本發(fā)明涉及熱壓焊電源焊接過程中焊頭溫度控制，具體涉及一種基于模糊自抗擾的熱壓焊電源溫度控制方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，熱壓焊由于具有加熱時間短、熱影響區(qū)較小、可實現(xiàn)多點同時焊接和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于fpc(柔性電路板)to?pcb、hsc(斑馬紙)to?fpc、hsc?tolcd、tab?to?pcb等產(chǎn)品的連接。熱壓焊焊接過程中溫度控制精度直接影響著焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。溫度過高會導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能、蠕變強(qiáng)度及韌性下降；溫度過低則會導(dǎo)致虛焊，焊接接頭強(qiáng)度不足等問題。為了保障產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和一致性，對焊接過程中溫度的精確控制具有十分重要的作用。目前工業(yè)控制上多采用pid算法，其具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、工作可靠等優(yōu)點，對于簡單的線性系統(tǒng)控制更為適用。

2、熱壓焊溫度控制環(huán)路混合了時滯和非線性環(huán)節(jié)，采用pid算法控制，具備一定的溫度控制效果，但難以實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的控制，并且在系統(tǒng)中存在較大干擾和延遲時，單一的pid算法無法滿足系統(tǒng)的控制需求，會導(dǎo)致控制溫度存在較大的波動，不利于焊接接頭成形。一種基于模糊自適應(yīng)pid控制的高精度恒溫控制器及方法(cn201510456159.9)是目前工業(yè)上的模糊pid溫度控制算法，通過模糊原理自動調(diào)整pid參數(shù)，能夠提升溫度控制精度。但當(dāng)輸入系統(tǒng)存在較大擾動時，其對pid參數(shù)調(diào)整有限，不能快速準(zhǔn)確的消除干擾帶來的誤差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明目的是：基于背景技術(shù)中所提出的溫度控制中使用模糊pid控制算法控制響應(yīng)速度和精度不高，并且難以應(yīng)對過程中大量非線性和擾動的問題。本發(fā)明提出了一種基于模糊自抗擾的熱壓焊電源溫度控制方法，結(jié)合模糊控制算法和自抗擾控制算法，避免了控制器對系統(tǒng)模型的依賴，具有良好的控制效果和魯棒性，控制器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易整定，便于實現(xiàn)。在實際的控制過程中利用擴(kuò)張觀測器對系統(tǒng)中的非線性、系統(tǒng)擾動和未建模部分組成總擾動進(jìn)行估計，并設(shè)計控制律對系統(tǒng)總擾動進(jìn)行消除。模糊控制器用于對控制律進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提升控制性能和抗干擾能力。

2、本發(fā)明至少通過如下技術(shù)之一實現(xiàn)。

3、一種基于模糊自抗擾的熱壓焊電源溫度控制方法，包括以下步驟：

4、步驟a、持續(xù)對熱壓焊焊頭施加恒定熱量輸入后，停止熱量輸入，測量其升溫和降溫曲線，將獲取的數(shù)據(jù)送入matlab系統(tǒng)辨識工具進(jìn)行系統(tǒng)辨識得到溫度傳感器的數(shù)學(xué)模型；

5、步驟b、根據(jù)所得到溫度傳感器數(shù)學(xué)模型，設(shè)計擴(kuò)展卡爾曼濾波器，用以消除溫度傳感器溫度測量的時滯效果和測量噪聲，對測量溫度進(jìn)行補(bǔ)償；

6、步驟c、將經(jīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器得到的最優(yōu)估計溫度和控制律輸出的控制量送入模糊自抗擾控制器的擴(kuò)張觀測器中，用于對系統(tǒng)狀態(tài)量和系統(tǒng)總擾動估計；

7、步驟d、將擴(kuò)張觀測器估計的溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，得到當(dāng)前溫度控制系統(tǒng)的誤差信號和誤差變化率；

8、步驟e、將誤差信號和誤差變化率送入模糊控制器進(jìn)行運算，得到控制律參數(shù)調(diào)整的增量，同時將誤差信號和擴(kuò)張觀測器估計的系統(tǒng)狀態(tài)量送入控制律中對控制量進(jìn)行運算；

9、步驟f、將擴(kuò)張觀測器估計的系統(tǒng)總擾動代入控制量，消除系統(tǒng)總擾動，從而得到系統(tǒng)控制量，系統(tǒng)控制量控制熱壓焊電源功率模塊熱量輸出，從而使得熱壓焊焊頭溫度保持在目標(biāo)范圍內(nèi)。

10、進(jìn)一步地，模糊自抗擾控制器的擴(kuò)張觀測器為三階線性擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器，其狀態(tài)方程為：

11、

12、式中，t為時間；y(t)為擴(kuò)展卡爾曼濾波器輸出的最優(yōu)估計溫度；z1(t)為對y(t)的估計，z2(t)為對y(t)微分的估計，z3(t)為對系統(tǒng)總擾動的估計；和分別為z1(t)，z2(t)和z3(t)的微分；e(t)為對y(t)觀測誤差；β1，β2和β3分別為各狀態(tài)方程的誤差增益參數(shù)，l＝[β1β2β3]t組成觀測器增益向量；u(t)為系統(tǒng)最終控制量輸出；b為系統(tǒng)控制量系數(shù)；

13、所述觀測器增益向量通過配置觀測器極點確定，具體為通過配置觀測器極點為s＝-ω0，β1＝3ω0,β3＝ω03，其中ω0表示系統(tǒng)帶寬。

14、進(jìn)一步地，所述擴(kuò)展卡爾曼濾波器的系統(tǒng)方程為：

15、

16、式中，y(k)為輸出向量；w(k)和v(k)假設(shè)為互不相關(guān)的高斯白噪聲，是過程噪聲和測量噪聲；a為狀態(tài)矩陣；c為常數(shù)輸出矩陣；x(k)為狀態(tài)向量；k為系統(tǒng)第k個采樣時刻；

17、擴(kuò)展卡爾曼濾波器的系統(tǒng)矩陣a、狀態(tài)向量x(k)和輸出向量q以及協(xié)方差矩陣r如下：

18、

19、x(k)＝[tm(k)ta(k)]t,y(k)＝tm(k)

20、q＝cov(w)＝e{wwt}

21、r＝cov(v)＝e{vvt}

22、式中，b＝1-a，τ為熱電偶傳感器的時間常數(shù)，τ0為采樣時間；c為常數(shù)輸出矩陣；tm為溫度傳感器測得的溫度；ta為焊接構(gòu)造溫度；y(k)為擴(kuò)展卡爾曼濾波器輸出向量；k為系統(tǒng)第k個采樣時刻；w和v為互不相關(guān)的高斯白噪聲，是過程噪聲和測量噪聲。

23、進(jìn)一步地，所述模糊控制器的輸入為誤差信號e1和誤差變化率e2，輸出為控制律比例系數(shù)增量δkp和微分系數(shù)增量δkd；

24、所述模糊控制器的模糊推理規(guī)則根據(jù)誤差信號e1和誤差變化率e2的大小調(diào)整控制律比例系數(shù)δkp和微分系數(shù)δkd。

25、進(jìn)一步地，所述模糊控制器的調(diào)整控制律比例系數(shù)δkp和微分系數(shù)δkd的規(guī)則為：當(dāng)誤差信號e1較小時，增加δkp以提高系統(tǒng)的抗干擾性能；當(dāng)誤差信號e1較大時，增加δkd以提高系統(tǒng)響應(yīng)；當(dāng)誤差變化率e2過大且差分飽和引起過調(diào)時，應(yīng)降低δkd；根據(jù)輸入誤差信號e1和誤差變化率e2，采用δkp和δkd來加速系統(tǒng)的響應(yīng)。

26、進(jìn)一步地，所述模糊控制器的隸屬度函數(shù)為高斯型隸屬度函數(shù)。

27、進(jìn)一步地，所述模糊控制器的輸入和輸出論域的劃分規(guī)則為：規(guī)定誤差信號和誤差變化率大于20℃過大，小于20℃為過小，將輸入模糊論域設(shè)定為[-20,20]，輸出模糊論域設(shè)定為[-10,10]。

28、進(jìn)一步地，所述控制律采用線性pd控制實現(xiàn)，即：

29、u0＝kp1(r-z1)-kd1z2

30、其中，u0為控制律初步計算結(jié)果；r為目標(biāo)溫度；z1為對擴(kuò)展卡爾曼濾波器輸出y的估計，z2(t)為對y的微分的估計；kp1為比例系數(shù)；kd1為微分系數(shù)；kp1和kd1的初始值由帶寬法確定，kd1＝2ξωc,kp1＝ωc2其中ξ為阻尼比，ωc為自然諧振頻率。

31、進(jìn)一步地，所述控制律系數(shù)經(jīng)模糊控制器輸出調(diào)整后描述為：

32、

33、其中：kp為調(diào)整后比例系數(shù)；kd為調(diào)整后微分系數(shù)；kp1為初始比例系數(shù)；kd1為初始微分系數(shù)；δkp為比例系數(shù)調(diào)整量；δkd為微分系數(shù)調(diào)整量。

34、進(jìn)一步地，系統(tǒng)擾動消除通過擴(kuò)張觀測器估計的系統(tǒng)總擾動與控制律計算輸出u0比較得到系統(tǒng)控制量u最終輸出:

35、

36、其中，b0為對控制量系數(shù)b的估計；

37、控制律最終輸出u在線調(diào)整后描述為：

38、

39、其中，kp為調(diào)整后比例系數(shù)；kd為調(diào)整后微分系數(shù)；e1為誤差信號；z2為擴(kuò)張觀測器對擴(kuò)展卡爾曼濾波器輸出y的微分的估計；z3為擴(kuò)張觀測器對系統(tǒng)總擾動的估計；b0為對系統(tǒng)控制量系數(shù)的估計。

40、實現(xiàn)所述一種基于模糊自抗擾的熱壓焊電源溫度控制方法的系統(tǒng)包括，包括模糊自抗擾控制器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器、溫度傳感器和功率模塊；

41、所述功率模塊在系統(tǒng)控制量的作用下，為熱壓焊電源提供能量輸出。

42、所述溫度傳感器實時測量熱壓焊電源的溫度輸出，用作閉環(huán)控制的反饋數(shù)據(jù)。

43、所述擴(kuò)展卡爾曼濾波器用于消除溫度傳感器采樣溫度的噪聲和時間滯后，使最優(yōu)估計溫度盡可能接近實際溫度。

44、所述模糊自抗擾控制器包括：

45、擴(kuò)張觀測器：對系統(tǒng)狀態(tài)量和系統(tǒng)總擾動進(jìn)行估計，提升熱壓焊電源系統(tǒng)抗干擾能力。

46、模糊控制器：根據(jù)溫度誤差信號和誤差變化率，在線調(diào)節(jié)控制律系數(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)了熱壓焊電源系統(tǒng)的擾動適應(yīng)能力。

47、控制律模塊：使用在線調(diào)整后的兩個參數(shù)帶入線性pd公式計算輸出的控制量。

48、與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

49、本發(fā)明將模糊控制和自抗擾控制相結(jié)合，在系統(tǒng)存在擾動時，使用擴(kuò)張觀測器對系統(tǒng)總擾動進(jìn)行估計和消除；在溫度控制的各個階段，使用模糊控制器對控制律系數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)以提高熱壓焊電源的溫度響應(yīng)速度和控制精度。

50、應(yīng)用本發(fā)明的模糊自抗擾控制方法，采集熱壓焊電源的實時溫度輸出，傳輸?shù)綌U(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行處理，經(jīng)過擴(kuò)張觀測器、模糊控制器和控制律模塊的運算得到系統(tǒng)最終控制量輸出，作用于功率輸出模塊，從而實現(xiàn)精度高、速度快和抗干擾性能強(qiáng)的控制效果，大大提高了熱壓焊電源的焊接穩(wěn)定性和一致性。