基于Kriging代理模型的磁控電弧傳感器參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于焊接自動控制設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于Kriging代理模型的 磁控電弧傳感器參數(shù)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 焊接自動化、焊接機器人W及智能化已成為焊接技術(shù)發(fā)展的趨勢，要實現(xiàn)焊接過 程的自動化和智能化，需要解決的關(guān)鍵性問題就是焊縫的精確跟蹤，焊縫跟蹤研究的核屯、 是高性能的傳感器和有效的控制方法.在焊接過程中，傳感器必須精確檢測焊縫的位置及 形狀，快速準確地提供特征信號。
[0003] 磁控電弧焊縫跟蹤方法是一種新型的焊接自動化技術(shù)，磁控電弧焊縫跟蹤傳感器 是其關(guān)鍵技術(shù)所在。它由勵磁線圈、導磁鐵巧、絕緣層和一對磁極組成，線圈和磁極用于產(chǎn) 生對稱的交變磁場，在交變磁場的作用下，電弧運動軌跡發(fā)生改變，電弧長度也會發(fā)生變 化.隨著電弧長度的改變，勢必會引起焊接電流或電壓的改變，進而通過采集到的電流或 電壓的偏差信息，實現(xiàn)焊縫的自動跟蹤。因此磁控電弧傳感器的參數(shù)設(shè)置會影響焊縫跟蹤 傳感信號的失真度進而影響整個焊縫跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤精度，因此對磁控電弧傳感 器的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計極為重要。
[0004] Kriging代理模型最開始是從地址學領(lǐng)域中提出來的，該個方法是由一個參數(shù) 模型和一個非參數(shù)隨機過程聯(lián)合構(gòu)成的，相對于其它傳統(tǒng)的插值技術(shù)有W下兩方面的優(yōu) 點。第一，傳統(tǒng)的插值技術(shù)大都為參數(shù)化的模型（如響應(yīng)面法），首先必須選擇一個參數(shù) 化的非線性的數(shù)學模型，其次模型確立之后必須確定其待定系數(shù)，而半?yún)?shù)化的kriging 代理模型并不需要建立一個特定的數(shù)學模型，相對于參數(shù)化模型更加靈活、方便。第二，同 時具有局部和全局的統(tǒng)計特性，該個性質(zhì)使得Kriging可W分析己知信息的趨勢、動態(tài)，而 且，kriging模型的有效性并不依賴于隨機誤差的存在，也就是說已知信息中是否包含噪 聲信息不會影響kriging模擬的有效性程度。
[0005] 本發(fā)明引入拉了超立方取樣試驗設(shè)計方法和Kriging代理模型技術(shù)建立磁控電 弧傳感器的參數(shù)預(yù)測模型，利用優(yōu)化算法對傳感器參數(shù)進行尋優(yōu)，該方法建立的總體思想 是；在磁控電弧傳感器的參數(shù)變量空間中，W試驗設(shè)計方法選取一定樣本點，通過實驗得到 其響應(yīng)值(傳感信號失真度)，利用樣本點和響應(yīng)值的關(guān)系建立Kriging代理模型進行優(yōu)化 算法的尋優(yōu)，為提高焊縫自動跟蹤的穩(wěn)定性及精準性提供傳感器參數(shù)，并通過試驗進行了 驗證，具有很好的實用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于為提高磁控電弧焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性與跟蹤精度，對磁 控電弧傳感器的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，保證良好的焊縫跟蹤傳感信號。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于Kriging代理模型的磁控電弧傳感器參數(shù) 優(yōu)化方法，其步驟包括： (1)確定磁控電弧傳感器的優(yōu)化參數(shù)及其變化范圍，分析影響傳感信號失真度的主要 傳感器參數(shù)并根據(jù)實際情況與約束條件確定其變化范圍。其中磁控電弧傳感器的優(yōu)化參數(shù) 為：勵磁頻率、勵磁電流、磁極間隙、線圈應(yīng)數(shù)。
[0008] (2)采用拉了超立方實驗設(shè)計方法在參數(shù)空間范圍內(nèi)采樣，其中選取訓練樣本點 Si41組用來建立Kriging代理模型，測試樣本點S29組用來檢驗Kriging預(yù)測模型的準確 性。
[0009] (3)將所選取的樣本點在磁控電弧焊縫自動跟蹤系統(tǒng)中一一實驗，得到其焊縫跟 蹤傳感信號，并依據(jù)焊縫跟蹤信號的評分原則表對其進行評分，得到其對應(yīng)實驗響應(yīng)值Y (傳感信號失真度)。
[0010] (4)設(shè)置初值，構(gòu)建Kriging代理模型，進行0的優(yōu)化，選擇優(yōu)化算法對給定的加 點準則進行優(yōu)化設(shè)計，然后檢驗收斂準則，如果收斂準則滿足要求，則得到對象問題的最優(yōu) 解，反之，將當前最優(yōu)設(shè)計點加入到樣本中進行下一次建模優(yōu)化，直至收斂準則滿足。收 斂準則為同時滿足：
其中k為優(yōu)化迭代次數(shù)，7,為第k代最優(yōu)設(shè)計的實驗響應(yīng)值，而則為其相應(yīng)的Kriging代理模型的預(yù)測值，收斂精度為￡2=1〇一3。
[0011] (5)實驗驗證，將所取測試樣本數(shù)據(jù)S2得到的預(yù)測響應(yīng)值，與其實驗響應(yīng)值進行比 較，檢測模型預(yù)測偏差；為驗證傳感器優(yōu)化參數(shù)的可靠性，選取所建Kriging代理模型的全 局最優(yōu)點與兩個局部最優(yōu)點進行實驗驗證并對比分析。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：利用Kriging代理模型技術(shù)建立磁控電弧傳感器的參數(shù) (勵磁頻率、勵磁電流、磁極間隙、線圈應(yīng)數(shù)）預(yù)測模型，模型偏差小、可靠性高；利用該預(yù)測 模型得到傳感器參數(shù)的最優(yōu)解，獲得波形明顯且干擾少的傳感信號，提高了磁控電弧焊縫 跟蹤的穩(wěn)定性與跟蹤精度。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明基于Kriging代理模型的磁控電弧傳感器參數(shù)優(yōu)化流程圖。
[0014] 圖2為拉了超立方試驗設(shè)計方法所取樣本數(shù)據(jù)S共50組。
[00巧]圖3為Kriging代理模型的預(yù)測偏差。
[0016] 圖4為本發(fā)明中用已建立的Kriging近似模型在最優(yōu)設(shè)計情況下預(yù)測勵磁頻率和 勵磁電流交互作用對信號失真度的影響。
[0017] 圖5為所選取的全局最優(yōu)點和2個局部最優(yōu)點對應(yīng)的焊縫跟蹤傳感信號。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但不限定本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明提供的基于Kriging代理模型的磁控電弧傳感器參數(shù)優(yōu)化方法，如圖1所 示，其步驟包括： 1.確定磁控電弧傳感器的優(yōu)化參數(shù)及其變化范圍，磁控電弧傳感器利用交變磁場產(chǎn)生 的洛倫茲力使電弧擺動來掃描焊縫坡口，其電弧長度隨之變化從而引起焊接電流、電壓的 變化，將變化的焊接電流、電壓其作為傳感信號，通過提取傳感信號中包含的焊縫偏差信息 來控制焊槍的移動，從而實現(xiàn)焊縫自動跟蹤功能，因此，傳感信號的好壞關(guān)系到焊縫跟蹤的 穩(wěn)定性與跟蹤精度.本文考慮磁控電弧傳感器參數(shù)(兩磁極之間的間隙H、勵磁頻率f、勵磁 電流I、線圈應(yīng)數(shù)n)作為設(shè)計變量，W傳感信號的失真度作為響應(yīng)值Y，優(yōu)化問題為：
2.參見圖2,采用拉了超立方實驗設(shè)計方法在參數(shù)空間范圍內(nèi)采樣，kriging代理模型 的構(gòu)建基礎(chǔ)是樣本信息，均勻分布的樣本能使所構(gòu)建的kriging代理模型捕捉到真正對象 函數(shù)的趨勢和變化，拉了超立方取樣（LatinHypercubeSampling,L服），其本質(zhì)是控制抽 樣點的位置，避免抽樣點在小鄰域內(nèi)重合問題，產(chǎn)生的樣本點可W確保其代表向量空間中 的所有部分，而且該種取樣方法有相當大的隨意性，即無需考慮問題的維數(shù)，樣本的數(shù)目可 多可少