本發(fā)明涉及自動化加工與智能控制，具體涉及一種基于時間序列的模糊pid控制算法動態(tài)熱輔助方法。

背景技術(shù)：

1、流動鉆鉚技術(shù)作為一種高效連接異種材料的工藝，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。然而，在傳統(tǒng)流動鉆鉚工藝中，熱源溫度控制的精度直接影響鉚接質(zhì)量與材料性能。現(xiàn)有技術(shù)中，熱輔助鉆鉚多采用pid控制算法調(diào)節(jié)電磁感應(yīng)加熱功率，但存在以下問題：

2、1.溫度控制適應(yīng)性差：傳統(tǒng)pid控制參數(shù)固定，難以應(yīng)對鉆鉚過程中因材料熱容差異、環(huán)境熱損耗等因素導致的非線性、時變溫度波動，易出現(xiàn)超調(diào)或響應(yīng)滯后現(xiàn)象，造成鉚釘成形不均勻或基材熱損傷如復合材料局部燒蝕。

3、2.異種材料兼容性不足：金屬與復合材料的熱膨脹系數(shù)差異顯著，現(xiàn)有方法缺乏對不同材料組合的差異化溫度調(diào)控策略，導致截面應(yīng)力集中、鉚接強度下降。

4、3.能耗高且依賴人工經(jīng)驗：傳統(tǒng)工藝需通過反復試錯設(shè)定加熱功率閾值，缺乏基于實時數(shù)據(jù)的動態(tài)優(yōu)化機制，且無法自適應(yīng)匹配工藝參數(shù)，造成能源浪費。

5、進一步的，流動鉆鉚技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)鉆頭穿透上下板材并形成鉚接孔，隨后利用碳鋼鉚釘在機械力作用下的塑性變形，在兩板材間攻絲緊固，螺釘頭部在上板材落座，從而實現(xiàn)異種材料連接。然而，在高速、高壓的鉆鉚過程中，溫度與振動因素的動態(tài)耦合效應(yīng)仍對工藝精度和材料性能產(chǎn)生顯著影響，具體表現(xiàn)為以下技術(shù)問題：

6、在鉆鉚流程中，溫度與振動的相互作用直接影響加工質(zhì)量：溫度影響：碳鋼螺釘頭部與板材摩擦生熱瞬時溫度可達300-500℃，盡管碳鋼鉚釘熔點＞1400℃不會發(fā)生軟化，但高溫會引發(fā)熱應(yīng)力集中的問題，具體表現(xiàn)在板材連接時的熱應(yīng)力集中。高轉(zhuǎn)速下摩擦生熱勢必會存在金屬基材如高強度鋼與碳鋼鉚釘?shù)臒崤蛎浵禂?shù)差異，從而導致界面殘余應(yīng)力峰值＞150mpa。

7、傳統(tǒng)工藝采用分離式溫度與振動控制策略，但未解決兩者內(nèi)在關(guān)聯(lián)性缺陷：單一溫度控制如pid算法：僅通過調(diào)節(jié)加熱功率補償基板溫度，但忽略以下問題：振動導致紅外測溫傳感器偏移0.5-1mm，測溫誤差達±15℃；碳鋼鉚釘導熱性高導熱系數(shù)50w/m·k，熱量快速擴散至基板，加劇復合材料熱損傷；固定pid參數(shù)無法適應(yīng)動態(tài)熱負載變化如鉆孔期摩擦熱功率＞2kw，鉚接期僅需0.8kw，導致溫度超調(diào)＞10%或響應(yīng)滯后調(diào)節(jié)時間＞6s。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于模糊pid控制算法的流動鉆鉚熱輔助方法，包括以下步驟：

2、步驟s1：實時采集鉆鉚加工區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)；

3、步驟s2：將所述溫度數(shù)據(jù)與工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫中預設(shè)的當前材料組合溫度閾值進行比對，計算溫度偏差值及其變化率；

4、步驟s3：構(gòu)建模糊推理規(guī)則庫，基于模糊規(guī)則庫根據(jù)溫度偏差值及其變化率動態(tài)整定pid控制器的pid參數(shù)，pid參數(shù)包括比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；

5、步驟s4：根據(jù)整定后的pid參數(shù)生成控制信號，調(diào)節(jié)電磁感應(yīng)加熱裝置的輸出功率，從而對鉆鉚加工區(qū)域的進行動態(tài)溫控；

6、在步驟s4的升溫過程中，構(gòu)建基于lstm神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度-振動耦合模型，獲取歷史溫度數(shù)據(jù)和歷史振動數(shù)據(jù)，獲取歷史溫度數(shù)據(jù)中的升溫序列和對應(yīng)的歷史振動數(shù)據(jù)中的升振序列，計算互相關(guān)性從而確定生效時滯，將升溫序列作為輸入，在生效時滯后的升振序列的作為標簽，對溫度-振動耦合模型進行訓練，獲取優(yōu)化后的溫度-振動耦合模型；

7、導入步驟s4中的升溫序列至基于lstm神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度-振動耦合模型，獲取預測的升振序列；根據(jù)升振序列的數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整主動阻尼器的控制力；

8、步驟s5：基于步驟s1~步驟s4對鉆鉚加工區(qū)域進行溫度和振動動態(tài)調(diào)整，獲取每一次鉆鉚過程中的鉚接力曲線，通過分析鉚接力曲線的穩(wěn)定性以優(yōu)化模糊推理規(guī)則庫的預設(shè)參數(shù)。

9、進一步的，步驟s3中模糊推理規(guī)則庫的建立方法具體為：

10、定義溫度偏差值的模糊集為{負大，負小，零，正小，正大}，變化率的模糊集為{負快，負慢，零，正慢，正快}；

11、構(gòu)建模糊規(guī)則表，映射溫度偏差值及其變化率對pid參數(shù)的調(diào)整權(quán)重，規(guī)則形式為：

12、若e為a且δe為b，則δ?=c，δ?=d，δ?=e，其中a、b為輸入模糊集，c、d、e為輸出模糊集；

13、其中，表示溫度偏差值，δe表示溫度偏差值的變化率，δ表示比例系數(shù)的變化值，δ表示積分系數(shù)的變化值，δ表示微分系數(shù)的變化值。

14、進一步的，所述工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫包括：

15、不同材料組合對應(yīng)的預設(shè)溫度閾值；

16、所述材料組合至少包含金屬-金屬、金屬-復合材料兩類；

17、各材料的熱物理參數(shù)，包括導熱系數(shù)、熔點及允許最大熱影響區(qū)寬度；

18、歷史鉚接質(zhì)量數(shù)據(jù)與溫度控制參數(shù)的映射關(guān)系表。

19、進一步的，步驟s3中動態(tài)整定pid參數(shù)的過程中：

20、比例系數(shù)的調(diào)整權(quán)重與溫度偏差值絕對值呈正相關(guān)；

21、積分系數(shù)的調(diào)整權(quán)重與溫度偏差值的變化率絕對值呈負相關(guān)；

22、微分系數(shù)的調(diào)整權(quán)重與溫度偏差值及變化率的乘積呈正相關(guān)。

23、進一步的，所述電磁感應(yīng)加熱裝置的功率調(diào)節(jié)采用pwm脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，且功率輸出與pid控制信號的對應(yīng)關(guān)系滿足：

24、；

25、其中，為t時刻的加熱功率，表示在t時刻的溫度偏差值。

26、進一步的，獲取歷史溫度數(shù)據(jù)中的升溫序列和對應(yīng)的歷史振動數(shù)據(jù)中的升振序列，計算互相關(guān)性從而確定生效時滯的具體過程為：

27、獲取升溫序列和升振序列之間的互相關(guān)系數(shù)，表示為：

28、

29、其中，?表示升溫序列和升振序列在時間滯后??下的互相關(guān)系數(shù)，?是升溫序列在??時刻的溫度，?是升振序列在?時刻的振幅，?是升溫序列的均值，?表示升振序列的均值，?是時間序列的長度，?是時間滯后，表示升振序列相對于升溫序列的延遲步數(shù)；

30、將大于預設(shè)閾值對應(yīng)的時間滯后作為生效時滯，也即。

31、進一步的，步驟s3具體為：

32、輸入變量模糊化：

33、獲取溫度偏差值確定對應(yīng)的論域，采用三角形隸屬函數(shù)將對應(yīng)的模糊集劃分為{負大，負小,?零，正小，正大}；

34、獲取溫度偏差值的變化率確定對應(yīng)的論域，采用高斯型隸屬函數(shù)將對應(yīng)的模糊集劃分為{負快，負慢，零，正慢，正快}；

35、基于溫度偏差值及其變化率對應(yīng)的模糊推理表構(gòu)建模糊推理庫；

36、輸入實時的溫度偏差值和溫度偏差值的變化率，基于模糊推理庫獲取對應(yīng)的pid參數(shù)的模糊輸出；

37、解模糊化：采用重心法cog將模糊輸出轉(zhuǎn)換為精確的pid參數(shù)調(diào)整量，從而完成動態(tài)整定pid控制器的pid參數(shù)的整定。

38、進一步的，鉆鉚的工藝流程依次包括鉆孔期、鉚接期和退刀期，加工區(qū)域在鉆孔期、鉚接期和退刀期溫度偏差值的變化率確定對應(yīng)的論域不同；

39、并基于此構(gòu)建基于工藝導向的模糊規(guī)則庫；

40、溫度偏差值確定對應(yīng)的論域基于鉆鉚材料的熔點來確定。

41、本發(fā)明的積極進步效果在于：

42、1）通過紅外傳感器實時采集鉆鉚區(qū)域溫度數(shù)據(jù)，基于模糊規(guī)則庫將溫度偏差及其變化率映射至pid參數(shù)的調(diào)整權(quán)重，解決傳統(tǒng)pid在非線性系統(tǒng)中的參數(shù)失配問題。

43、2）工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫匹配：建立材料組合如金屬-復合材料與預設(shè)溫度閾值的關(guān)聯(lián)規(guī)則庫，結(jié)合材料熱物理特性導熱系數(shù)、熔點動態(tài)設(shè)定溫度控制目標，實現(xiàn)異種材料的差異化調(diào)控。

44、3）本發(fā)明通過構(gòu)建基于lstm神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度-振動耦合模型精準協(xié)同調(diào)控溫度與振動的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，準確獲取在升溫過程中帶來的振動擾動，通過微調(diào)主動阻尼器的功率實現(xiàn)對鉆鉚過程的溫度和振動的動態(tài)調(diào)整。