一种基于干扰观测器补偿的激光淬火温度控制方法

摘要

本发明公开了一种基于干扰观测器补偿的激光淬火温度控制方法，属于激光加工技术领域。首先使用恒定功率激光束匀速扫描材料表面，记录材料表面的温度变化曲线，测定温度系统的比例系数与时间常数；设定目标温度，对激光淬火传热系统建立名义数学模型；基于传热系统的名义数学模型，设计干扰观测器；综合控制器的输出以及干扰观测器的补偿，计算激光器功率值，将材料表面温度控制在设定温度附近。本发明通过使用基于名义模型的干扰观测器，将激光淬火过程中材料温度因散热条件、表面状态、几何形状等外界因素受到的影响作为干扰信号通过改变激光器功率进行补偿，配合控制器的使用将材料温度稳定地控制在设定温度范围内，保证加工质量，简单易行。

权利要求

1.一种基于干扰观测器补偿的激光淬火温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使用恒定功率激光束匀速扫描材料表面，记录材料表面的温度变化曲线，测定温度系统的比例系数与时间常数；激光扫描后，工件表面激光作用区域的材料温度会稳定于某一温度范围，取该温度范围的平均值记为稳定温度TEMP_S，比例系数Kn由稳定温度与功率的比值求得；从激光器出光至光斑区域温度上升至稳定温度TEMP_S的98.2％记为四倍时间常数4Tn；

(2)设定目标温度，对激光淬火传热系统建立名义模型；激光淬火温度系统的名义模型为一阶惯性系统，系统参数由步骤(1)测得，其传递函数如下式所示：式中，s为拉普拉斯算子；Kn是比例系数；Tn是时间常数；

(3)基于步骤(2)中所建立的传热系统数学模型，设计干扰观测器；首先，将系统输入的功率信号，以及输出的温度信号经过一数字低通滤波器Q滤波处理，Q的传递函数如下式所示：式中αk为系数，s为拉普拉斯算子，N，M分别为分母分子阶数，τ决定Q的带宽；再将求解系统名义模型的逆传递函数Gn-1；选取数字滤波器参数M,N,τ使得Q·Gn-1正则；对传递函数Q·Gn-1使用零阶保持器采样离散化，使用零阶保持器采样离散化的具体过程为：使用零阶保持器采样，再将Q的传递函数离散化，零阶保持器传递函数为：G0(s)＝(1-e-sts)/s

式中，ts为采样时间，s为拉普拉斯算子，接着得到传递函数Q·Gn-1的离散形式；

式中Z{}为Z变换，即把连续的传递函数离散化，z为差分算子，得到Z传递函数；推导差分方程，算出系统的总体输入y2；

(4)使用数字低通滤波器Q处理激光器实际功率信号，通过对Q离散化差分方程求解得到滤波后的信号y1，对y2与y1作差，得出温度系统输入端干扰信号δ，将该干扰信号值的相反信号值作为功率补偿值，并作为干扰观测器的输出，作用在温度系统输入端；

(5)数字控制器根据红外测温仪测量的加工区域温度与设定温度的误差计算功率值u1(k)，并将其与步骤(4)中计算出的干扰观测器的补偿值u2(k)求和，得到激光器功率输出值u(k)，使得材料表面温度在激光作用下稳定于设定的目标温度；

u1(k)是由控制器根据温度误差error(k)结合控制率算出的结果，u2(k)是观测器根据干扰信号做出的功率补偿；

error(k)＝Td(k)-TEMP(k)

式中TEMP(k)为高温计返回温度信号的采样值，Td(k)为当前时刻理想温度值，控制律由如下式所示：式中，KP为比例系数，error[k]温度误差，ts为采样周期，Ti为积分时间常数，为误差积分项，Td为微分时间常数，(error[k]-error[k-1])/ts为误差微分项；干扰补偿项u2(k)用于抵消干扰信号δ(k)；

u2(k)＝-δ(k)。

说明书

一种基于干扰观测器补偿的激光淬火温度控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光加工技术领域，更具体地，一种基于干扰观测器补偿的激光淬火温度控制方法。

背景技术

[0002] 激光热处理是以高能量激光束快速扫描工件，使被照射的金属或合金表面温度以极快速度升高到相变点以上，激光束离开被照射部位时，由于热传导作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，得到较细小的硬化层组织，硬度一般高于常规淬火硬度。在此过程中，工件表面的相变程度取决于其表面温度，温度过低则无法达到热处理硬化效果，温度过高则有可能破坏工件表层金相组织，因此，若将温度控制在相变温度范围内就可以保证激光热处理的加工质量。

[0003] 在恒功率的激光淬火条件下，材料表面温度上升速率较慢，同时加工区域的温度受诸多因素的影响。在激光淬火中激光的输出功率、扫描速度、光斑尺寸、材料的类型和材料表面粗糙度等都可以影响激光加工的温度。另外在激光淬火中材料温度还受到外界环境因素，散热情况、零件的形状等不可控因素的影响。如果激光作用的过程中材料温度过低则工件达不到相变条件，如果材料温度过高则有可能使材料熔化，破坏工件表面。这些情况都会降低热加工的质量。

[0004] 目前激光淬火的温度控制方法大多只根据温度误差对功率值进行控制，使用的控制算法有常规PID控制或者模糊控制。由于激光淬火过程中材料温度受诸多因素影响，在工件表面状态不够理想时，温度值往往会产生较大波动，上述控制方法难以将材料表面温度稳定在设定温度范围内。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于干扰观测器补偿的激光淬火温度控制方法，其可将激光淬火过程中因工件表面几何形状、表面污渍、工件散热条件变化等因素引起的温度值波动以干扰信号的形式进行补偿，结合PID控制律使钢轨表面光斑区域内的材料温度轨迹稳定于工艺要求的期望温度，保证加工质量，简单易行。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于干扰观测器补偿的激光淬火温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0007] (1)使用恒定功率激光束匀速扫描材料表面，记录材料表面的温度随时间变化曲线；以激光功率为输入值，以材料表面温度为输出值建立温度系统，通过所述曲线计算得到所述温度系统的比例系数与时间常数；

[0008] (2)设定材料表面的目标温度，计算温控过程中测得的材料表面温度与目标温度间的温度误差值，将该温度误差值输入给数字控制器，用以计算功率值；再根据步骤(1)得到的比例系数与时间常数得出温度系统的传递函数，将该温度系统的传递函数作为温度系统的名义模型；通过该名义模型建立干扰观测器，将温控过程中激光器功率值与材料表面温度值输入给干扰观测器，用于计算温控系统的干扰信号值；

[0009] (3)对步骤(2)中所得到的温度系统的传递函数进行逆变换，得到温度系统的逆传递函数，并引入滤波器，使滤波器的传递函数与温度系统的逆传递函数的乘积保持正则，得到正则传递函数，将步骤(2)中干扰观测器接收的材料表面的温度信号通过该正则传递函数，求解出温度系统前端的输入值；

[0010] (4)使用步骤(3)中引入的滤波器处理步骤(2)中干扰观测器接收的激光器功率值，并将所得结果与步骤(3)中计算得出的温度系统前端的输入值做差，求解出温度系统前端的干扰信号值，将该干扰信号值的相反信号值作为功率补偿值，并作为干扰观测器的输出，作用在温度系统输入端；

[0011] (5)数字控制器根据步骤(2)中所述的温度误差值计算功率值，并将其与步骤(4)中计算出的干扰观测器的补偿值求和，得到激光器功率输出值，使得材料表面温度在恒定功率值的激光作用下稳定于设定的目标温度。

[0012] 优选地，所述步骤(1)中，使用红外测温仪实时测量恒定功率激光扫描过程中，光斑作用区域的材料温度值的变化，当材料表面温度趋于稳定之后，记录温度稳定值，该温度稳定值与功率值的比值记为温度系统比例系数，材料表面温度上升至温度稳定值的98.2％所消耗时间的四分之一记为时间常数。

[0013] 优选地，所述步骤(2)中，所述温度系统的传递函数使用一阶惯性系统进行描述。

[0014] 优选地，所述步骤(3)中，将滤波器传递函数与温度系统传递函数相乘，对相乘得到的函数进行离散化并推导差分方程，将所述温度系统的温度输出值代入该差分方程，求解出温度系统的前端输入值。

[0015] 优选地，所述步骤(4)中，对滤波器传递函数进行离散化并推导差分方程，将激光器功率值代入此差分方程计算出滤波后功率值，将步骤(3)得到的温度系统的前端输入值减去该滤波后功率值，得到干扰信号值。

[0016] 优选地，所述步骤(5)中，控制器通过红外测温仪测量的温度信号与设定温度的差值利用控制律计算出控制器输出值，并将其与步骤(4)中干扰观测器所计算出的功率补偿值相加，最终得到激光器的功率输出值。

[0017] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0018] (1)本发明通过使用控制器令激光淬火开始阶段材料表面温度迅速上升至设定的温度范围，大大缩短了材料基体预热时间。同时也令淬火过程中激光作用区域的材料温度稳定在设定温度范围内，既能够满足材料淬火的工艺要求，又能够防止局部散热条件不良而发生的边界、边角熔化现象。干扰观测器将激光淬火过程中因材料表面的几何形状，表面污渍等因素引起的温度变化视为干扰信号并进行补偿，进一步提高控制系统的准确性以及抗干扰能力。该方法既能提高淬火质量又能提高加工效率，简单易行。

[0019] (2)本发明通过恒定功率的激光进行阶跃响应测试，得到激光淬火温度系统名义数学模型，既能方便设计干扰观测器，又有利于控制器参数的确定。

[0020] (3)本发明中干扰观测器的使用可以补偿因材料表面缺陷以及加工环境散热条件而引起的温度变化，进一步提高温度控制的精度，在工件表面状况恶劣时也能取得较好的控制效果。

[0021] (4)本发明中对于不同的工艺条件和加工材料，温度系统的数学模型会发生变化，本方法通过对其系统参数的识别设计不同的干扰观测器，使得本控制方法适用范围较广。

附图说明

[0022] 图1是基于干扰观测器的补偿激光淬火温度控制方法的流程图。

[0023] 图2是恒定功率匀速激光作用下光斑区域材料温度变化曲线。

具体实施方式

[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0025] 本发明提出了一种基于干扰观测器补偿的激光淬火温度控制方法，该方法包括以下步骤：

[0026] (1)使用恒定功率激光束匀速扫描材料表面，记录材料表面的温度随时间变化曲线，通过该曲线测定(激光功率为输入、表面温度为输出的)温度系统的比例系数与时间常数。

[0027] (2)设定目标温度，根据步骤(1)所测得的比例系数与时间常数得出温度系统的传递函数，对激光淬火温度系统建立名义模型。

[0028] (3)对步骤(2)中所得到的温度系统传递函数求逆，并引入一个数字低通滤波器，使滤波器传递函数与温度系统的逆传递函数乘积正则，将温度系统的输出温度信号通过滤波器与温度系统逆传递函数相乘所得到正则的传递函数，求解出温度系统前端的输入值。

[0029] (4)使用步骤(3)中引入的数字低通滤波器处理激光器实际功率信号，并将所得结果与步骤(3)中得出的计算输入值做差，计算出温度系统前端的干扰信号，将干扰信号补偿值作为干扰观测器的输出作用在温度系统输入端。

[0030] (5)数字控制器根据红外测温仪测量的加工区域温度与设定温度的误差计算功率值，并将其与步骤(4)中计算出的干扰观测器的补偿值求和，得到激光器功率输出值，使得材料表面温度在激光作用下稳定于设定的目标温度。

[0031] 本发明通过使用控制器令激光淬火开始阶段材料表面温度迅速上升至设定的温度范围，大大缩短了材料基体预热时间。同时也令淬火过程中激光作用区域的材料温度稳定在设定温度范围内，既能够满足材料淬火的工艺要求，又能够防止局部散热条件不良而发生的边界、边角熔化现象。干扰观测器将激光淬火过程中因材料表面的几何形状，表面污渍等因素引起的温度变化视为干扰信号并进行补偿，进一步提高控制系统的准确性以及抗干扰能力。该方法既能提高淬火质量又能提高加工效率，简单易行。

[0032] 作为进一步优选的，步骤(1)中使用红外测温仪实时测量恒功率P激光扫描过程中，光斑作用区域的材料温度值的变化，当材料表面温度趋于稳定之后，记录稳定值TEMP_S，该值与功率值P的比值TEMP_S/P记为温度系统比例系数Kn。时间常数Tn记为材料表面温度上升至稳定温度值TEMP_S的98.2％所消耗时间的四分之一。

[0033] 作为进一步优选的，步骤(2)中，使用一阶惯性系统的传递函数对激光淬火温度系统进行描述。温度系统的传递函数参数Gn(时间常数与比例系数)由步骤(1)测得。

[0034] 作为进一步优选的，步骤(3)中数字低通滤波器传递函数Q与温度系统传递函数Gn-1相乘得到Q·Gn-1对其进行Z变换并推导差分方程，将温度系统的温度输出值代入差分方程，求解出温度系统的前端输入值y2。

[0035] 作为进一步优选的，步骤(4)中对数字低通滤波器传递函数Q进行Z变换并推导差分方程，将激光器功率值代入此差分方程计算出y1，令y2减去y1得到误差δ。

[0036] 作为进一步优选的，步骤(5)中控制器通过红外测温仪测量的温度信号与设定温度的差值利用控制律计算出控制器输出u1，并将其与步骤(3)中干扰观测器所计算出的功率补偿值-δ相加，最终得到激光器的功率输出值。

[0037] 实施例1

[0038] 图1是基于干扰观测器的补偿激光淬火温度控制方法的流程图，如图1所示，本发明的基于干扰观测器的补偿激光淬火温度控制方法，其包括以下步骤：

[0039] (1)使用恒定功率激光束匀速扫描材料表面，记录材料表面的温度变化曲线，测定温度系统的比例系数与时间常数。激光扫描一段时间过后，工件表面激光作用区域的材料温度会稳定于某一温度范围内如图2所示，取该温度区间的平均值记为稳定温度TEMP_S，比例系数Kn由稳定温度与功率的比值求得。从激光器出光至光斑区域温度上升至稳定温度TEMP_S的98.2％记为四倍时间常数4Tn。

[0040] (2)设定目标温度，对激光淬火传热系统建立名义模型。激光淬火温度系统的名义模型为一阶惯性系统，系统参数由步骤(1)测得，其传递函数如下式所示：

[0041]

[0042] 式中，s为拉普拉斯算子；Kn是比例系数；Tn是时间常数。

[0043] (3)基于步骤(2)中所建立的传热系统数学模型，设计干扰观测器。首先，将系统输入的功率信号，以及输出的温度信号经过一数字低通滤波器Q滤波处理，Q的传递函数如下式所示

[0044]

[0045] 式中αk为系数，s为拉普拉斯算子，N，M分别为分母分子阶数，τ决定Q的带宽。再将求解系统名义模型的逆传递函数Gn-1。选取数字滤波器参数M,N,τ使得Q·Gn-1正则。对传递-1函数Q·Gn 使用零阶保持器采样离散化，推导差分方程，算出系统的总体输入y2。

[0046] (4)使用数字低通滤波器Q处理激光器实际功率信号，通过对Q离散化差分方程求解得到滤波后的信号y1，对y2与y1作差，得出温度系统输入端干扰信号δ，即为干扰观测器补偿值。

[0047] (5)数字控制器根据红外测温仪测量的加工区域温度与设定温度的误差计算功率值，并将其与步骤(4)中计算出的干扰观测器的补偿值求和，得到激光器功率输出值，使得材料表面温度在激光作用下稳定于设定的目标温度。

[0048] 进一步的，步骤(2)中设定目标温度T_SET后，控制器计算各个时刻理想温度Td(t)，其由下式得到

[0049] Td(t)＝T_SET(1-e-(4t/Ts))                    (3)

[0050] 式中Ts为理想的上升时间。计算完成后将理想温度根据控制器的采样周期ts采样生成温度序列Td[k]存储下来，k为时间序列。

[0051] 进一步的，步骤(3)中，系统输入端干扰信号δ计算方式如下：

[0052] 对温度系统传递函数求逆，计算Gn-1

[0053]

[0054] 为使得传递函数Q·Gn-1正则，物理可实现，选取数字低通滤波器参数M＝1，N＝2，τ＝0.01，则Q传递函数为

[0055]

[0056] 使用零阶保持器采样，再将式(2)离散化，零阶保持器传递函数为[0057] G0(s)＝(1-e-sts)/s                      (6)

[0058] 式中，ts为采样时间，s为拉普拉斯算子，接着得到传递函数Q·Gn-1的离散形式[0059]

[0060] 式中Z{}为Z变换，即把连续的传递函数离散化，z为差分算子，得到Z传递函数：

[0061]

[0062] 式中a1,a2,a3,b1,b2,b3为系数，根据式(8)可以得到差分方程的一般形式[0063] y2(k)＝-BX+ATU

[0064] 式中，k为时间序列，y2(k)计算输出，B为QGn-1的分母系数列向量[b1,b2,b3]，A为QGn-1的分子系数列向量[a1,a2,a3]，X＝y1[(k-1),y1(k-2),y1(k-3)]T，U为温度输入向量U＝[u(k),u(k-1),u(k-2)]T；

[0065] 使用相同方法求Q滤波后的激光器功率信号y1，先离散化传递函数G0(s)·Q(s),再推导出其差分方程，以激光器功率信号P(k)为输入，代入差分方程求解y1(k)。干扰信号δ则由y1,y2作差得出：

[0066] δ(k)＝y2(k)-y1(k)                       (9)

[0067] 进一步的，步骤(5)中，当前时刻的激光器功率值u(k)由控制器计算值u1(k)和观测器补偿值u2(k)求和得到：

[0068] u(k)＝u1(k)+u2(k)                       (10)

[0069] 式中，u1(k)是由控制器根据温度误差error(k)结合控制率算出的结果，u2(k)是观测器根据干扰信号做出的功率补偿

[0070] error(k)＝Td(k)-TEMP(k)                   (11)

[0071] 式中TEMP(k)为高温计返回温度信号的采样值，Td(k)为当前时刻理想温度值，控制律由如下式所示：

[0072]

[0073] 式中，KP为比例系数，error[k]温度误差，ts为采样周期，Ti为积分时间常数，为误差积分项，Td为微分时间常数，(error[k]-error[k-1])/ts为误差微分项；干扰补偿项u2(k)用于抵消干扰信号δ(k)

[0074] u2(k)＝-δ(k)                        (13)

[0075] 本发明通过红外高温计非接触式测温，在不中断加工过程的条件下，实时测量钢轨表面加工区域温度，随后通过调节激光器的功率来控制测量区域温度，控制热处理过程。本发明通过阶跃响应法建立激光淬火过程的温度名义数学模型，避开了直接对复杂的傅利叶传热微分方程进行求解。由于激光淬火过程中材料温度极易受到激光器功率以外的各种外界因素的干扰，基于名义数学模型的干扰观测器的建立，可将这些干扰项进行识别并通过调整功率进行补偿。控制器和干扰观测器的配合使用使得控制系统具有较好的控制精度以及抗干扰能力。本发明可确保激光淬火材料温度准确达到相变要求温度范围，具有简单、高效、易用、工程实用性强等优点。

[0076] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。