[发明专利]激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法

权利要求书

1.激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取激光软钎焊过程中的温度和功率的数据；

设计包括温度损失的因素；

获取给定的目标温度曲线与实际输出温度的差值；

选择初始时刻，以形成经过N个采样周期完成钎焊过程后差值的矩阵，并利用矩阵得到动态特性模型；

基于激光软钎焊过程的热力学公式，在离散时域内，利用线性叠加原理对动态特性模型进行修正，获取系统的预测模型；以及

反复调整利用迭代递推模拟处理以得到最优控制量序列。

2.根据权利要求1所述的激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法，其特征在于：获取温度功率数据后还包括对温度功率数据进行滤波处理。

3.根据权利要求1所述的激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法，其特征在于：所述差值由承焊器件、焊盘、焊膏以及流体之间热量的平衡及其动力学特性来限定。

4.根据权利要求1所述的激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法，其特征在于：所述离散时域设定为温度检测频率0.5ms/次。

5.根据权利要求1所述的激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法，其特征在于：所述温度损失的因素包括热传导损耗、空气对流散热以及锡膏比热容随锡膏热力学状态不同而相应变换。

6.根据权利要求1所述的激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法，其特征在于，所述矩阵为：

E＝(e(k₀),e(k₀+1),...,e(k₀+i),...,e(k₀+N))^T，

其中，k₀为软钎焊开始时刻，N为采样周期的数量，e(k₀+i)为从激光软钎焊开始时刻起第i个采样周期后的目标温度与实际系统输出温度的误差。

7.根据权利要求6所述的激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法，其特征在于，动态特性模型为：

其中，激光软钎焊过程中产生的误差记为完全可知的扰动，k表示软钎焊的采样时刻，x(k)表示状态向量，Δu(k)＝[Δw(k)],Δw(k)表示激光软钎焊功率控制系统在原固定功率下的功率控制增量，y(k)表示系统的输出测量值，G₀、H为已知的系统参数。

8.根据权利要求7所述的激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法，其特征在于，修正后的动态特性模型为：

其中，x(k)＝[w(k),E(k)]^T，y(k)＝[E(k)],w(k)表示开环控制中的固定功率值，E(k)表示开环控制下的实际系统输出温度与目标温度之间的误差。

9.根据权利要求8所述的激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法，其特征在于，系统的预测模型为：

其中，E(k)＝[e(k+1),e(k+2),...,e(k+N)]^T，D₀、B₁、C₁为修正后的系统参数。

10.根据权利要求9所述的激光软钎焊功率自动控制系统的温度-功率建模方法，其特征在于，迭代递推模拟处理的过程为：

S1、得到动态目标函数，具体为，对预测模型通过MPC控制器进行算法动态优化，动态目标函数为：

J_k＝||Y(k)-Y_ref(k)||²_Q+||ΔU(k)||²_R，

其中，Y(k)表示从k时刻起在预测时域内的预测输出，Y_ref(k)表示从k时刻起在预测时域内的期望输出，ΔU(k)从k时刻起在预测时域内的预测控制量的变化，Q为误差加权矩阵，R为控制量加权矩阵，Q和R均为对角矩阵；

S2、优化动态目标函数，具体为，对预测时域内的控制量进行限幅，动态目标函数的不等式约束条件为：

-ΔU_max≤ΔU(k)≤ΔU_max，

其中，-ΔU_max表示控制量变化的下限，ΔU_max表示控制量变化的上限；

当预测输入违反最大或最小限制时，将其设置为极限值，然后移除该控制量并重复计算过程，通过最小二乘法得到次优解，具体为：

定义误差轨迹EE(k)＝Y_ref(k)-φx(k)-C_yΔu(k)-E(k)，

其中，φ＝C₁D₀，C_y＝C₁B₁，

优化后的动态目标函数为：

J_k＝||C_YΔU(k)-EE(k)||²_Q+||ΔU(k)||²_R

＝(C_yΔU(k)-EE(k))^TQ(C_yΔU(k)-EE(k))+ΔU^T(k)RΔU(k)

＝ΔU^T(k)[C_yQC_y+R]ΔU(k)-2EE^T(k)QC_yΔU(k)+EE^T(k)QEE(k)

S3、通过优化后的动态目标函数得到最优控制量序列，具体为，对优化后的动态目标函数求导，并令表达式为0，由极值必要条件得到激光软钎焊过程中消除系统输出温度与目标温度之间误差的最优控制量序列为：

ΔU_opt(k)＝(C_y^TQC_y+R)^-1C_y^TQEE(k)，

其中，(C_y^TQC_y+R)^-1C_y^TQ的值在系统初始化后根据控制器的结构和参数计算出。