Общие сведения об автоматизации сварочных процессов и автоматическом регулировании сварочного оборудования

Объекты автоматизации

Все, что говорилось в теории автоматического управления о динамических звеньях, относится и к объекту автоматизации. Для построения автоматической системы необходимо знать статические и динамические характеристики объекта автоматизации. В дополнение к сведениям из курса «Управление техническими системами» в объекте в отличие от других динамических звеньев есть приток (вещества, энергии) и сток (расход). Если приток и сток равны – статическое равновесие, если нет – переходный процесс. Кроме этих характеристик объект обладает емкостью, самовыравниванием и запаздыванием. Емкость объекта – это способность его накапливать энергию, вещество и т.п. Чем больше емкость, тем меньше скорость изменения регулируемой величины и проще задача автоматизации. Емкость обуславливает инерцию объекта. Если в одномерном объекте под действием регулярного скачкообразного возмущения происходит асимптотический процесс нарастания выходного сигнала до определенного уровня, то такой объект обладает положительным самовыравниванием и является статическим. При положительном самовыравнивании объект регулирования является устойчивым. В автоматизации сварочных процессов и оборудования для сварки при реальных возмущениях объекты как правило устойчивы и основной задачей автоматического управления является обеспечение требуемого качества регулирования. Как известно, качество регулирования существенно зависит от временных параметров звена (объекта). В объектах различают время запаздывания переходное (емкостное – характеризуется постоянной времени) и передаточное (чистое запаздывание). Передаточное запаздывание снижает устойчивость автоматической системы и качество регулирования. Чем больше переходное запаздывание (медленнее реакция объекта на возмущение), тем проще задача регулирования, а чем больше передаточное запаздывание – тем сложнее обеспечить требуемые параметры качества.

В большинстве процессов сварки происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Так при наиболее распространенной дуговой сварке электрическая энергия из промышленной сети в источнике питания преобразуется в форму, соответствующую сварочной дуге (источнику нагрева), а затем при помощи сварочной дуги в термическое воздействие на свариваемый металл изделия. Таким образом получение сварного соединения является функционированием системы «источник питания – источник нагрева – изделие». Отдельные составляющие этой системы связаны между собой обратными связями, которые вызывают изменения состояния всех компонентов при изменении одного из них. Эти параметрические обратные связи образуют два контура. Первый охватывает источник питания и дугу (источник нагрева), второй: сварной шов (изделие) – дуга, электрод, рис. 2.

Рис. 2. Схема процесса дуговой сварки

В общем случае можно считать, что это многосвязная система с многомерным объектом, которым является сварной шов. Параметры процесса сварки (входные контролируемые переменные объекта) можно условно разделить на три группы:

- энергетические, характеризующие вклад энергии в процесс образования соединения (напряжение, ток, мощность источника нагрева, усилие сжатия и т.п.);

- кинематические, определяющие пространственное положение источника нагрева или его перемещение (скорость перемещения источника нагрева, скорость подачи проволоки, скорость оплавления и осадки, вылет электрода, частота и амплитуда поперечных колебаний и др.);

- технологические, характеризующие условия формирования и кристаллизации соединения, перенос электродного металла (пространственное положение соединения, параметры разделки шва, зазор между деталями, диаметр электрода, способ защиты расплавленного металла и др.).

На все составляющие системы, обеспечивающие эти параметры, в процессе сварки действуют возмущения, вызывающие нарушения заданных режимов и приводящие к отклонениям от требуемых показателей качества сварного соединения. Источниками энергетических и кинематических возмущений является промышленная сеть и сварочное оборудование. Для дуговой сварки это источник питания, аппаратура управления, электроприводы и т.д. Для технологических возмущений – погрешности технологии подготовки соединения под сварку и сборку, нарушение защиты расплавленного металла при сварке и т.п.

Так как тепловые процессы значительно медленнее, чем электрические, то не все возмущения будут оказывать влияние на качество сварного соединения, а только те, длительность которых соизмерима с длительностью процессов плавления и кристаллизации металла. Процесс формирования соединения как и любой инерционный переходный процесс характеризуется тепловой постоянной времени Т_т. Тепловая постоянная времени определяется свойствами металла, энергетическими характеристиками источника нагрева, объемом расплавленного металла и т.д. Если время действия возмущения t_в << Т_т, то такое возмущение не приведет к нарушению процесса и не отразится на качестве (геометрии сварного соединения). Так же, если частота периодических возмущений f_в >> 1/Т_т, то это не ухудшит качество соединения, если амплитуда их ограничена условиями устойчивости процесса. Так для сварки под флюсом проволокой диаметром 5 мм Т_т = 0,5 с и, соответственно допустимое f_в > 2 Гц. В связи со сложностью процесса образования сварного соединения и оценки влияния отдельных параметров непосредственно в процессе сварки в многомерной системе, задача автоматизации обычно упрощается переходом к одномерному или к двухмерному объекту и к управлению по возмущению или комбинированному. Например, если применяется система стабилизации напряжения дуги при сварке, то для объекта «сварной шов» это управление по возмущению. Если при этом дополнительно контролируется глубина проплавления (считаем объект одномерным) с воздействием на сварочный ток, то это система с комбинированным управлением. При автоматизации сварочных процессов в качестве объектов выбирают и другие составляющие вышеописанной системы. Для дуговой сварки это может быть источник питания, сварочная дуга, сварочная горелка (положение её в пространстве), электропривод и т.д. В сварочном оборудовании при вышеуказанных упрощениях решаются задачи стабилизации режимов, задание нужного пространственного положения при сварке, программное управление и т.п. Внедрение микропроцессорной техники позволяет перейти к более сложным задачам оптимизации управления процессом сварки, построением адаптивных и самонастраивающихся систем, прогнозированию качественных показателей сварных соединений в процессе сварки. Решение этих задач возможно, если составить более-менее точную математическую модель сварочного процесса, связав его контролируемые входные параметры с выходными регулируемыми величинами, т.е. провести его идентификацию. Математическая модель может быть детерминированной, т.е. представленной в виде уравнений статики или динамики процесса. Более сложными и более точно отражающие процесс являются уравнения динамики. Другим способом получения математической модели является установление связей статистическими методами через уравнения регрессии (недетерминированная модель). Этот способ широко применяют для многомерных объектов, когда составление аналитических зависимостей представляет слишком сложную задачу, так как вычисления по громоздким моделям приводят к значительным ошибкам. При упрощенных методах, когда рассматривают только отдельные компоненты сварочного процесса, например анализ устойчивости дуги в системе источник питания – дуга (без коротких замыканий), то, как известно из курса «Источники питания сварочной дуги», в этом случае получаем детерминированную математическую модель, представляющую собой дифференциальное уравнение второго порядка, которое может быть проанализировано известными из теории автоматического управления методами.