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《东南大学》 2015年
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电熔焊机智能控制系统的研制

彭洋军  
【摘要】:聚乙烯塑料管道(PE管道)凭借其寿命长、耐腐蚀、成本低等许多优良特性,在建筑业、工业、农业等领域得到了广泛的应用。PE管道系统中,管道接头的质量是影响管道系统寿命的最主要因素,电熔焊接是管道连接施工中最通用的技术。由于目前还没有出现成熟的非破坏性PE管道电熔接头质量检测方法,因此,在电熔焊接过程中严格执行焊接规范、减少人为因素的干扰是保证管道接头焊接质量的关键。本文针对电熔焊机在管道电熔焊接应用中的不足,研究了电熔焊机的自动焊接技术,设计了一套电熔焊机智能控制系统,从而提高焊接质量和焊接效率。论文主要工作如下:首先,研究了电熔焊机焊接技术的发展现状,结合目前市面上的电熔焊机以及实际应用需求,设计了电熔焊机控制系统的总体方案。控制系统采用主从式结构,由嵌入式ARM主板和电源输出控制板两部分组成,嵌入式ARM主板通过连接外接设备实现人机交互、数据保存、信息查询等功能,电源输出控制板与焊机电源相连,实现对焊机电源输出控制和采样等功能。其次,根据电熔焊机控制系统的总体设计方案以及功能需求,设计了控制系统的硬件实现方案,以此为基础设计了嵌入式ARM主板以及电源输出控制板的硬件电路,制定了针对焊机电源产生的噪声与纹波的抑制方法。完成了控制系统的嵌入式软件设计,结合硬件电路实现了相应的功能。再次,研究了电熔焊机恒温焊接的实现方式,提出了一种通过控制发热电阻丝阻值从而实现对焊接温度进行控制的恒温焊接方法,确定了恒温焊接的控制策略。通过理论推导和实验测试的方法得出了电熔管件的数学模型,并以此为基础进行了PID控制、模糊控制、模糊PID控制三种控制方式的仿真实验,通过对仿真结果进行对比分析,确定了恒温焊接模式的控制方案。最后,将整个控制系统应用在现场焊接实验中,分别对控制系统的恒电压模式、恒电流模式、恒温模式三种焊接模式进行了管道焊接实验,实验结果表明,本文设计的电熔焊机控制系统在三种焊接模式下均具有良好的控制效果,能够保证电熔管件接头的质量,满足实际应用需求。
【关键词】:电熔焊机 嵌入式系统 自动控制 模糊PID控制
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TG432;TP273
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-8
  • 第1章 绪论8-14
  • 1.1 课题研究背景及意义8-9
  • 1.2 国内外研究现状9-13
  • 1.2.1 电熔焊机发展现状9-11
  • 1.2.2 嵌入式技术的发展11-12
  • 1.2.3 温度控制技术发展现状12-13
  • 1.3 本文研究内容13-14
  • 第2章 电熔焊机智能控制系统总体设计14-21
  • 2.1 系统功能需求分析14-15
  • 2.1.1 电熔焊机简介14-15
  • 2.1.2 控制系统的设计要求15
  • 2.2 控制系统硬件总体方案设计15-17
  • 2.2.1 控制系统的总体架构15-16
  • 2.2.2 控制系统的硬件结构16-17
  • 2.3 控制系统软件总体方案设计17-20
  • 2.3.1 嵌入式ARM主板软件总体结构18-19
  • 2.3.2 电源输出控制板软件总体结构19-20
  • 2.3.3 软件开发环境20
  • 2.4 本章小结20-21
  • 第3章 电熔焊机智能控制系统硬件设计21-29
  • 3.1 嵌入式ARM主板硬件设计21-25
  • 3.1.1 EM9160核心板简介21-22
  • 3.1.2 矩阵键盘扩展硬件电路22-23
  • 3.1.3 LCD显示屏硬件电路设计23-24
  • 3.1.4 RS485接口电路原理图24
  • 3.1.5 网络接口电路设计24-25
  • 3.2 电源输出控制板硬件设计25-28
  • 3.2.1 MCU硬件电路25-26
  • 3.2.2 DAC硬件电路设计26-27
  • 3.2.3 AD前端处理电路27
  • 3.2.4 噪声与纹波的抑制27-28
  • 3.3 硬件电路实物图28
  • 3.4 本章小结28-29
  • 第4章 电熔焊机智能控制系统软件设计29-40
  • 4.1 嵌入式ARM主板软件设计29-34
  • 4.1.1 菜单界面设计29-31
  • 4.1.2 参数设置模块31-33
  • 4.1.3 数据保存模块33-34
  • 4.2 电源输出控制板软件设计34-38
  • 4.2.1 AD采样模块35-36
  • 4.2.2 数据通信模块36-37
  • 4.2.3 输出控制模块37-38
  • 4.3 通信协议介绍38-39
  • 4.4 本章小结39-40
  • 第5章 恒温焊接控制策略研究40-56
  • 5.1 恒温焊接实现方式研究40-42
  • 5.1.1 恒温焊接方案对比40
  • 5.1.2 温度测量方式40-41
  • 5.1.3 恒温焊接成功条件41-42
  • 5.2 控制对象的数学模型42-44
  • 5.3 控制策略研究44-48
  • 5.3.1 PID控制理论45-46
  • 5.3.2 模糊控制理论46-48
  • 5.3.3 模糊PID复合控制48
  • 5.4 仿真研究48-54
  • 5.4.1 PID控制仿真49-50
  • 5.4.2 模糊控制仿真研究50-52
  • 5.4.3 模糊PID仿真52-54
  • 5.5 本章小结54-56
  • 第6章 系统测试与实验56-62
  • 6.1 实验准备56-57
  • 6.2 现场测试57-61
  • 6.2.1 恒电压焊接57-58
  • 6.2.2 恒电流焊接58-59
  • 6.2.3 恒温焊接59-61
  • 6.3 本章小结61-62
  • 第7章 总结与展望62-64
  • 7.1 总结62
  • 7.2 展望62-64
  • 参考文献64-66
  • 致谢66-67
  • 攻读硕士学位期间发表的论文67

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