本發(fā)明屬于攪拌摩擦焊(fsw)焊接質(zhì)量控制領(lǐng)域，具體的說(shuō)，涉及一種fsw接頭力學(xué)性能無(wú)模型自適應(yīng)控制方法。

背景技術(shù)：

1、fsw工藝技術(shù)利用旋轉(zhuǎn)的攪拌頭在熱、力耦合的鍛壓作用下形成焊縫，具有焊接接頭強(qiáng)度高、焊接缺陷少、焊接變形小、無(wú)需填充材料、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，尤其適用于鋁合金、鎂合金等輕金屬材料的焊接。

2、隨著航空航天、船舶制造、軌道交通等高端制造業(yè)對(duì)焊接質(zhì)量要求的日益提高，如何精準(zhǔn)調(diào)控fsw接頭的力學(xué)性能，已成為技術(shù)創(chuàng)新與品質(zhì)提升的關(guān)鍵問(wèn)題。鑒于焊接溫度和焊接力影響焊后接頭力學(xué)性能，專(zhuān)家圍繞fsw過(guò)程中的焊接溫度和頂鍛力控制展開(kāi)了大量研究。美國(guó)楊百翰大學(xué)的taysom等人基于一階延遲加純滯后(fopdt)模型開(kāi)發(fā)了fsw模型預(yù)測(cè)控制方法，有效控制了焊接過(guò)程中的溫度變化。德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的bachmann等人設(shè)計(jì)了基于半解析模型的l1自適應(yīng)控制器，實(shí)現(xiàn)了fsw界面溫度的精確調(diào)控。瑞典西部大學(xué)的de?backer等人研發(fā)了基于一階模型的比例積分(pi)控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)攪拌頭轉(zhuǎn)速，成功實(shí)現(xiàn)了焊接溫度的穩(wěn)定控制。上海交通大學(xué)的趙晟通過(guò)建立fsw非線(xiàn)性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，設(shè)計(jì)了集前饋補(bǔ)償、鎮(zhèn)定補(bǔ)償和伺服補(bǔ)償于一體的頂鍛力跟蹤控制器，并利用線(xiàn)性二次型調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了頂鍛力的高精度控制。東華大學(xué)的wang等人開(kāi)發(fā)了多級(jí)模糊調(diào)節(jié)的比例積分微分(pid)控制器，有效調(diào)控了fsw過(guò)程中的頂鍛力。美國(guó)普渡大學(xué)的davis等人則提出了一種基于狀態(tài)觀(guān)測(cè)器的自適應(yīng)魯棒控制方法，顯著減少了在過(guò)程擾動(dòng)情況下的頂鍛力變化。

3、研究表明，現(xiàn)有的fsw過(guò)程控制方法主要依賴(lài)于模型預(yù)測(cè)控制、模糊控制和自適應(yīng)魯棒控制等技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程中溫度或力的穩(wěn)定控制。然而，僅控制焊接溫度或頂鍛力難以全面保證焊接質(zhì)量，迫切需要開(kāi)發(fā)以fsw接頭力學(xué)性能為控制目標(biāo)的調(diào)控策略。此外，上述fsw控制策略通常依賴(lài)于受控系統(tǒng)的精確模型，而fsw系統(tǒng)的強(qiáng)非線(xiàn)性和多物理場(chǎng)耦合特性及存在隨機(jī)擾動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)精確建模困難，從而難以實(shí)現(xiàn)對(duì)fsw接頭力學(xué)性能的精準(zhǔn)控制。

4、無(wú)模型自適應(yīng)控制(mfac)方法具備無(wú)需依賴(lài)系統(tǒng)精確模型的顯著優(yōu)勢(shì)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式自適應(yīng)調(diào)整控制策略，尤其適用于復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)。盡管mfac方法已廣泛應(yīng)用于等離子焊、熔化極氣體焊、弧焊等焊接質(zhì)量控制領(lǐng)域，但其在fsw過(guò)程控制中的應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)復(fù)雜非線(xiàn)性fsw過(guò)程難以建立精確數(shù)學(xué)模型以及系統(tǒng)中存在的擾動(dòng)和不確定性難以預(yù)估和抑制的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干擾觀(guān)測(cè)器(fnndo)的fsw接頭力學(xué)性能無(wú)模型自適應(yīng)控制方法(簡(jiǎn)稱(chēng)fnndo-mfac)，旨在精準(zhǔn)調(diào)控fsw接頭的抗拉強(qiáng)度和顯微硬度。mfac作為一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制策略，具有良好的適應(yīng)性和移植性，只需受控系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)，而不依賴(lài)于精確的數(shù)學(xué)模型，從而克服了傳統(tǒng)基于模型的控制方法在fsw過(guò)程中的局限性?？紤]到實(shí)際焊接過(guò)程中的操作不穩(wěn)定、對(duì)接面幾何參數(shù)的變化以及外界干擾等因素，會(huì)導(dǎo)致fsw系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響，本發(fā)明改進(jìn)了mfac算法，利用fnndo對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部和外部的擾動(dòng)及不確定因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)，并將其補(bǔ)償至控制輸入，從而進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)fsw接頭力學(xué)性能控制的魯棒性和精度。本發(fā)明將mfac方法引入fsw接頭力學(xué)性能控制中，結(jié)合偽雅可比矩陣估計(jì)器和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干擾觀(guān)測(cè)器，為解決復(fù)雜、非線(xiàn)性、多干擾的fsw過(guò)程控制問(wèn)題提供了一種創(chuàng)新的研究思路和解決方案。

2、該方法無(wú)需依賴(lài)任何與fsw過(guò)程相關(guān)的模型參數(shù)，而是基于焊接工藝參數(shù)輸入數(shù)據(jù)和接頭力學(xué)性能輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)fnndo對(duì)系統(tǒng)的總擾動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)，有效克服了現(xiàn)有mfac在處理擾動(dòng)時(shí)的不足以及自適應(yīng)能力較差的缺陷。通過(guò)這一方法，顯著提升了對(duì)fsw接頭力學(xué)性能的控制精度和系統(tǒng)魯棒性，確保了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性與一致性。

3、本發(fā)明的技術(shù)方案：

4、一種fsw接頭力學(xué)性能無(wú)模型自適應(yīng)控制方法，包括以下步驟：

5、步驟1：基于緊格式動(dòng)態(tài)線(xiàn)性化(cfdl)模型構(gòu)建fsw過(guò)程的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)模型，并依據(jù)控制輸入準(zhǔn)則函數(shù)設(shè)計(jì)基于cfdl的fsw接頭力學(xué)性能的mfac控制律算法。

6、考慮系統(tǒng)干擾對(duì)控制效果的影響，將fsw過(guò)程描述為如下的離散時(shí)間非線(xiàn)性系統(tǒng)：

7、

8、其中，f(…)為未知的非線(xiàn)性函數(shù)，表示fsw過(guò)程的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)；k為采樣時(shí)刻；u(k)，y(k)分別表示系統(tǒng)在當(dāng)前時(shí)刻的輸入焊接工藝參數(shù)和輸出接頭力學(xué)性能；u1(k)為系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻的攪拌頭轉(zhuǎn)速，u2(k)為當(dāng)前時(shí)刻的焊接速度；y1(k)為系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻的接頭抗拉強(qiáng)度，y2(k)為當(dāng)前時(shí)刻的接頭顯微硬度；d(k)表示系統(tǒng)在當(dāng)前時(shí)刻的總擾動(dòng)；ny，nu，nd是三個(gè)未知的正整數(shù)，表示系統(tǒng)輸出、輸入和總擾動(dòng)的階次。

9、當(dāng)系統(tǒng)總擾動(dòng)d(k)是有界的，函數(shù)f(…)滿(mǎn)足對(duì)fsw系統(tǒng)任意變量的偏導(dǎo)數(shù)連續(xù)，且滿(mǎn)足廣義利普希茨(lipschitz)連續(xù)條件時(shí)，式(1)的fsw過(guò)程的離散時(shí)間非線(xiàn)性系統(tǒng)可等價(jià)為如下的cfdl數(shù)據(jù)模型：

10、δy(k+1)＝φc(k)δu(k)+r(k)?(2)

11、式中，為fsw系統(tǒng)的偽雅可比矩陣，是由偏導(dǎo)數(shù)φij組成的對(duì)角占優(yōu)矩陣，在任意時(shí)刻有界，其中r2×2代表2維實(shí)矩陣空間；r(k)為系統(tǒng)的總擾動(dòng)；δy(k+1)＝y(tǒng)(k+1)-y(k)；δu(k)＝u(k)-u(k-1)，且δu(k)≠0。

12、定義fsw系統(tǒng)的控制輸入準(zhǔn)則函數(shù)j(u(k))為：

13、j(u(k))＝||y*(k+1)-y(k+1)||2+λ||u(k)-u(k-1)||2?????????(3)

14、其中，λ＞0是一個(gè)權(quán)重因子，用來(lái)限制控制輸入量的變化，同時(shí)減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，保證控制輸入量的平滑性；y*(k+1)為系統(tǒng)下一時(shí)刻的期望輸出信號(hào)；y(k+1)為系統(tǒng)下一時(shí)刻的實(shí)際輸出信號(hào)；u(k)為系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻的輸入控制量；u(k-1)為系統(tǒng)上一時(shí)刻的輸入控制量。

15、將式(2)的等價(jià)的cfdl數(shù)據(jù)模型代入式(3)的控制輸入準(zhǔn)則函數(shù)中，對(duì)u(k)求導(dǎo)，并令其等于零，可得：

16、

17、其中，i為單位矩陣。

18、式(4)中包含矩陣求逆運(yùn)算，當(dāng)系統(tǒng)的輸入輸出維度很大時(shí)，矩陣求逆運(yùn)算非常耗時(shí)，因此可以將單輸入單輸出的無(wú)模型自適應(yīng)控制律算法進(jìn)行擴(kuò)展，得到式(5)的多輸入多輸出的無(wú)模型自適應(yīng)控制律算法：

19、

20、其中，ρ1∈(0,1]，ρ2∈(0,1]為控制律的運(yùn)算步長(zhǎng)因子。

21、式(5)的控制律算法中，偽雅可比矩陣φc(k)和系統(tǒng)總擾動(dòng)r(k)未知，因此需要對(duì)其進(jìn)行估計(jì)。

22、步驟2：采用偽雅可比矩陣估計(jì)器對(duì)控制律算法中的偽雅可比矩陣φc(k)的參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)估計(jì)。

23、定義如下偽雅可比矩陣的估計(jì)準(zhǔn)則函數(shù)j(φc(k))：

24、

25、其中，μ＞0是一個(gè)權(quán)重因子，用于懲罰偽雅可比矩陣估計(jì)值的過(guò)大變化；為φc(k)的估計(jì)值；r(k-1)為系統(tǒng)上一時(shí)刻的總干擾。

26、極小化式(6)，根據(jù)逆矩陣引理，可得到偽雅可比矩陣φc(k)的估計(jì)算法：

27、

28、其中，η∈(0,2]為估計(jì)算法的運(yùn)算步長(zhǎng)因子；為r(k-1)的估計(jì)值。

29、為了使在線(xiàn)估計(jì)算法有更強(qiáng)的時(shí)變跟蹤能力，確保偽雅可比矩陣面對(duì)參數(shù)變化時(shí)能夠保持較高的精確性和穩(wěn)定性，引入式(8)所示的重置機(jī)制對(duì)偽雅可比矩陣的值進(jìn)行重置：

30、

31、其中，ε為一個(gè)充分小的正數(shù)。

32、步驟3：采用ffndo估計(jì)系統(tǒng)的總擾動(dòng)r(k)，并對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，從而生成fnndo-mfac控制器。

33、由式(2)的cfdl數(shù)據(jù)模型可得：

34、r(k-1)＝y(tǒng)(k)-y(k-1)-φc(k-1)δu(k-1)????????????????(9)

35、因此定義模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為x＝[y(k),y(k-1),u(k-1),uk(-2)，輸出為

36、采用gauss函數(shù)作為隸屬函數(shù)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最終輸出可表示為：

37、

38、其中，w為權(quán)值矩陣；為模糊基函數(shù)矢量；c和σ分別代表隸屬函數(shù)的中心值矢量和寬度矢量。

39、利用fnndo實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的總擾動(dòng)，構(gòu)建以下動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)器：

40、

41、其中，α為觀(guān)測(cè)器的狀態(tài)變量；常數(shù)γ＞0為觀(guān)測(cè)器的增益；為總擾動(dòng)的估計(jì)值；為權(quán)值矩陣的估計(jì)值；為隸屬函數(shù)中心值矢量的估計(jì)值；為隸屬函數(shù)寬度矢量的估計(jì)值；為模糊基函數(shù)矢量的估計(jì)值。

42、定義權(quán)值矩陣、隸屬函數(shù)中心值矢量和寬度矢量的最優(yōu)值分別為w*、c*和σ*，則總擾動(dòng)的真實(shí)值可表示為：

43、

44、其中，τ為逼近誤差，其上界為

45、定義觀(guān)測(cè)器的跟蹤誤差e＝x-α，則結(jié)合式(11)和式(12)可得到：

46、

47、將在處一階泰勒展開(kāi)，并忽略高階展開(kāi)項(xiàng)，式(13)可重新整理為：

48、

49、在此基礎(chǔ)上，fnndo參數(shù)的自適應(yīng)律選取為：

50、

51、其中，δw、δc和δσ為正定的參數(shù)陣；

52、結(jié)合式(5)、式(7)、式(8)和式(11)，得到fsw接頭力學(xué)性能的fnndo-mfac控制器算法如下：

53、

54、步驟4：基于實(shí)時(shí)采集的焊接溫度和頂鍛力信號(hào)，構(gòu)建fsw接頭力學(xué)性能智能預(yù)測(cè)模型，并將預(yù)測(cè)得到的接頭力學(xué)性能y(k)作為步驟3中fnndo-mfac控制器的輸入，通過(guò)實(shí)時(shí)反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)fsw接頭力學(xué)性能的精準(zhǔn)控制。

55、作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，以焊接溫度和頂鍛力為輸入變量，以接頭抗拉強(qiáng)度和顯微硬度為輸出變量，建立fsw接頭力學(xué)性能智能預(yù)測(cè)模型。

56、作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，使用紅外熱像儀和壓電式測(cè)力儀實(shí)時(shí)采集fsw過(guò)程中的焊件表面溫度和頂鍛力信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳輸至主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

57、作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，主控計(jì)算機(jī)嵌入了fsw接頭力學(xué)性能智能預(yù)測(cè)模型，通過(guò)降采樣對(duì)齊溫度和力信號(hào)的時(shí)間軸，并將這些信號(hào)作為預(yù)測(cè)模型的輸入，實(shí)時(shí)輸出接頭的抗拉強(qiáng)度和顯微硬度預(yù)測(cè)值。

58、作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，根據(jù)接頭力學(xué)性能智能預(yù)測(cè)模型得出的抗拉強(qiáng)度和顯微硬度預(yù)測(cè)值y(k)，結(jié)合設(shè)定的目標(biāo)值y*(k+1)，計(jì)算預(yù)測(cè)值與目標(biāo)值之間的偏差y*(k+1)-y(k)，并將該偏差輸入至步驟3中的fnndo-mfac控制器，進(jìn)而計(jì)算出所需的攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度調(diào)整量。通過(guò)fsw機(jī)床的伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，調(diào)節(jié)焊接過(guò)程中的工藝參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)fsw接頭力學(xué)性能的閉環(huán)控制。

59、本發(fā)明的有益效果：

60、本發(fā)明提供了一種適用于fsw接頭力學(xué)性能的無(wú)模型自適應(yīng)控制方法，利用fnndo估計(jì)系統(tǒng)中的干擾與不確定性，以攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度為控制變量，以接頭抗拉強(qiáng)度和顯微硬度為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)fsw接頭力學(xué)性能的精準(zhǔn)調(diào)控。針對(duì)fsw過(guò)程難以建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種不依賴(lài)焊接過(guò)程模型的mfac控制器，通過(guò)聯(lián)合調(diào)節(jié)攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度，提升了控制精度，避免了復(fù)雜的建模過(guò)程及模型精度對(duì)控制效果的限制。該方法的優(yōu)勢(shì)在于，僅依賴(lài)于fsw過(guò)程中的輸入和輸出數(shù)據(jù)，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模，從而保證了系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的自適應(yīng)性。相比其他mfac方法，本發(fā)明設(shè)計(jì)的fnndo-mfac控制器具備更強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，顯著增強(qiáng)了fsw接頭力學(xué)性能控制器的自適應(yīng)能力和整體控制性能。