張偉超 楊立軍 呂小青

(天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

(2010年7月22日收到;2010年9月2日收到修改稿)

基于近似熵測度的鋁合金P-M IG焊亞射流過渡自適應(yīng)控制研究*

張偉超 楊立軍?呂小青?

(天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

(2010年7月22日收到;2010年9月2日收到修改稿)

鋁合金熔化極惰性氣體保護(hù)焊(M IG)的亞射流過渡方式具有弧長調(diào)節(jié)作用強、焊縫成形美觀的優(yōu)點.本文從非線性動力學(xué)近似熵測度的角度對鋁合金脈沖MIG焊的電弧電壓信號進(jìn)行分析，進(jìn)而評價自適應(yīng)控制模式針對亞射流過渡方式的適用性;討論在自適應(yīng)控制模式下，改變工藝參數(shù)和熔滴過渡方式時，近似熵值的變化;并對比自適應(yīng)控制與普通脈沖控制在射滴過渡方式下的近似熵值大小.結(jié)果表明近似熵越小，自適應(yīng)控制越成功，控制越有效.

自適應(yīng)控制，亞射流過渡，熔化極惰性氣體保護(hù)焊(M IG)，近似熵

PACS:06.60.Vz，05.45.－ a，02.50.－ r，05.10.－a

1.引 言

鋁及鋁合金具有優(yōu)良特性，在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用［1］.由于鋁合金的特殊的理化性質(zhì)且為提高生產(chǎn)效率，目前大多采用反極性熔化極惰性氣體保護(hù)焊(M IG)，其中亞射流過渡方式的飛濺小、陰極清理區(qū)寬、焊縫光亮，特別適合中薄板高效美觀的焊接.但是，亞射流過渡的區(qū)間很窄，弧長短.若控制弧長短，則弧長稍有波動，就很容易進(jìn)入短路過渡區(qū);若控制弧長大一些，則很容易進(jìn)入射滴過渡區(qū).對弧長的控制主要是通過檢測弧壓進(jìn)行的，而亞射流過渡區(qū)弧長變化引起的弧壓變化較小，變化區(qū)間很窄，并且電流越小，弧壓變化的區(qū)間越窄［2］，所以一般控制模式實現(xiàn)亞射流過渡方式有較大難度，而本文所述的自適應(yīng)控制可以克服上述缺點.

焊接過程是一個帶有各種干擾的復(fù)雜多變的物理化學(xué)過程，過程的分析有很大困難.焊接電弧系統(tǒng)受非完全可控的熔滴過渡的影響，具有非線性和時變特征，其中各種參數(shù)互相影響，都不是獨立的，一個變化，其他參數(shù)隨之變化，且這個參數(shù)的變化也由與之相互作用的其他參數(shù)決定.焊接過程的研究大多數(shù)情況下都是觀測電弧系統(tǒng)中隨時間變化的電參量來分析電弧系統(tǒng)電信號特性.許多學(xué)者都在這方面做了研究:華南理工大學(xué)的易志平和薛家祥［3］研制了弧焊過程電信號分析系統(tǒng)，通過對電信號進(jìn)行概率統(tǒng)計分析評價焊接過程電弧及熔滴過渡的穩(wěn)定性并監(jiān)測弧焊電源的工作過程;華中科技大學(xué)的吳豐順等［4］基于對埋弧焊過程電信號進(jìn)行的頻譜分析和概率密度分析開發(fā)了焊接過程參數(shù)的監(jiān)測分析系統(tǒng)，從而評定工藝參數(shù)的合理性;太原理工大學(xué)王勇等［5］利用漢諾威弧焊分析儀對CO2氣保護(hù)藥芯焊絲的焊接電參數(shù)進(jìn)行測試，分析焊接材料的工藝性能;文獻(xiàn)［6］利用焊接質(zhì)量分析儀采集GMAW焊接過程中瞬時電流和電壓值，給出電參數(shù)波形特征，可以定性判斷熔滴過渡模式，從而實現(xiàn)在線監(jiān)測并控制金屬熔滴的過渡模式.可是以上分析系統(tǒng)狀態(tài)的方法是不全面的，其提取的特征信息多依賴人的經(jīng)驗和過分強調(diào)狀態(tài)的獨立性，丟失了信號的時變信息，忽略了參數(shù)在時間先后上的聯(lián)系因素，例如電弧空間具有的熱慣性.因此，其時間序列中各個時刻的數(shù)據(jù)采集值體現(xiàn)為一定的依存關(guān)系.非線性動力學(xué)系統(tǒng)中Takens定理認(rèn)為:一個系統(tǒng)的演化信息隱含在任一狀態(tài)分量的發(fā)展過程中，即該變量的時間序列本身蘊涵了參與此動力系統(tǒng)全部變量的有關(guān)信息，可以描述整個系統(tǒng)深層次的動態(tài)規(guī)律.20世紀(jì)90年代初，Pincus為衡量非線性時間序列復(fù)雜性提出了近似熵(Approximate Entropy)概念，此后，近似熵在生物電信號［7］、氣候監(jiān)測［8］、隨機共振研究［9］、電弧焊電信號［10］等領(lǐng)域進(jìn)行了嘗試并獲得了良好效果.本文擬以近似熵數(shù)學(xué)方法為基礎(chǔ)，分析復(fù)雜的鋁脈沖M IG焊亞射流過渡自適應(yīng)控制過程.

2.自適應(yīng)控制方案

2.1.控制策略

脈沖電流自適應(yīng)控制模式如圖1所示.虛線代表鋁MIG焊的等熔化曲線，相應(yīng)AB和ED線之間的區(qū)域在亞射流過渡區(qū)內(nèi);MN線代表鋁MIG焊電弧靜特性曲線，AE和CD線代表電源兩條恒流特性曲線，AE線電流很小，很難形成熔滴過渡，CD線電流較大，足以產(chǎn)生射滴過渡［11］.首先假設(shè)電弧在AE線上燃燒，電壓逐漸減小，當(dāng)電弧電壓小于或等于A點電壓時，電流跳至B點沿BC線增加，到CD線電弧電流穩(wěn)定燃燒;電弧在CD線上穩(wěn)定燃燒，電壓逐漸增加，當(dāng)電弧電壓大于或等于CD線上D點的電壓值時，電流跳至AE線燃燒，進(jìn)入下一個循環(huán)［12］.可見，焊接過程被控制在ABCDE曲線包圍的區(qū)域內(nèi).

圖1 鋁P-MIG焊亞射流電弧的控制

2.2.控制電路系統(tǒng)組成

亞射流電弧控制電路系統(tǒng)由逆變電源系統(tǒng)和亞射流電弧自適應(yīng)控制電路組成，如圖2所示.虛線框內(nèi)為逆變電源基本電路，主要由主電路、PWM電路和反饋控制電路組成;自適應(yīng)控制電路主要由電弧電壓狀態(tài)判斷及輸出電路、脈沖電流控制電路、基值電流控制電路、短路電流控制電路構(gòu)成.如圖3所示，從上至下的虛線框依次是脈沖電流、短路電流、基值電流控制電路.

圖2 亞射流過渡電弧控制電路系統(tǒng)

自適應(yīng)控制電路原理:根據(jù)焊接回路側(cè)取得電弧電壓信號，由以U33為主的施密特觸發(fā)電路來判斷焊接電弧的工作狀態(tài)，不同的電弧電壓情況下，2點的電位不同，由此決定了圖1中D與A點電位.當(dāng)電弧電壓較低時，U33輸出高電平，邏輯開關(guān)U26:C閉合，此時3點電位作為電源電流控制信號決定CD線電流的大小;當(dāng)電弧電壓較高時，U33反轉(zhuǎn)輸出低電平，邏輯開關(guān) U26:C截止，U32反轉(zhuǎn)輸出高電平，U26:A閉合，此時4點電位作為電源電流控制信號決定AE線電流的大小.

3.近似熵(ApEn)定義及計算方法

近似熵反映了系統(tǒng)運動的復(fù)雜性和無序程度.基于一維序列進(jìn)行多維相空間的重構(gòu)，ApEn描述了維數(shù)由m增加至m+1時產(chǎn)生新模式的概率，即表示前一數(shù)據(jù)對后一數(shù)據(jù)的可預(yù)測性，以定量描述時間序列的可重復(fù)性.ApEn值越大，表明時間序列越具有隨機性或不規(guī)則性，其非周期性越強，復(fù)雜度越高;ApEn值越小，表明數(shù)據(jù)周期性越強，確定度越大，復(fù)雜度越小［13］.

1)相空間重構(gòu)

設(shè)信號采樣所得的數(shù)據(jù)長度為N的一維時間序列嵌入m維空間，獲得一組由N個狀態(tài)點構(gòu)成的相空間，形成一系列的運動軌跡

圖3 自適應(yīng)控制電路

2)定義任意兩個向量 X(i)和 X(j)，它們之間的距離

其中 Nm(i)為對于給定的 X(i)，滿足 d［X(i)，X(j)］≤r的 j(j=1—N －m+1)個數(shù)，對于 i=1—N－m+1，其中r可視為濾波閾值.因此反映的是r閾值條件下向量之間相近似的規(guī)則度或者概率.

4)定義

5)m增加1，重復(fù)1)—4)的過程，求得Φm+1(r).

Pincus等通過實踐認(rèn)為 N在75—5 000，m=1或2，r為0.1—0.2SD(SD為原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差standard deviation)時能取得較好結(jié)果.故本文取m=2，r=0.15SD.

4.工藝實驗數(shù)據(jù)分析

鋁合金P-MIG焊自適應(yīng)控制不同過渡方式下工藝實驗參數(shù)見表1(其中 Ar保護(hù)氣流量為15 L/m in，干伸長為 16—20 mm，焊絲為 A lMg2/φ1.6，送絲速度為 vf，基值電流為 IAE，峰值電流為ICD，電壓下限為 UA，電壓上限為 UD)

每5000個采集信號計算一個ApEn值，每種熔滴過渡方式計算9個近似熵值，取其平均值.序號為1和2的實驗選取工藝參數(shù)處于射滴過渡區(qū)域內(nèi)，脈沖焊接參數(shù)比較穩(wěn)定，自適應(yīng)控制作用不明顯，且實際基值電流較大，有普通脈沖焊的特點，見圖4(a)—(d)，其ApEn值比較大，如圖5所示.序號為3和4的實驗降低電壓下限設(shè)定值，見圖4(e)—(h)，從脈沖寬度、脈沖頻率的時刻變化可以看出自適應(yīng)控制作用特點顯現(xiàn)，同時其ApEn值較小，見圖5.從序號為4的實驗電壓瞬時波形圖相平面圖可以看出，存在瞬時短路的趨勢，開始有亞射流過渡的特征.

表1 鋁P-MIG焊自適應(yīng)控制工藝參數(shù)

圖4 不同條件下的時基波形圖 (a)，(b)為序號1射滴過渡電流和電壓;(c)，(d)為序號2射滴過渡電流和電壓;(e)，(f)為序號3射滴過渡電流和電壓;(g)，(h)為序號4射滴過渡電流和電壓;(i)，(j)為序號5亞射流過渡電流和電壓;(k)，(l)為序號8短路過渡電流和電壓;(m)，(n)為普通脈沖射滴過渡電流和電壓

序號為5的實驗在序號4實驗基礎(chǔ)上降低電壓上限設(shè)定值，熔滴過渡完全處于亞射流過渡區(qū)域，此時ApEn值最小，如圖6所示.由于電弧電壓范圍控制得比較嚴(yán)格，電弧頻繁在 A，D之間跳轉(zhuǎn)，脈沖頻率也隨之自適應(yīng)變化，此時體現(xiàn)了控制的干預(yù)作用最強，說明自適應(yīng)控制在亞射流過渡時發(fā)揮了極大的作用，體現(xiàn)了自適應(yīng)控制的高效率.序號為6的實驗增大送絲速度時，ApEn值變大，說明存在一組匹配合適的工藝規(guī)范，使得亞射流過渡時 ApEn值最小.

序號為7，8的實驗進(jìn)一步降低電壓上限設(shè)定值，短路時間變長，焊接電流有明顯的上升，熔滴過渡轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪愤^渡，從電參數(shù)瞬時波形圖可以看出自適應(yīng)控制作用有所減弱，ApEn值又進(jìn)一步變大，如圖7所示.文獻(xiàn)［2］和［11］分析了亞射流過渡過程均發(fā)生在脈沖電流期間，熔滴過渡比較有規(guī)律.文獻(xiàn)［11］通過高速攝像觀察熔滴過渡，發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)控制情況下，射滴過渡時容易出現(xiàn)大滴過渡，熔滴過渡既可發(fā)生在脈沖電流期間，也可發(fā)生在脈沖電流下降時，并無特別規(guī)律，造成焊接過程的不穩(wěn)定，并且ApEn值都比較高.普通的脈沖MIG鋁合金焊接，即脈沖頻率固定，在不同的恒定脈沖頻率與不同的占空比條件下得到射滴過渡方式，典型參數(shù)波形見圖4(m)，(n)，ApEn值變化情況見圖8.

圖5 自適應(yīng)控制射滴過渡ApEn值

圖6 自適應(yīng)控制亞射滴過渡ApEn值

圖7 自適應(yīng)控制短路過渡ApEn值

圖8 普通脈沖焊射滴過渡ApEn值

圖9 不同控制方式的各種典型過渡方式下ApEn值比較

圖9比較了不同控制方式時各種典型過渡方式下電壓信號的ApEn值，其差異意味著自適應(yīng)控制下，處于不同過渡方式時，各電弧系統(tǒng)的復(fù)雜度各異.亞射流過渡時最小的ApEn值反映出這時電弧系統(tǒng)動力學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度最低，規(guī)律性最好，這與此時熔滴過渡控制準(zhǔn)確有很好的對應(yīng);射滴過渡時的較大ApEn值反映出電弧系統(tǒng)的預(yù)測性較差，也和當(dāng)時熔滴過渡時刻的不確定性相對應(yīng);而短路過渡時，公認(rèn)影響電弧系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素比較多，從而造成系統(tǒng)要素可預(yù)測性差，對應(yīng)了較大的ApEn值.

圖9中還可以看出，普通脈沖M IG焊時，存在一組合適的工藝參數(shù)，使其ApEn值較小，且熔滴過渡可以比較有規(guī)律;而自適應(yīng)控制時，射滴過渡方式下改變工藝參數(shù)無法獲得較小的ApEn值.這說明自適應(yīng)控制用于亞射流過渡時比較成功，用于射滴過渡時不太理想，而普通脈沖焊較適合射滴過渡控制.文獻(xiàn)［14］采用鋁合金脈沖MIG焊電弧電壓信號的ApEn值來衡量焊接過程的穩(wěn)定性，得出平均近似熵值大，焊接過程不穩(wěn)定，平均近似熵值小，焊接過程穩(wěn)定.

自適應(yīng)控制下，逐步改變工藝參數(shù)，使熔滴過渡方式由射滴過渡變?yōu)閬喩淞鬟^渡，接著轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪愤^渡，ApEn值先減小然后增大，隨著這個變化過程，自適應(yīng)控制作用也先逐步增強然后減弱.這是由于自適應(yīng)控制自動改變了脈沖頻率，進(jìn)而改變了電弧的行為，電弧系統(tǒng)的運動狀態(tài)也發(fā)生了極大地變化.可以認(rèn)為由于控制外輸入負(fù)熵造成了 ApEn值降低，也可以看出自適應(yīng)控制介入的作用增強，電弧系統(tǒng)狀態(tài)參量的確定性增大，模式變化的概率變小.如圖9所示，可以估計在0.6307—0.6667之間存在一個臨界值，低于此數(shù)值時，自適應(yīng)控制下的熔滴過渡為亞射流過渡.

5.結(jié) 論

在本文所述自適應(yīng)控制實驗條件下，逐漸改變工藝參數(shù)，獲得不同熔滴過渡方式，對自適應(yīng)控制過程進(jìn)行近似熵測度的分析表明:

1)由自適應(yīng)控制電壓信號的 ApEn值，可以看出亞射流過渡方式和其他過渡方式比較，ApEn值有較大的差異，近似熵測度方法可以對亞射流過渡自適應(yīng)控制進(jìn)行較好地分析.

2)自適應(yīng)控制下不同過渡方式ApEn值的變化體現(xiàn)了自適應(yīng)控制對焊接過程的干預(yù)程度.亞射流過渡方式的ApEn值處于極小值，說明自適應(yīng)控制特別適用于亞射流過渡方式，解決了亞射流過渡參數(shù)范圍窄、控制難的問題.

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PACS:06.60.Vz，05.45.－ a，02.50.－ r，05.10.－a

Approximate entropy based meso-spray transfer analysis of Al-alloy pulsed metal inert-gas welding under self-adapting control*

Zhang Wei-Chao Yang Li-Jun?Lü Xiao-Qing?
(School of Material Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
(Received 22 July 2010;revised manuscript received 2 September 2010)

The meso-spray transfer of Al-alloysmetal inert-gas(MIG)welding has the advantages ofwell-adjusting of the length of arc and beautiful appearance of weld due to the characters of droplet transfer.In this study，the self-adapting control which is brought to meet the arc ofmeso-spray transfer is accessed by analyzing the approximate entropy(ApEn)of the arc voltage on the aspect of non-linear dynamics.Under self-adapting control，the change of ApEn value with the varing metal transfermode is discussed，which is due to the change of the parameter of process.Under spray transfer，two kinds of ApEn values of the self-adapting control and common pulsed control are compared，and we find that the self-adapting control is fit formeso-spray transfer.The results show that the smaller the value of approximate entropy is，the better the effect of the self-adapting control is.

self-adapting control，meso-spray transfer，metal inert-gas welding，approximate entropy

*天津市科技支撐計劃重點項目(批準(zhǔn)號:10ZCKFSF00200)和天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計劃(批準(zhǔn)號:09JCYBJC05000)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:tdyljabc@163.com

?通訊聯(lián)系人.E-mail:xiaoqinglv77@163.com

*Project supported by the Science and Technology Pillar Program of Tianjin，China(Grant No.10ZCKFSF00200)and the Application of Basic and Frontier Technology Program of Tianjin，China(Grant No.09JCYBJC05000).

?Corresponding author.E-mail:tdyljabc@163.com

?Corresponding author.E-mail:xiaoqinglv77@163.com