基于RBF-PID的熱風(fēng)回流焊溫度控制研究

李春紅 單鵬 頡彥強(qiáng)

摘 要：“RBF-PID”是一種用于控制溫度、水位以及速度等的一種控制系統(tǒng)，其具有控制結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。但是在使用之前，需要先明確的PID控制器的相關(guān)參數(shù)才能使用PID對溫度進(jìn)行控制，再加上PID的參數(shù)需要借助相關(guān)的專業(yè)人員才能獲取，從而導(dǎo)致PID有時會出現(xiàn)控制力度以及準(zhǔn)確性不高的情況出現(xiàn)。本文主要基于RBF-PID，對熱風(fēng)回流焊溫度控制進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：RBF-PID;熱風(fēng)回流焊;溫度控制;研究

電子產(chǎn)品的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性在很大程度上取決于電路板的焊接質(zhì)量。電路板的焊接已從小批量手工焊接發(fā)展到大批量的機(jī)器焊接。目前，企業(yè)常用的焊接設(shè)備主要包括回流焊和波峰焊。回流焊接是表面組裝過程的核心過程，也是最廣泛使用的批量生產(chǎn)焊接技術(shù)。回流式焊機(jī)的熔化和溫度會直接決定電子器件的焊接質(zhì)量與電路板性能。據(jù)統(tǒng)計，回流焊機(jī)焊接溫度不當(dāng)造成的焊接缺陷主要包括虛焊和元器件損壞。因此提高回流焊機(jī)的溫度控制準(zhǔn)確性在提高焊接質(zhì)量方面起著舉足輕重的作用，回流焊機(jī)的焊接溫度精度與系統(tǒng)本身的參數(shù)和控制算法有著非常密切的關(guān)系，研究回流焊機(jī)的數(shù)學(xué)模型并選擇合適的溫度控制算法具有重要的工程實際意義。

1.建立回流焊機(jī)溫度系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

一般烤箱的內(nèi)部從左到右分為8個溫度區(qū)，其中溫度區(qū)1和2是加熱區(qū)，將要連接的電路板進(jìn)入充電機(jī)器在該地區(qū)很熱;溫度區(qū)域3、4和5用于蓄熱區(qū)域，根據(jù)熱空氣接點(diǎn)RBF-PID的溫度控制進(jìn)行加熱RBF-PID 33，電路板在該區(qū)域中被均勻加熱;溫度區(qū)域6和7是補(bǔ)充區(qū)域，即聯(lián)合區(qū)域;最后的第8個溫度區(qū)是冷卻區(qū)。列鏈驅(qū)動PCB電路板以均勻的速度通過烤箱內(nèi)膽安裝。

為了簡化充填接頭溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，做出以下假設(shè)：1）爐壁和爐壁被絕緣石棉隔開，并且不考慮彼此之間的熱交換;2）同一溫度區(qū)域內(nèi)的空氣成分相同，即同一溫度區(qū)域內(nèi)的空氣物理參數(shù)相同。在同一溫度區(qū)中的空氣對流過程中，僅進(jìn)行質(zhì)量交換而沒有熱交換。3）相同的溫度區(qū)域是一個整體，盡管溫度區(qū)域邊緣的溫度變化很小，但所有內(nèi)部點(diǎn)的溫度都相同。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，當(dāng)將某個溫度區(qū)域視為一個整體時，流入和流出該溫度區(qū)域的能量將得到保留。如下所示：

Q4= Q4 out（1）Q4 in = ChHh（t）（t-Td）（2）Q4 out = Q3-4+ Q4-5+ Q烤箱壁+ QPCB +鏈Q(jìng) =ρCρVin（t）（T4-T3）+ρCρVin（t）（T5-T4）+ hcAc（t）（T4-Tout）+ρbCbVb（t）（T4- T3）+ρbCbVb（t）（T4-T5）+ρlClVl（t）（T4-T3）（3）Vb（t）= vst（4）

其中：輸入Q4和輸出Q4分別是輸入熱量和出口第四溫度區(qū);爐壁Q3-4，Q4-5和Q分別是從第四溫度區(qū)到第三溫度區(qū)，第五溫度區(qū)和爐壁的輻射熱。 QPCB和Q鏈?zhǔn)菑腜CB板接收的熱量，而鏈去除的T5，T4和T3分別是溫度區(qū)5、4和3的瞬時溫度，它們隨時間變化。 Ch是補(bǔ)給熱源的電導(dǎo)率;Hh（t）是設(shè)備輸出的熱量輸出函數(shù);ρ是空氣的密度，1.2 kg / m3;Cρ是煤氣爐在一定體積下的比熱容。1.005 J /（kg ℃）[10]; hc是填充接頭的隔熱層與烤箱溫度區(qū)中的氣體之間的熱交換系數(shù); Ac是筆芯耦合機(jī)隔熱層的面積，m2; Vin是PCB板的流量直流耦合機(jī)爐膛中的空氣流量m3/ s;ρb是PCB基板的密度，1.9 g / cm3; Cb是PCB基板在恒定體積下于20℃，1。28 kJ /（kg ℃）FR-4銅材料的比熱容[11]; Vb是單位時間內(nèi)通過補(bǔ)料機(jī)第三個溫度區(qū)的PCB板的體積，m3; v是傳送帶的傳送帶速度，m / s; S是PCB板的橫截面積，m2; t是時間，s;。合成公式（1），（2），（3）和（4）并進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，以獲取填充點(diǎn)耦合溫度第四區(qū)域中的動態(tài)溫度模型關(guān)系。

2.RBF控制

2.1RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

是前面的三層網(wǎng)絡(luò)，由輸入層，輸出層和隱藏層組成。具有最強(qiáng)的逼近能力和克服局部最小值的能力。輸入隱藏層與其他隱藏層之間的映射關(guān)系稱為非線性映射，輸入隱藏層分別對應(yīng)于目標(biāo)溫度，實測環(huán)境中的溫度和目標(biāo)環(huán)境中的溫度偏差 ek ，隱藏層與其他輸出隱藏層之間的映射關(guān)系稱為映射線性層和其他輸出隱藏層分別為映射線性系數(shù) kp ，積分系數(shù) ki 和微分系數(shù) kd，通過動態(tài)參數(shù)調(diào)整找到近似的最佳PID參數(shù)，以獲得最佳的近似性能。

2.2RBF-PID 控制系統(tǒng)設(shè)計原理

RBF-PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種擁有強(qiáng)大的機(jī)器人學(xué)習(xí)及其自適應(yīng)能力的新興技術(shù)，可以收斂到最優(yōu)的全局解。因此，它可用于在線調(diào)整PID控制器的設(shè)置，以補(bǔ)償PID控制器設(shè)置的不足，該不足不會隨外部參數(shù)的變化而改變。它是具有自適應(yīng)和自我調(diào)節(jié)功能的控制器。許多研究人員將基本徑向函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制算法相結(jié)合，并將其應(yīng)用于控制系統(tǒng)，取得了良好的效果?；诖?，本文將RBF和PID結(jié)合起來用于充電合溫度控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的控制原理如下所示：

結(jié)語

“RBF-PID”是一種用于控制溫度、水位以及速度等的一種控制系統(tǒng)，其具有控制結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。但是在使用之前，需要先明確的PID控制器的相關(guān)參數(shù)才能使用PID對溫度進(jìn)行控制，再加上PID的參數(shù)需要借助相關(guān)的專業(yè)人員才能獲取，從而導(dǎo)致PID有時會出現(xiàn)控制力度以及準(zhǔn)確性不高的情況出現(xiàn)。因此提高回流焊機(jī)的溫度控制準(zhǔn)確性在提高焊接質(zhì)量方面起著舉足輕重的作用，回流焊機(jī)的焊接溫度精度與系統(tǒng)本身的參數(shù)和控制算法有著非常密切的關(guān)系，研究回流焊機(jī)的數(shù)學(xué)模型并選擇合適的溫度控制算法具有重要的工程實際意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]季鵬， 劉維亭， 張懿，等. 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶電站PID控制器研究[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)）， 2020（2）.

[2]張雯， 王耀弘， 周中木. 一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國計量， 2020（5）：87-89.

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