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标题	螺旋焊缝超声检测的双模分段控制算法研究
范文	顾娜等 摘要摘 要：介绍了超声波螺旋焊缝自动检测轨迹跟踪系统。针对焊缝的非线性及不确定性，采用自调整因子模糊算法进行控制，同时结合参数自整定PID及比例控制器，形成一种新型分段式模糊控制算法。仿真结果表明，该系统具有响应速度快、超调量小、无静差等优点，提高了轨迹跟踪的实时性及精确性。 关键词关键词：焊缝跟踪；自调整因子；自整定PID；双模分段控制 DOIDOI：10.11907/rjdk.151485 中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）009005803 0 引言 管道运输在石油天然气等领域发挥着巨大的作用。大口径运输管线主要采用螺旋焊管建造，如西气东输管线、陕京管线等。石油天然气工业中，采用GB/T9711 标准对钢管出厂前作全焊缝超声波自动探伤。 发达国家对钢管的无损检测开展较早，设备研制、使用较为成熟，如GE通用电气等。国内企业对钢管焊缝的检测大部分还停留在手动或半自动阶段，很多企业只能采用抽查方式。因此，对自动化钢管焊缝无损检测设备的研制具有极其重大的意义。 1 螺旋焊缝跟踪系统 自动跟踪的灵敏度和精度，直接影响着自动探伤的准确性[ 1 ]。探头自动跟踪方式经历了凸轮、接近开关、摄像机、涡流探头等几个阶段[ 2 ]。随着信息处理技术的提高，利用激光精确扫描、CCD成像技术在线建立特征模型、采用图像处理算子进行模型匹配[ 3 ]等方法，计算出焊缝偏差、宽度、错边等参数，通过执行机构带动滑板和探头架回到正确位置。以西气东输管壁为17.5mm的管线检测为例，共分布3组探头，距离焊缝近边角0.67/1.17倍跨距垂直分布，与焊缝中心距离1.5倍跨距呈45°分布。考虑到埋弧焊缝通常在9～20mm并有一定余高，报警闸门距远边角仅0.25倍焊缝宽度，边角反射回波宽度通常在1mm左右，为避免误报警，要求探头组的位置变化在2mm以内。 螺旋焊管生产是一个非常复杂的过程，影响焊接的因素具有不确定性及非线性，如钢板的横向窜动、成型角的调整、导电嘴的磨损等。随着钢板的运行，各种参数都将发生变化，工作范围内很难达到较高的位置精度和良好的动态性能，因此不易建立精确数学模型。而经典和现代控制理论都要求建立精确数学模型，若仅采用该理论和方法进行控制效果不好[ 4 ]。因此，本文采用不需要数学函数来描述输入输出关系的模糊控制。 2 自调整因子模糊算法 模糊控制是指运用专家的经验预先总结出控制决策表和控制规则，通过查找决策表，得到每一时刻应施与控制系统的控制动作，来判断输入参量的调整方向[ 5 ]。模糊控制的基本结构见图1。 3 模糊分段控制算法 模糊控制器具有PD控制效果，由于缺少积分作用，消除系统静差性能欠佳，难以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一定的“空白”区，即盲区。当探头机构移动到平衡点附近时，可以引入PI环节，获得较高的稳态精度。 PI环节可通过参数自整定PID算法得到。计算机中采用的是数字PID控制算法，公式如下： 结合了PI控制环节的新型模糊控制器，虽然能消除静差，但其算法比较复杂，系统响应速度相对较慢。为提高系统响应速度，减少调节时间，在新型模糊控制算法中结合比例控制。该控制方式在探头机构离焊缝较远时，促使探头机构迅速移动至近焊缝区域，从而进入模糊控制。因此，针对螺旋焊缝的跟踪采用了一种新型复合控制算法，自调整比例因子Fuzzy-P双模分段控制结合PI控制，即P-Fuzzy-PID，该算法综合了比例控制、模糊控制及PID控制的优点。 当偏差高于阈值时，系统进行比例控制以提高系统响应速度，加快响应过程；当偏差低于阈值时，系统转入了自调整比例因子模糊控制，以提高系统阻尼性能，减小响应过程的超调；当出现微小偏差时，系统采用PID控制方式来消除系统静差，流程如图6所示。 图6 控制流程 对整个系统进行仿真研究：设比例控制规律为p=kp·e，比例系数kp由每个像素对应电动机输出脉冲个数决定，本例为10。模糊控制中最佳调整因子为α1=0.5·α2=0.6，考虑到实际系统的识别精度，选定最佳阈值为e=3mm，系统稳态精度为0.15mm。当稳态精度小于0.15mm时，进入PI调节，消除静态误差以提高精度。 选取偏差e=3.8mm进行仿真，图7—图9分别是3个环节的对应偏差响应曲线，纵坐标为偏差量，横坐标为响应时间。设定偏差出现在t=1s时，由图可知，偏差在1s之内被减小到0.4mm，最终接近于零，完全实现实时纠正大偏差，探头组移动范围在2mm之内，符合焊缝探伤实时跟踪要求。 4 结语 本文首先对西气东输螺旋焊管跟踪系统作了分析，提出了探头机构控制精度问题。针对不易建立精确数学模型的非线性控制对象，采用根据跟踪偏差实现参数自调整的模糊算法进行控制。在此基础上，结合了参数自整定的PID算法和比例控制器，形成新型的模糊分段式控制算法，有效解决了模糊控制响应速度慢以及存在静差的缺点，满足了螺旋焊缝轨迹跟踪的要求。 参考文献参考文献： [ 1 ] 吴禹胜，刘芳.螺旋埋弧焊管焊缝在线超声波自动探伤准确性分析[ J ].钢管，2004（5）：3943. [ 2 ] 高志凌.螺旋焊管超声波探伤探头自动跟踪方式的发展[ J ].钢管，2002（2）：4042. [ 3 ] 胡东明，汪净松，张伯鹏.机器人化大直径钢管螺旋焊缝检测视觉跟踪系统的研究与开发[ J ].机器人，1995（6）：352257. [ 4 ] 赵桂杰.螺旋焊管外焊缝自动跟踪智能控制系统研究[ D ].鞍山：辽宁科技大学，2008. [ 5 ] 杨松体.工程模糊论方法及其应用[ M ].北京：国防工业出版社，1996：5680. [ 6 ] 王晨，高志凌.螺旋焊管焊缝超声波探伤系统[ J ].焊管，2009（2）：4547. 责任编辑（责任编辑：杜能钢）
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