采用TIG焊接方法焊接薄壁結(jié)構(gòu)時，人們最關(guān)注的是焊接電源的引弧性能和電弧穩(wěn)定性。然而，由于存在著各種因素的影響，如：電弧長度、工作平面不平、氣體介質(zhì)的壓力、氣體流量的變化、焊槍相對焊縫表面距離的變化及供電網(wǎng)電壓波動等，都會使系統(tǒng)偏離平衡點(diǎn)。如果系統(tǒng)具有快速自動返回平衡點(diǎn)的能力，則電弧可維持穩(wěn)定燃燒，這里，控制系統(tǒng)是弧焊逆變電源的核心，是影響其工作穩(wěn)定性和可靠性的重要方面。
　　針對焊接過程具有非線性、時變形和不確定性，電弧穩(wěn)定控制存在一系列模糊特征。故使用應(yīng)用前景十分廣泛的模糊控制理論，再配以單片微機(jī)控制系統(tǒng)對TIG焊接的電弧電流實(shí)行穩(wěn)定控制，結(jié)果表明：具有控制精度高，電弧燃燒穩(wěn)定，對焊接參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
1 電弧電流的模糊控制系統(tǒng)組成
　　TIG焊機(jī)的模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒流外特性，即用于檢測電弧電流的霍爾傳感器實(shí)時地把電流轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓，該電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送微機(jī)，與事先給定的電流值進(jìn)行比較。CPU根據(jù)其偏差和偏差率，運(yùn)行固化在EPROM中的模糊控制程序，由D/A輸出控制信號給移相式PWM，移相控制電路不斷地調(diào)整逆變電源中兩橋臂功率開關(guān)器件IGBT移相角的大小，確定功率開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，改變輸出電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)對輸出電流的控制。

　　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。以高速單片機(jī)80C51FA作為系統(tǒng)的核心，外配81C55作擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)與鍵盤的通訊，通過鍵盤設(shè)定焊接方式、焊接功能及各種焊接參數(shù)指標(biāo)，采用DS80C320作D/A片，其輸出經(jīng)UA741放大器，放大器的功效是用來調(diào)整電壓以滿足PWM輸入(1.7～5.2V)的范圍，移相式PWM采用UC3875，用來調(diào)整IGBT的導(dǎo)通脈寬，PWM控制器內(nèi)部設(shè)有電路保護(hù)措施，為保證PWM高頻(20kHz)開關(guān)控制信號可靠地傳輸，采用高速光耦合器TLP559，其開關(guān)速度可達(dá)1MHz，這樣有利于將強(qiáng)電與弱電隔離，同時，為保證信號有足夠大的驅(qū)動能力，采用74CH4050作同相驅(qū)動器，由于霍爾元件本身已經(jīng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離，故在信號輸入時不必加隔離器，A/D片采用AD574A，具有高速轉(zhuǎn)換速度，AT24C01作E²PROM，用以記憶鍵盤輸入的各種參數(shù)，內(nèi)存由單片機(jī)和81C55的內(nèi)存協(xié)調(diào)解決，LCD液晶顯示器采用菜單和圖形兩種方式，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和焊接順序、指標(biāo)參數(shù)等，用ACM－24064A芯片來完成，采用32K的EPROM27C256和IMP815L作μp電源監(jiān)視及運(yùn)行管理，動作開關(guān)服務(wù)于起弧和收弧。
2 模糊控制器設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)采用典型的兩輸入單輸出的模糊控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由三部分組成：精確量的模糊化；模糊推理規(guī)則的構(gòu)成；輸出信息的模糊決策。

2.1 語言變量的確定
2.1.1 模糊控制器的輸入輸出定義
　　模糊控制器輸入定義為：e＝I_g－I_f,ec＝(e(n)－e(n－1))/T；式中e為電弧電流的偏差；ec為其偏差的變化率；I_g為電弧電流給定值；I_f為電弧電流采樣值；e(n)為nT時刻誤差；e(n－1)為(n－1)T時刻誤差；T為采樣周期。
　　模糊控制器的輸出定義為：調(diào)節(jié)移相式PWM的脈沖寬度所對應(yīng)的電壓校正量Δu。
　　有了上述的定義，則輸入語言變量定為E和EC，輸出語言變量為U。
2.1.2 量化因子K_e、K_ec和比例因子K_u的選擇
　　根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，語言變量E、EC和U的基本論域選擇為：
　　e＝[－3,3],ec＝[－3,3],Δu＝[－1.5,1.5]
　　三個語言變量E、EC和U的論域均設(shè)為[－6，6]，由此可得到對應(yīng)的量化因子和比例因子：
　　K_e＝6/3＝2,K_ec＝6/3＝2,K_u＝6/1.5＝4
　　量化因子和比例因子大小的確定，取決于基本論域的選擇，它決定了最終控制的效果，如：超調(diào)量、響應(yīng)時間、穩(wěn)定性等，故基本論域一般事先初步地選取，在實(shí)際調(diào)試過程中需不斷修正，最終確定一個較滿意的結(jié)果。
2.1.3 語言變量的隸屬函數(shù)
　　三個語言變量分別對應(yīng)三個模糊集、和。鑒于計(jì)算上的方便，把、和劃分為7個模糊子集，它們分別是NL、NM、NS、O、PS、PM、PL，每個模糊子集的論域?yàn)閇－6，6]，語言變量的隸屬函數(shù)形狀對控制性能影響不大，故取三角形的分布函數(shù)，則E、EC和U從屬于每個模糊子集的隸屬函數(shù)如表1和表2所示。

2.2 模糊推理
　　模糊控制器依據(jù)的模糊推理規(guī)則是模糊控制器的核心，模糊推理規(guī)則主要以人的控制經(jīng)驗(yàn)和控制思想為依據(jù)，本系統(tǒng)采用的電流推理規(guī)則為：當(dāng)誤差為正大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當(dāng)誤差較小時，以系統(tǒng)穩(wěn)定為主要出發(fā)點(diǎn)，選擇控制量盡量防止超調(diào)；反之亦然，根據(jù)這一推理規(guī)則，便可獲得相應(yīng)的控制策略，即對于每一對輸入量和就可得到一個相應(yīng)的輸出量，見表3。

2.3 模糊判決
　　從上述模糊推理規(guī)則的輸出可以看出，仍是一個模糊量，必須將該模糊量經(jīng)過模糊判決轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的精確控制量U。模糊判決的方法有很多，這里采用重心法解模糊量為精確量，其計(jì)算公式如下：
　　
　　應(yīng)用模糊推理的合成算法可以算出最終的控制作用表，見表4所列，這樣，在模糊控制過程中，由一組實(shí)際的輸入量e和ec，經(jīng)過量化后，便可得出一個控制量，因此本系統(tǒng)根據(jù)13個E和13個EC相應(yīng)得到一個13*13的控制表。

?

2.4 離線控制表
　　由于總控制表的計(jì)算工作量較大，且計(jì)算時間較長，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，先將上述控制表采用離線計(jì)算形式，即轉(zhuǎn)換為表5，八位數(shù)字量的最高位設(shè)為符號位，把離線表先寫入微機(jī)的存儲器中，在實(shí)時控制中，只需通過查表的形式，便可獲得實(shí)時的控制量。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可分四個部分：焊前準(zhǔn)備，引弧控制、焊接階段控制、收弧控制，焊接階段控制主要是模糊控制，其程序流程見圖3，為了加快控制過程，縮短過渡時間，在程序中分兩個環(huán)節(jié)進(jìn)行，當(dāng)電流偏差大于A門限值時，系統(tǒng)進(jìn)入加速控制過程，讓信號迅速逼近給定值；當(dāng)偏差小于等于A門限值時，系統(tǒng)進(jìn)入模糊控制環(huán)節(jié)，根據(jù)偏差和偏差變化率，量化后查詢模糊離線總控制表，取出控制量的增量，然后進(jìn)行控制，A的大小由經(jīng)驗(yàn)得出。