的工作原理图2.2 影响光电传感器工作的因素要确定系统中传感器的最佳工作状态，首先需要明确有哪些因素会明显地影响传感器数据采集的准确度和灵敏度，经分析，主要影响因素有：传感器的硬件特征，焊接钢板种类，传感器与焊接钢板的高度，焊接钢板的表面状况，焊接钢板有无人工辅助线，以及人工辅助线的宽度等因素，以下就对各因素分别展开实验。为了验证传感器工作的可靠性，我们重复了其传感器高度、人工辅助线等实验，以此作为进一步改进传感器性能的基础。2.2.1 传感器高度实验传感器与焊缝钢板的高度直接影响到系统焊缝跟踪的精度，这个实验就是要确定传感器的最佳高度。实验方法如下：1、传感器（可以固定在小车的十字滑架上）竖直垂直于水平的白线，且传感器中间的发光二极管和光敏管正对白线。2、调节传感器底端与钢板的距离（如4mm），再用万用表测量中间光敏管的输出电压；3、改变传感器的高度（如高度分别为6mm,8mm时），相应的测量出中间光敏管的输出电压。4、将传感器水平移动，使中间光敏管偏离白线，并测量出相应的电压。5、将以上数据记录成表。传感器在每个高度状态（如高度为4mm）下其输出电压都测试3次，并将取得的3个数据取中值。实验的数据结果如上表2-1所示。表2-1 传感器高度实验数据从以上表中数据，我们可以看出传感器的高度为4mm时，三个光敏管能同时达到比较理想的灵敏度。高度越小，传感器越灵敏，但如果太近，移动的传感器容易与表面不平的工件发生接触摩擦，损坏传感器。高度太大时，三个传感器的灵敏度都降低。所以，通过实验，我们把传感器与焊缝钢板的高度定为4mm。2.2.2 工件表面状况影响实验为了检测传感器在各种不同表面状况下是否能依然正常工作，我们做工件表面状况影响实验。我们这里用的焊缝钢板是Q235-A,钢板的表面状况分为：工件表面状况一般，表面有油污，表面有铁锈以及表面经过打磨四种情况，分别对这四种情况的做传感器探测实验，并将实验得出的数据绘制成表2-2所示。表2-2 钢板不同表面状态实验 从以上实验数据可知，传感器对表面普通、油污及铁锈的工件能有效地工作，虽然工件表面状况不同，但输出的信号都呈线性规律，即信号都能用相同的数学处理方法。不同与前面三种情况，工件表面打磨时，工件有白线得到的信号反而比没白线时的要小，原因主要是：钢板经过打磨，表面会比较平整，类似于镜面，容易产生镜面反射，而添加的白线会削弱镜面反射能力，因而信号要小，也不呈现前面状况的信号规律。2.2.3 人工辅助线影响实验 由于受光电传感器本身局限的影响，为了提高光电传感器的准确性和灵敏性，我们在工件上增加一条人工辅助线，为了能够确定人工辅助线的宽度和颜色对传感器信号的影响程度，我们进行了人工辅助线影响实验。 传感器的高度为4mm，实验工件为碳素钢钢板。人工辅助线的颜色分红、白两种，线宽分4mm、2mm两种。实验方法和步骤参考前面的传感器高度实验，实验数据见下表2-3所示。、2-3 人工辅助线影响实验数据 由以上实验数据可以看出，人工辅助线对传感器信号影响是明显的。相比红色人工辅助线，白线在提高传感器灵敏度方面更具优势，因此使用白线作为本实验的人工辅助线。辅助线太粗，传感器跟踪精度下降；如果太细，感应信号又不明显。由以上实验数据来看，我们选用宽度为4mm左右的白色人工辅助线，现实中并不要求白线任一处的宽度都精确为4mm，即达不到，也不必达到它只是条辅助线，经数学处理后并不影响最后的控制效果。而要画一条4mm左右宽度的白线并不是很难实现，只需要用一根直径大约是4mm左右的粉笔就行，正常条件下大部分人用粉笔画线时都实现4mm左右的宽度。因此，增加人工白线能改善传感器的灵敏度和精度，且操作简单可行。2.2.4 弧光影响实验 在室内正常光照条件下，不管是室内是亮还是暗，传感都能正常工作，因为传感器光敏管接受的光主要来自传感器发光二极管发出的反射光。但弧光对传感器的影响就要考虑在内了：一方面，弧光部分光谱处于光敏管接受光谱范围内，需要特殊过滤；另一方面强烈的弧光还有可能使光敏管直接处于电流饱和的工作状态，无法检测出白线偏移状况，这种情况下，更谈不上对信号进行数学方法。为了解决这个问题，我们目前采用机械遮挡的方法，用橡胶把传感器的底端围一圈，橡胶底端与工件距离不能大于1mm。这样，柔软的橡胶即使与不平的工件表面发生摩擦，也不会影响传感器的正常移动，且橡胶更换简单，成本低。实验方法：传感器高度为4mm，工件为普通碳素钢钢板，白线宽度为4mm，参照前面的实验方法和步骤，按下表2-4所示条件进行相关的实验，并将实验所得填入表中。实验详细数据见表2-4。表2-4 弧光影响实验数据由以上实验数据可知，橡胶遮挡的条件下，传感器输出信号没有出现大的或者无规律的波动，无橡胶时，则出现相反的情况。原因有两个：一是强弧光的直接干扰，且弧光的强度也是不恒定的。二是焊接点的变化（如焊接点的堆高），弧光点对光敏管的照射角度和距离是不断变化的，即使轻微的变化也会被放大，进而导致传感器的信号变化很大。以上缺陷是弧焊本身所具有的局限，因此，只能通过外加方法加以克服。实验证明，采用橡胶遮挡弧光的方法，可以有效地克服弧光对传感器的干扰。2.2.5 白线偏移实验及数据处理 通过以上的各种实验，我们能够得出传感器最佳工作状态所需要的安装高度和其它要求，除此之外，实验还需要进一步明确以下两个方面问题：一是工件不同表面状况（这里主要是常态表面和打磨表面两种表面状况）下，传感器检测白线偏移的信号输出规律（也就是考察传感器在垂直焊缝方向上检测白线偏移时，其输出的信号变化规律）；二是对于工件不同表面状况得到的信号，根据的它们呈现的规律，建立相应的信号数学处理模式。这是本章节中最重要的一部分，关系到信号的有效采集与处理。一工件表面常态下（包括工件表面有铁锈，油污的情况）时，传感器对偏移白线的数据采集。实验条件设定如下：传感器在最佳工作条件下采集数据，传感器高度为4mm且底端橡胶遮挡，白线宽度为4mm，做白线偏移实验。我们先选用表面普通的工件，把传感器安装在的传感器十字滑架上（另一个十字滑架是焊炬滑架，是用来安装焊炬的），工件水平放置，步进电机驱动滑架使传感器垂直于白线方向水平左右移动，通过水平移动传感器来模拟白线偏移。传感器水平移动距离和方向如下表2-5所示，即左右方向1mm、2mm、3mm、4mm，实验所得数据见下表2-5。表2-5 工件表面为普通时白线偏移实验结果 白线 偏差 情况 输出电压（V） 左光敏管信号 中光敏管信号 右光敏管信号偏左4mm 0.52 0.54 0.54 1.20 1.26 1.34 1.72 1.72 1.80 偏左 3mm 0.50 0.50 0.52 1.74 1.78 1.80 1.10 1.14 1.18 偏左 2mm 0.50 0.54 0.58 2.06 2.10 2.14 0.98 1.00 1.04 偏左 1mm 0.54 0.58 0.62 2.12 2.20 2.20 0.84 0.86 0.92 居中 0.54 0.58 0.64 2.24 2.30 2.38 0.76 0.82 0.84 偏右 1mm 0.60 0.64 0.66 2.08 2.14 2.14 0.72 0.78 0.78 偏右 2mm 0.68 0.72 0.74 1.60 1.64 1.68 0.66 0.68 0.72 偏右 3mm 0.78 0.82 0.86 1.22 1.24 1.28 0.64 0.68 0.68 偏右 4mm 1.10 1.14 1.18 0.88 0.90 0.92 0.62 0.66 0.68 无白 色 0.32 0.34 0.38 0.58 0.64 0.68 0.56 0.58 0.62之后，我们再选用表面铁锈较多的工件，按同的方法和步骤重复上面的实验，得实验数据如下表2-6所示。白线 偏差 情况 输出电压（V） 左光敏管信号 中光敏管信号 右光敏管信号偏左4mm 0.88 0.88 0.92 2.26 2.30 2.32 1.30 1.34 1.40 偏左 3mm 0.88 0.90 0.92 2.42 2.48 2.50 1.32 1.38 1.40 偏左 2mm 0.88 0.92 0.94 2.64 2.64 2.68 1.20 1.24 1.30 偏左 1mm 0.90 0.92 0.96 2.74 2.76 2.82 1.16 1.22 1.28 居中 0.96 0.96 0.98 2.82 2.86 2.90 1.06 1.10 1.14 偏右 1mm 0.98 1.00 1.00 2.72 2.74 2.80 1.04 1.06 1.10 偏右 2mm 0.92 1.00 1.04 2.58 2.62 2.64 0.94 1.00 1.04 偏右 3mm 1.00 1.04 1.10 2.48 2.52 2.54 0.92 0.94 0.98 偏右 4mm 1.16 1.20 1.22 2.10 2.14 2.16 0.92 0.94 0.96 无白 色 0.62 0.64 0.66 1.22 1.24 1.28 0.82 0.84 0.88 表2-6 工件表面铁锈较多时白线偏移实验结果二工件表面常态下的数据处理。理论上说，当没有白线，或白线居中时，左右两个光敏管输出信号值的大小应该是一样的，但实际上，右边光敏管的输出值总是要比左边的大，原因有两方面：一是左右两个光敏管本身不可能完全一样，输出值总有差别；二是光敏管底部接受光的孔的大小也不可能总是一样。这样综合起来导致右边光敏管输出的信号值总是要比左边的大0.1左右，但这种固有误差是传感器本身所拥有的，不是随机的，因此可以通过数学处理的方法消除。通过对以上实验数据的分析总结，我们得出以下公式表示如下： （2-1）：表示数学处理后的焊缝偏差值，前面的正负号表示焊缝的偏移方向，正代表焊缝右偏，负代表焊缝左偏；：表示传感器左边光敏管的输出信号；：表示传感器右边光敏管的输出信号；：表示传感器中间光敏管的输出信号；分子加0.1是为了抵消总是比小0.1的固有差值，之后再将差值与加权后的中间信号相除，这样就可得出焊缝偏差值的经验公式，它不是由严格的数学模式推导而成的。由表2-5和2-6可以看出，只要左右偏差大于1mm，的值总是-11，而在时，我们认为焊缝是居中的，1因此就成为焊缝有无偏差的界线。这是保证偏差的精度在1mm内的依据，为整个系统的跟踪精度提供了数学基础。第三章 硬件选择及系统整体组成3.1 MSC-51单片机系统 本实验采用的单片机是80C51型，它是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。80C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。因此，它完全可以满足我们焊缝跟踪的要求。传感器的焊缝跟踪信号是模拟信号，以进入单片机的CPU之前，需要经过AD将模拟信号转变成，经过CPU处理决策之后，将数字信号传给DA转换成模拟信号，最后执行机构根据模拟信号执行相应的动作。在上述信号转变和处理的过程中，还包括74LS573，74LS90及GAL16V8等一些辅助元件的参与。单片机系统电路原理如图3-6所示，使用的控制板是SCB-51B型。3.2 单片机的P口分配对单片机的控制，其实就是对I/O口的控制，无论单片机对外界进行何种控制，或接受外部的何种控制，都是通过I/O口进行的。51单片机总共有P0、P1、P2、P3四个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个I/O端口都能作输入输出口用，其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问.如图3-7所示，我们使用的单片机的各个P口的定义如下：PO口接ADC0809的数字量输出端。P1.0接ADC0809的EOC信号端。P1.1接传感器十字滑架左右开关（低电平有效）。P1.2接传感器十字滑架左右方向。P1.3接焊炬十字滑架左右开关（低电平有效）。P1.4接焊炬十字滑架左右方向。3.3 单片机存储空间分配单片机需要对低128字节的数据存储器RAM定义空间分配：一、工作寄存器空间：00H-0FH区。二、数据缓冲区：10H-6FH区。用于存储传感采集到的信号，和对信号进行一定的数学处理，比如前面介绍的两种情况下，白线偏移信号的处理三、用户堆栈区：70H-7FH区。用于存储各子程序。图3-1 8051 单片机系统电路原理图第四章 焊缝跟踪控制系统4.1 控制原理本系统采用的是按干扰值补偿的开环控制，这类系统的输入量是外部干扰信号（本文即为焊缝的变动），经过测量利用干扰信号产生控制作用，以补偿或抵消对系统产生的影响。其控制过程如图4-1所示。图4-1 干扰值补偿的开环控制按干扰值补偿的开环控制有以下两个特点：一是外部输入的干扰量经测量、计算、执行装置到被控对象单向传递；二是在系统的干扰信号端加入测量装置以后，可将干扰量检测出来并对其进行补偿。本系统的被控量是垂直于焊接方向上焊炬相对于焊缝的距离，干扰量是焊缝的变动量。由于传感器的检测点在焊炬的焊接点前的某一固定的距离，传感器先检测出检测点的焊缝干扰量，经过一段时间后，焊炬才到达刚才传感器的检测点，再执行相应的补偿量以补偿干扰量。4.2 数学模型 我们先假设以下几个量：R (t)：为焊缝曲线，也即为系统的输入量。Y 1(t)：为传感器跟踪曲线； S 1(t)：为传感器执行机构（传感器十字滑架）跟踪的执行量。Y1 (t)：为焊炬的调节曲线；S2 (t)：为焊炬执行机构（焊炬十字滑架）跟踪的执行量。Y1(t)、Y2 (t)均为系统的输入量，且与执行量S 1(t)、S 2(t)互为原函数与导函数的关系。我们选取焊接跟踪过程某一任意状态t时刻状态作为切入点，图中相应的表示为在X轴刻度上的t时刻，即此时传感器到达B点，相应的焊炬到达的X轴刻度上的t?时刻，即在A点，。由以上假设Y1 (t)、Y2 (t)分别是传感器、焊炬调节曲线，且是执行量S1 (t)、S2 (t)的原函数可知： （4-1）焊接点A与检测点B之间的偏移量： （4-2）由于传感器相对导轨的距离是由传感器十字滑架的执行量与焊炬执十字滑架的执行量的叠加而成的，因而有： （4-3）传感器检测点与焊缝中心的实际误差： （4-4）焊炬在A点经过t时间之后的调节量为： （4-5）综合一下：传感器的控制量 （4-6）焊炬的控制量 （4-7）将上述时域内表示的关系经过拉普拉斯变换，可得到如图4-2所示的跟系统结构简图。图4-2 焊缝跟踪控制系统结构简图如果焊缝偏差信号与控制系统的输入信号（传感器输出信号）之间能建立精确的数学模型，也就是系统输入与输出之间有精确的数学模型，那么以上系统就是一个常规的反馈控制系统。但是，我们知道焊缝偏差信号与系统输入信号之间的关系是非线性的，它们之间并没有精确的数学模型。因此，对于这种非线性，引入模糊控制其中即可实现它们之间的对应关系。4.3 控制器的设计模糊控制器具有能适应被控对象非线性和时变性的优点，而且鲁棒性较好。但是它的稳态控制精度较差，控制欠细腻，难以达到较高的控制精度，尤其在平衡点附近。同时，它也缺少积分控制作用，不宜消除系统的静差。为了弥补这些缺陷，实用中经常把基本模糊控制器跟其它控制器相结合，充分发挥它们各自的优点，以使控制效果更加完美，满足工业中各种不同要求。因此，把PID控制策略引入Fuzzy控制器，构成Fuzzy-PID复合控制，是改善模糊控制器稳态性能的一种途径。4.4 Fuzzy-PID复合控制器常规二维模糊控制器以误差和误差变化率为输入量，它具有比例-微分控制作用。比例控制可以加快系统响应速度，减小系统稳态误差，提高控制精度；微分控制可以使系统超调量减小，稳定性增加，但对于干扰同样敏感，会降低抵制干扰的能力。模糊控制器缺少积分作用，从而使它消除系统误差性能欠佳，难于达到较高的控制精度。比如，模糊控制器在平衡点附近就存在着盲区，虽然有些Mamdani设置的隶属函数分布有意避开了零点，但是即使是这样，零点左右两个相邻模糊子集的核之间，仍然有一定的“空白”区，平衡点附近依然存在着死区。二维模糊控制器有两个分量：偏差和偏差变化率，这就相当于有了PID控制器中的比例和微分两个环节，缺少积分环节。积分控制可以消除稳态误差，这正是模糊控制器所缺少的环节。只是积分控制的动态响应较慢，不过这可以用动态响应快的比例控制环节弥补。如果把比例、积分控制联合起来，组成PI控制环节，既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。为了弥补模糊控制器（简称Fuzzy控制器或F控制器）在平衡点附近出现的盲区缺陷，可以引入PI控制环节，与模糊控制器联合构成Fuzzy-PID复合控制器。它的原理如图4-3所示。 图4-3 F-PID控制器示意图理论上讲，PI控制器可以使系统的稳态误差为零，有着很好的消除稳态误差的作用。由4-5图可知，在输入信号e之后，设置一个带阈值的模态（每种控制方法称为一种模态）转换器，根据阈值与e的比较结果确定模态：当e小于阈值时，让信号传输到F控制器，以获得良好的瞬态性能；若e大于阈值时，则让信号传输到PI控制器，以获得良好的稳态性能。这种F-PI复合控制器，比单个的模糊控制器具有更高的稳态精度，消除了盲区：而比经典的PI或PID控制器具有更快的动态响应特性，使系统能更快地趋向平衡点。图4-4 系统流程图因此，本系统采用Fuzzy-PID控制，在大偏差范围内采用比例控制，在小偏差范围内则采用模糊控制，两种控制方式的切换是根据预先确定的偏差阈值来实现的。总结前人经验，本文设定的阈值为3mm，此时表面常态的的绝对值大约在10附近,表面打磨的的绝对值大约在6附近。当偏差小于3mm时，设定表面常态的绝对值小于10,或者表面打磨的绝对值小于6,此时系统则采用模糊控制；当偏差大于3mm时，设定表面常态的绝对值大于10,或者表面打磨的绝对值大于6，此时系统则采用PID控制。4.5 PID控制部分 PID（英文全称Proportional Integral Differential）控制器是在过程控制中，按误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器，是一种技术成熟、应用最广泛的模拟调节器。它对于各种线性定常数系统的控制，都能够获得满意的控制效果，尤其适用于被控对象参数固定、非线性不很严重的系统。设PID控制（调节）器的输出量为u (t)，输入量为e (t),它们间的关系是： （4-7） 上式中为比例增益，为积分增益，为微分增益，它们都是可以通过计算得出的常数。为了便于得出以上三个参数，我们对上式进行离散化处理。把下面出现的公式： (k=0,1,2,3.) （4-8） （4-9） （4-10）分别代入上面4-7式中，就可得到下式： （4-11）因此，在实验中只需要根据具体的输入量和偏差值，代入公式4-11中，得出方程，通过求解方程组既可得出三个增益常数。为了获得满意的控制效果，这三个参数需要根据系统的具体状态进行实时调节。4.6 仿真与分析 在众多的计算机仿真语言和仿真软件中，MATLAB以其模块化计算方法，可视化与智能化的人机交互功能，丰富便捷的矩阵运算、图形处理及模块化图形组态的系统辅助工具包Simulink，成为最受控制系统设计和仿真领域欢迎的软件系统。MATLAB中的Simulink,是专门用于仿真的软件包，它的名称是Simulation(模拟仿真)和Link（连接）的组合词。Simulink可以提供设计对象的建模、仿真和分析等各种动态系统，是进行交互仿真环境的优秀集成软件。单一的PID控制和模糊控制是各据有特点的：在大偏差范围内PID控制比模糊控制更能快速纠正偏差，但在小偏差时，PID控制的快速纠偏的能力没有体现，反而比模糊控制有更多的超调和振荡。所以，我们完全可以综合它们两者的优点，设定合理的阈值，这样得出的复合控制既可以比PID控制的动态响应更快，超调更小，其稳态精度要比单纯的模糊控制提高了很多。因此，设计复合器的关健是选好模态转换的阈值。F和P控制器的切换阈值太大，会过早进入模糊控制，虽然有利于减小系统的超调，却影响系统的响应速度；阈值太小，可能会出现较大的超调。通过以上相关仿真，我们可以得出以下结论：本文所设计的PID-模糊控制系统在理论上是可行的，符合我们理论设计的要求。 心 得 本实验主要在对自行设计的光电传感器改进和完善的基础上，结合模糊控制与经典控制理论，建立传感器前置条件下弧焊机器人焊缝自动跟踪系统控制模型，设计设计成本低、稳定强的弧焊机器人焊缝智能识别与跟踪系统。本实验设计得出的结论有以下几个方面：1、本文采用的是传感器前置的模型，在总结前人经验基础上，执行机构采用双十字滑架的方式，并在理论分析该模型的基础上，设计了一套Fuzzy-PID控制系统，并用仿真软件Matlab对其进行计算机仿真。仿真结果表明，该模型结构简单，成本低，Fuzzy-PID控制能够提高系统的跟踪精度和稳定性。2、由于光电传感器本身的特性，工件表面对传感器本身的干扰会有不同影响。对于常状表面状况的工件，添加人工辅助白线增强传感器的敏感度，并采用信号加权比较的数学处理方法，实验表明，这种比较算法，能够使传感器有效地检测到常状表面工件的焊接偏差情况；对于表面打磨的工件，则采用信号差值比较的处理方式，实验表明，这种算法也能够有效地检测到表面打磨工件的焊接偏差情况。结合这两种算法，可以进一步提高光电传感器的适应性。3、改装了执行机构驱动控制电路以便更加适应传感器前置的要求，实验表明，改装后的电路简单、稳定，能够满足系统的跟踪要求。参考文献1 马全权,强盛.一种高精度实时电机转速测量新方法.北京;齐齐哈尔大学学报.20022 陈伯时.传感器与测试技术天津;机械工业出版社，20033 孙桂荣，班 莹.信号处理.浙江；浙江大学出版，20054 林毓梁.单片机.北京；机械工业出版社，20125 王煜东.单片机及其应用.上海;机械工业出版社,20096 王雪文.张志勇.硬件系统选取方法，北京；北京航空航天大学出版社.20047 黄长艺，张洪亭.电工电子技术.北京；哈尔冰工程大学出版社.2006目 录第一章 总 论1第一节 项目名称及承办单位1第二节 研究工作的依据与范围2第三节 简要研究结论3第四节 主要经济技术指标5第二章 项目提出的背景及必要性7第一节 项目提出的背景7第二节 项目建设的必要性13第三章 市场预测与需求分析19第一节 车用生物燃气市场发展分析19第二节 有机肥市场分析23第四章 建设规模与产品方案29第一节 建设规模29第二节 产品方案29第五章 厂址选择与建设条件31第一节 厂址方案31第二节 建设条件32第六章 工艺技术方案40第一节 项目组成40第二节 生产技术方案40第三节 生产设备53第七章 原辅材料供应56第一节 原辅材料供应56第二节 公用设施58第八章