（电力电子与电力传动专业论文）脉冲mig焊控制方法及其应用.pdf

两华大学硕七学位论文 制 i 关键词1 脉冲m i g 焊，综合控制法，逆变电源，数字p i d 控制，模糊控 l i 西华大学硕士学位论文 t h ec o n t r o lm e t h o di np u l s em e t a li n e r t i ag a s w e l d i n ga n d i t st h e a p p l i c a t i o n p o s t g r a d u a t e ：c h e nr i b os u p e r v i s o r ：d o n gx i u c h e n g a b s t r a c t t o d a y , t h ew e l d i n gt e c h n o l o g yh a sb o o nw 遍鼯p r e a du s e di nt h ei n d u s t r y a so n e k e yt e c h n o l o g y , i th a sb e e nt h ei m p o r t a n tp a r to f t h em o d e m 曲m l s 略a so n eo f t h e h i g h - q u a u t yw e l d i n gt e c h n o l o g y , t h ep i l l 辩m i gw e l d i n gi sw i d e l ya p p l i e dt om a n y 缸记嘲鼯 t ol _ e a l i z eo n e - p u l s e - o n e - d r o p l e tt r a n s f e rd u r i n gw e l d i n gp r o c e s si st h ek e yo n e o f p u l s e d i gw e l d i n gc o n t r o lt a s k s m a n ys p e m l 豳h a v em a d eag r e a to f r e s e a r c h a b o u ti t , a n dp r e s e n t e dm a n ye f f e e l i v ec o n n o lm e t h o d i nt h i s 群i p 鹎s e v e r a lk i n d so f e l e c t r o n i cp a r a m e t e re o n m ) lm e t h o di np u l s em i g w e l d i n ga l ec o m p a r e da n ds m d i e d , a n dt h eb a s ec o n c e p ta n dk n o w l e d g ea b o u ti t , d i g i 诅lp i dc o m r o la n df u z z yl o g i c c o n t r o li si n t r o d u c e da n dd i s c u s s e d a tl a s t , c o m b i n i n gw i t has c h e m eb l o c kd i a g r a m o f p u l s em gw e l d i n gc o n t r o ls y s t e m , a n du s i n gp 1 d c o r g r o la n df u z z yl o g i cc o n t r o l a si m p l o m o n 切a yp o l i c y , w ed i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o no ft h ei n t e g r a t i o nc o n t r o l m e t h o dt oo b t a i nt h ef i x e d 幽p a r a m e t e r sa n dt h es t e a d yl e n g t ho f a r c i k e y w o r d s l ：p u l s em i gw e l d i n g , i n t e g r a t i o nc o n t r o lm e a a o d , i n v e r t e rs u p p l y , d i 画协lp i dc o n 仃o l , f u z z yl o 舀cc o n t r o l i i l 西华大学硕十学位论文 申明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：儒日波加回月多f 日 一獭久嗲押) 芦 西华大学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 四川省信息与信号处理重点试验室 1 2 研究的目的和意义 m i g 焊全称m e t e li n e r tg a s a r cw e l d 堍，即有惰性气体保护的熔化极焊。 脉冲m i g 焊是一种焊接质量较高的熔化焊方法，较多用于高性能的自动 焊场合，它集高效优质和自动化于一体，它的突出优点表现为：1 ) 焊接电流 调节范围比较宽：2 ) 弧长短，电弧指向性好，适用于全位置焊接。3 ) 采用脉 冲电流后，脉冲m i g 焊可在平均电流小于临界电流值的条件下获得射流过渡， 可有效控制热输入量。4 ) 熔滴过渡过程可控性比较强，因而均匀可靠，飞溅 少，焊缝成型美观，等等。由于脉冲m i g 焊的这些优点，使其应用范围已越 来越广，特别是在焊接热敏感性材料、全位置、窄间隙、单面焊双面成形等方面 的应用更引人注目。 9 2 4 1 2 9 在保证焊接产品质量和提高劳动生产率等因素的促进下，对电焊机控制提 出了更高的要求。另外，由于计算机技术、人工智能、电子技术等发展和研究， 也为电焊机控制提供了有利的技术基础。当然，也促使包括脉冲m i g 焊控制 方法在内的控制技术不断改进和提高。闭 基于此，本论文对脉冲m i g 焊控制方法及相关知识作了认真研究学习， 由此初步了解了焊接控制技术的发展现状及趋势，及基本知识。 1 3 国内外现状和发展趋势 1 3 i 孤焊教术发辰现状和发袅趋势周州闭 近年来随着人工智能技术、计算机视觉技术、数字化信息处理技术、机器 人技术等现代高新技术的溶入，促使弧焊技术正朝着焊接高速高效化、焊接控 制数字化、控制系统智能化方向发展。 目前高效率的焊接工艺主要有：多丝多弧焊接工艺，例如双丝m i g m a g 焊， 激光_ m i g 焊等：多元气体保护焊接工艺，如t i 脏焊( 一种高效m a g 焊) ：活 西华大学硕士学位论文 性化焊接新工艺等。在要求实现稳定的高质量的焊接的前提下，多丝多弧焊接 工艺在增加对母材和焊丝的总能量输入的同时，通过合理地配置用于形成熔池 和熔化焊丝的瞬时功率，从而提高熔敷效率。多元气体高速度焊接的工艺，也 是在保证良好的焊缝保护的前提下，改变电弧保护气体成分来影响电弧形态， 增加焊丝熔焊率来实现的。活性化焊接技术是通过改变表面张力分布来影响熔 池金属的流动方式、从而增加焊缝熔深、改善焊缝成形的途径来提高焊接效率。 焊接控制数字化是指用计算机技术来控制焊接设备的运行，使其满足和达 到焊接工艺所提出的要求，以得到完全合格的焊缝。数字化焊接电源实现了柔 性化控制和多功能集成，具有控制精度高、系统稳定性好、产品一致性好、功 能升级方便等优点。如f x o n i u s 公司的t r a n s p l u ss y n e r g i c2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 系列产品在一台焊接上实现了m i g 佛g 、t i g 和手工电弧焊等多种焊接方法， 可存储近8 0 个焊接程序，实时显示焊接规范参数，通过单旋钮给定焊接规范 参数和电流波形参数，可以实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制。同时，此类 焊接电源还可以通过网络进行工艺管理和控制软件升级。 智能控制的基本特点是不依赖或不完全依赖被控对象的数学模型，而主要 利用人的操作经验、知识、推理技术以及控制系统的某些信息和性能得出相应 的控制动作。因此智能控制技术非常适用于具有不确定性和非线性的弧焊过程 控制。近年来，以专家系统、模糊控制、神经网络为代表的智能控制理论在弧 焊中得到越来越广泛的应用。目前，在弧焊过程控制中，专家系统主要用于熔 深和熔宽控制、电弧稳定性控制、焊缝跟踪和规范参数的专家知识优化等方面： 模糊及其复合控制多用于电弧稳定性控制，神经网络利用其“学习”功能主要 用于熔深和熔宽的检测，再与模糊控制器结合完成焊接质量和焊缝的跟踪。随 着智能控制研究的不断深入，神经网络、专家系统、模糊控制已经开始相互渗 透和结合，使得控制系统具有更强的自适应、自学习、自组织和更好的控制品 质。 在现代制造业生产中，焊接作为重要的工艺方法之一，应用越来越广泛。 由于计算机技术、控制理论、人工智能、电子技术及机器人技术的发展，为焊 接过程控制提供了十分有利的技术基础。焊接自动化、机器人化以及智能化已 成为趋势。 2 西华大学硕士学位论文 1 3 2 脉冲m i g 焊电参数控制方法的发辰现状p l l l 5 i 阎 脉冲m i g 焊接电源输出的电流波形参数众多，它包括基值电流、峰值电流、 基值电流时间、峰值电流时间、峰值电流上升斜率、峰值电流下降斜率等，因 而参数设置与匹配比较复杂。a m i n 等最早提出了s y n e r g i c 控制法，根据送丝 速度的变化自动匹配电流脉冲参数，从而使熔化速度和送丝速度相适应，而保 持弧长的稳定。该控制方法对送丝速度以外的因素引起的弧长扰动没有调节作 用，因为它对弧长( 电弧电压) 的扰动两言是开环控制。另外，有一种控制方 法是弧长闭环控制法，其基本原理是利用弧长信号闭环反馈控制脉冲参数。例 如离散闭环控制系统，该系统通过采样每一周期中脉冲的某个特定对应点的电 弧电压作为弧长信号闭环反馈，调整脉冲参数( 基值电流) ，实现对脉冲m i g 焊弧长的控制。但这种控制方法的弧长控制性能和抗干扰能力有限。为此， q h - a r c1 0 3 控制法采用多折线外特性，成功实现了弧长的闭环控制。但没有 实现对熔滴过渡的精确控制，个脉冲周期内可能过渡一个熔滴，也可能过渡 多个熔滴，无法保证熔滴过渡的均匀致性。于是，出现了在保持单元电流脉 冲能量恒定的前提下，对弧压进行反馈控制的综合控制法，从而实现了一脉一 滴控制。 1 4 本文研究的主要内容 脉冲m i g 焊是一种先进的焊接工艺，它具有焊接质量赢工艺适应性宽等 诸多优点，在工业上得到了广泛的应用。 近年来由于对焊接质量和效率的要求的提高，以及现代高新技术的溶入， 促使脉冲m i g 焊控制技术正朝着数字化、智能化、自动化方向发展。 本文围绕脉冲m i g 焊电参数控制方法展开讨论。文中讲述了数字式逆变脉 冲m i g 焊机相关基本知识和控制系统基本组成，以及数字p i d 控制和模糊控 制，并讨论了以p i e ) 控制、模糊控制为控制策略的综合控制法的应用。 首先，文章介绍了脉冲l v l i g 焊机的构成及有关基本知识，以及运用综合 控制法的脉冲i v l i g 焊机控制系统要解决的重要问题：保证脉冲电流参数恒定， 保持弧长稳定，并就此详细讨论了对脉冲m i g 焊电源的要求。而后讲述脉冲 m i g 焊的电参数控制方法，包括s y n e 嚷i c 控制法、闭环控制法、综合控制法等， 两华大学硕七学位论文 并进一步说明了综合控制法的实现、要求。 接着，文章讨论了脉冲m i g 焊机控制方法实现策略的有关基本知识，主 要介绍了数字p i d 控制算法和模糊控制。 最后，围绕综合控制法的应用，结合一个数字式逆变脉冲m i g 焊机的原 理框图，介绍了有关器件的使用及数字p i e ) 控制算法和模糊控制的应用。 4 西华大学硕士学位论文 第二章脉冲m i g 焊基础知识 2 1 脉冲m i g 焊基本概念阑阑 焊接：通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达 到结合的一种加工方法。 熔焊：将待焊处母材金属熔化，但不加压力以形成焊缝的焊接方法。 电弧焊：利用电弧作为热源的熔焊方法，简称弧焊。 脉冲电弧焊：由脉冲电源输出脉冲能量，向焊接电弧提供脉冲电流的电弧 焊。 熔化极电弧焊：利用金属焊丝作为熔化电极进行焊接的弧焊方法。 气体保护电弧焊：用外加气体作为电弧介质，并保护金属熔滴、焊接熔池 和焊接区高温金属的电弧焊方法，简称气体保护焊。 ( ；m a w ：熔化极气体保护电弧焊 脉冲n i g 焊：有惰性气体保护的熔化极脉冲电弧焊。 焊机：供完成各种焊接工艺操作的专用设备，包括焊接电源、控制箱、焊 接机头或焊枪、焊炬、焊钳等。 电焊机：把电能直接转化为热能的焊机。 电弧焊机：利用电弧热量熔化金属而进行焊接的设备。 脉冲弧焊机：提供脉冲电流而进行焊接的弧焊机。 熔化极气体保护焊机组成：由焊枪、送丝机构、焊接电源、控制回路、气 路和水路组成。 脉冲舡g 焊机就属于熔化极气体保护脉冲弧焊机。 熔池：熔焊时，在焊接热源作用下，焊件上形成的具有一定几何形状的液 态金属部分。 熔滴：电弧焊时，在焊条或焊丝端部形成的，并向熔池过渡的滴状液态金 属。 熔滴过渡：电弧焊时，在焊条或焊丝端部形成的熔滴通过电弧空间向熔池 转移的过程。主要分成粗滴过渡，短路过渡，喷射过渡。 脉冲i g 焊最佳的熔滴过渡形式是脉滴。 西华大学硕士学位论文 焊接过程：实现焊接连接的整个工艺过程。 焊接工艺：与制造焊件有关的加工方法和实施要求。包括焊接准备、材料 选用、焊接方法选定、焊接参数、操作要求等。 电弧焊过程控制的主要问题：焊接过程程序控制、恒定参数控制及焊缝质 量控制等部分。 焊接过程程序控制：利用控制装置代替操作人员实现焊接过程的一系列程 序操作。 恒定参数控制：通常，如果在焊接过程中保证主要焊接参数稳定，就可以 保证焊接过程稳定并保证焊接质量。恒定参数控制是应用比较广泛的控制手 段。 焊缝质量控制：主要包括焊缝跟踪及熔透控制两方面。在电弧焊接过程中， 首先应该使电弧与焊缝对中，这是保证焊接质量的关键。焊缝自动跟踪传感器 的研究占据焊接传感器的主导地位。另外，还有实时控制焊接质量，即在焊接 过程中检测焊件坡口状况和熔池状况，以实时调整焊接参数，保证焊接质量。 本文讨论的控制方法属于恒定参数控制。 上面，介绍了脉冲m i g 焊的有关概念。 本文研究的对象是脉冲m i g 焊机，主要包括送丝机构、逆交弧焊电源和控 制回路。 本文讨论的主要问题是脉冲m i g 焊电参数控制方法及其应用。 脉冲m i g 焊控制方法实现的目标是保证焊接过程中脉冲参数和弧长稳定， 获得最佳熔滴过渡方式一脉一滴。这些最终转化为控制器对弧焊电源和送 丝机送丝速度的控制。 2 2 逆变脉冲m i g 焊机控制系统基本组成 论文讨论的问题仅仅涉及电弧焊过程控制中的恒定参数控制( 即控制电弧 电压以及电弧脉冲电流参数) ，并不涉及焊接过程程序控制和焊缝质量控制， 所以在讨论脉冲m i g 焊机控制系统原理时主要包括送丝机、逆变弧焊电源和控 制回路。 6 两华大学硕士学位论文 2 2 1 焊接过程控制系统阑 焊接过程控制系统一般为闭环控制系统，它包括被控对象、检测环节、比 较器、执行机构四部分。如图2 1 所示。 图2 1 焊接过程控制系统 检测系统用于检测被控对象的状态，并进行信号转换；比较器用于比较检 测信号值和理想设定值，求出被控对象实际状态与理想状态偏差；控制器根据 此偏差，采用一定的算法求出个合适的控制信号给执行机构；执行机构根据 控制信号执行相应的动作，以纠正被控对象状态偏差。 2 2 2 脉冲m i g 焊控制系统 图2 2 脉冲m i g 焊控制系统 7 西华大学硕士学位论文 脉冲m i g 焊控制系统如图2 2 所示。在脉冲m i g 焊中，被控对象参数是电 弧的电参数。在下节中，主要介绍脉冲m i g 弧焊机执行机构：逆变电源和送丝 机。 2 3 逆变电源和送丝机嗍 采用逆变电源的电焊机即逆变焊机。由于其在技术上的先进性及潜在的经 济价值，使其发展很快，现在，逆变焊机已成为国际焊接设备市场的主要发展 方向。 2 3 1 孤焊逆变电源介铝 弧焊电源是供给弧焊所需电能，并具有适宜于弧焊电气特性的设备。它是 焊缝成型的主导因素，在焊接过程控制系统中是最重要的执行机构。 1 ) 逆变电源特点 逆变电源由于高效节能，重量轻，体积小，动态响应快，控制能力强，使 其成为焊接过程控制的首选电源。 2 ) 逆变电源原理 首先把工频交流转换成高压直流，而后控制逆变电路中的大功率开关管 ( 麟f e t 、i g b t 等) 把高压直流电压变换成高频高压交流电压，再利用高频变 压器降为要求的高频交流低电压( 适于弧焊的电压为几十伏左右) ，最后经整 流器和滤波器变为直流电压。 3 ) 逆变电源调节机制 目前，逆变焊机主要采用p f y m 调节机制，即逆变电路控制频率不变，通过 改变功率管开启脉冲宽度t o n 来调节电源输出。由于逆变电源输出电压u o 正 比于逆变电路控制占空比q ，所以脉冲宽度越大，输出电压越高。另外，还有 一种p f b l 调节机制，即脉冲宽度保持不变，通过改变脉冲频率来调节电源输出， 这种调节机制仅在早期的晶闸管式逆变电源中采用。 4 ) 逆变电源分类 根据使用的大功率开关器件，逆变弧焊电源可分为晶闸管式逆变电源、晶 体管式逆变电源、场效应管式逆变电源和i g b t 式逆变电源四类，其中i g b t 式 西华大学硕士学位论文 逆变弧焊电源是目前的发展方向。根据主电路拓扑结构，逆变弧焊电源可分为 全桥式、半桥式、双管单端正激式和推挽式四种，全桥式逆变电源在弧焊电源 中应用最广。 2 3 2 逆变电源控制系统组成 逆变电源控制系统组成如图2 3 所示。 图2 3 逆变电源控制系统 其中，脉宽调制电路( p 嘲) 目前已非常成熟，可选用型号众多，如m c 3 2 4 0 ， s g 3 5 2 4 5 6 等。单片机根据一定的算法或规则，把误差转换成合适的控制信号， 控制p 咧电路，完成对电源输出的调节。 2 3 3 送丝栅介绍 焊接过程的稳定性不仅和电源性能有关，而且和送丝的稳定性有关。通常 送丝机的驱动电机为印刷直流电机。直流电机的机械特性曲线如图2 4 所示， 它表示电机转速n 和转矩m 的关系，为了保证焊丝送进均匀，应当选用硬特性 的电机，如曲线l 所示机械特性。 送丝机调速中采用最多的方式为电枢电压调速。这种调速方式机械特性较 9 西华大学硕士学位论文 硬，并且电压降低后，机械特性硬度不变，稳定性较好，可以均匀调节电枢电 压，得到平滑的无级调速，调节范围较大。改变电枢电压时的机械特性如图2 5 所示。 电机的自然机械特性是一条缓降的直线，为了提高电机机械特性的硬度， n i i 图2 4 直流电机机械特性曲线图2 5 改变电枢电压时的机械特性 以获得更加稳定的转速，可以采用转速自动调节方式。其原理是，当负载加大 时，根据一定的关系自动调节电枢电压，使转速基本不变。 2 4 脉冲m i g 焊对逆变弧焊电源基本性能的要求 文中研究的脉冲m i g 焊机控制系统所要控制的对象是电弧，所以先对焊接 电弧及其特性作一个简单介绍，而后讨论对逆变弧焊电源性能的要求。 2 a 1 焊接电孤特性阴 电弧是一种气体放电现象，它能把电能有效地转化为热能、机械能和光能。 焊接电弧中可i 禹过很大范围的电流，可从几安到几千安，电弧具有很高的温度， 弧柱中心温度可达5 ( d o - - 3 0 0 0 0 k ，维弧电压低，仅1 0 5 0 伏。 1 ) 焊接电弧静特性 在电极材料、气体介质、弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流 与电弧电压变化的关系，也称为伏一安特性。如图2 6 。 图中电弧静特性曲线分为三部分：a b 段为负阻特性，也称下降特性；b c 段为水平特性；c d 段为上升特性。国家标准中规定了不同焊接方法的电弧静特 性( 或称负载特性) 。 1 0 西华大学硕士学位论文 电弧电压决定于弧长，所以当弧长增加时，电弧静特性曲线上移，反之， 静特性曲线下移。 图2 6 电弧静特牲曲线 b 段。下降特性段b c 段水平特性段c d 段一e 升特性段 2 ) 焊接电弧动特性 对于一定弧长的电弧，当电弧电流发生连续快速的变化时，电弧电压与电 流瞬时值之间的关系。 对于脉冲m i g 焊，电弧电流快速变化发生在如下时刻或期间：短路过渡期 间、脉冲沿、引弧期间。 2 4 2 脉冲m i g 焊电流波形瓦参数0 2 l 阎 脉冲m i g 焊电流波形如图2 7 所示。其主要脉冲参数有：基值电流i b ，脉 冲电流i p ，基值时间t b ，脉冲时间t p ，脉冲电流上升率( 脉冲前沿斜率) ， 脉冲电流下降率( 脉冲后沿斜率) 等。正确选择和组合这些参数，就可以在有 效控制熔滴过渡，熔池的形成和焊缝结晶。下面针对综合控制法进行说明。 州u l 七 图2 7 脉冲m i g 焊电流波形 i p 、t p 的设定一般根据实际测试数据将其固定，实现熔滴喷射过渡：在 脉冲间歇期间，基值电流i b 用于维弧。i b 也宜固定在某个值，原因是，若i b 西华大学硕士学位论文 太小易使电弧不稳定，甚至熄灭，太大易在维弧阶段发生大滴过渡，干扰正常的 熔滴过渡，而失去脉冲焊优势。t b 可调，以控制焊丝熔化速度。 脉冲电流上升率和脉冲电流下降率应保证脉冲波形不失真。 2 4 3 逆变孤焊电源基和睦能要求起i 闯 弧焊机对逆变电源的基本性能要求包括三方面：弧焊电源外特性、弧焊电 源调节特性和弧焊电源动特性。 1 ) 弧焊电源外特性 外特性指稳定状态下电源输出电压与输出电流的关系曲线，又称为弧焊电 源静特性，是弧焊电源的重要性能。弧焊电源外特性主要有两大类：平特性和 下降特性。平特性又称恒压特性，下降特性又分为缓降特性、陡降特性和垂降 特性三种，其中垂降特性又称恒流特性。一般电源外特性取决于电弧静特性， 例如细丝熔化极气体保护焊为保证弧长稳定，利用弧长自调节原理，采用恒压 特性电源配合等速送丝方式。在脉冲i d l g 焊中，采用脉冲电流供电，等速送丝 方式，电源外特性曲线是两条恒流外特性曲线，即脉冲电流i p 和基值电流i b 。 2 ) 弧焊电源动特性 弧焊电源动特性是指在电弧负载发生突然变化时，弧焊电源输出电流与输 出电压的响应过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系，即 u = f ( t ) ，i = g ( t ) 表示。 它说明弧焊电源对负载瞬态变化的适应能力。动性能指标有空载到短路的 瞬时短路电流峰值、负载到短路的瞬时电流上升率和短路电流峰值、短路到空 载的电压建立时间等。对于脉冲m i g 焊，在脉冲的边沿处，相当于电弧工作点 发生突变，为了便于讨论，还包括2 3 2 小节提到的脉冲电流上升率和脉冲电 流下降率。 动特性是弧焊电源的重要性能，它影响过渡过程的稳定性。 3 ) 弧焊电源调节特性 电弧电压和电流由电弧静特性曲线和弧焊电源外特性曲线的一个交点决 定的，此交点即稳定工作点。为了获得一定范围的焊接电流和电压，以满足弧 焊工艺要求，弧焊电源外特性必须可以均匀调节。 西华大学硕士学位论文 2 m a 脉冲m i g 焊对逆变孤焊电源的要求仁i 嘲 为了保证脉冲m i g 焊的脉冲电流波形不失真，要求弧焊电源具有两条恒流 外特性曲线，即在基值期间，尽量保持i b 稳定，在脉冲期间，尽量保持i p 稳 定。另外，还要求弧焊电源在脉冲的上升沿和下降沿具有较快的动态响应。 m 1 6 焊引弧一般采用接触法，焊丝与工件接触，由接触电阻产生的热量，使 焊丝端部熔化，产生电弧。这时，要求弧焊电源能够输出所需的引弧电流和电 流上升率( d i d t ) 。 在实际焊接过程中，由于各种干扰的影响，熔滴与熔池的短路也是不可避 免即存在“负载短路一负载”的瞬态过程。此时，要求短路电流大小和短路电 流上升率都要适当，只要能产生一定的电磁收缩力，使熔滴顺利过渡即可。若这 两个参数过小，则短路时间增大，熔滴难以断开，产生大颗粒金属飞溅，电弧难 以复燃，甚至造成焊丝插入熔池，形成固态短路，使电弧长时间熄灭，引起焊丝 成段爆断：反之，则造成大量小颗粒金属飞溅，金属烧损严重，焊缝成形不良。 脉冲m i g 焊中，引弧短路、熔滴过渡短路、脉冲沿有不同的动特性要求。 因此脉冲m i g 焊电源的动特性不应是单一的，而应该随电弧状态的变化而变化， 只有这样才能得到最佳的工艺效果，满意的焊缝质量。 逆变电源由于动态响应时间短，控制速度高，使得焊接电源动态控制成为 可能。另外，由于器件速度的提高，微机的应用以及现代控制理论方法的应用， 增强了逆变电源控制能力，显著提高了工艺性能。例如，对g m a w ( t i g 、m i g 、 m a g 、c 0 2 ) 焊能够进行精确的波形控制，精确地控制焊缝热输入和熔滴过渡， 焊缝成形最佳，焊接过程稳定。 2 5 本章小结 本章解释了脉冲m i g 焊有关基本概念，明确了研究对象：脉冲m i g 焊机， 讨论的问题：控制方法，实现的目标：保证脉冲电流参数恒定及弧长稳定。 其后说明了脉冲m i g 焊控制系统组成，及其执行机构逆变电源和送丝机。 对于控制方法要实现的目标，最终归结为对逆变电源的控制。 西华大学硕士学位论文 第三章脉冲m i g 焊控制方法 脉冲m i g 焊是一种焊接质量较高的熔化焊方法，它的突出优点表现为：焊 接电流调节范围较宽，既能焊接厚板，也能焊接薄板；采用脉冲电流后，可采 用较小的平均电流进行焊接，平均电流比g m a w 焊时的连续电流喷射过渡的临 界电流低，因此母材的热输入量低，焊接变形小；适用于全位置焊接：熔滴过 渡过程可控性比较强。因此它得到了重视。但是这种方法，焊接规范比较复杂， 参数众多，包括基值电流i b ，脉冲电流i p ，基值时间t b ，脉冲时间t p ，脉冲 电流上升斜率，脉冲电流下降斜率，以及送丝速度v f 等。它们之间必须匹配， 才能获得满意的电弧，同时，还必须有一定的抗干扰能力，否则，电弧就难以 保持稳定，影响焊接质量。传统的脉冲m i g 焊控制方法参数调节复杂，i b 、i p 、 t b 、t p 要靠人工调整，使之与送丝速度、弧长、和熔滴过渡相适应。当焊接条 件和焊接规范改变时，上述参数又要重新调整。另外这种方法抗干扰能力差。 为了简化焊接规范并使系统在受干扰的条件下稳定工作，实现一脉一滴的熔滴 过渡，多年来国内外对脉冲m i g 焊进行了深入的研究，提出了多种控制方法。 3 1 f 1 5 f 2 5 1 3 1 脉冲圳g 焊电弧的开环控制 这种方法以送丝速度确定脉冲参数，构成脉冲m i g 焊开环控制系统。 焊接操作时，只需确定三个工艺参数：i b 、i p 、t p ，另一个参数t b 随送 丝速度自动改变，系统框图如图3 1 所示。与传统脉冲m i g 焊控制方法相比， 这种控制方法简化了焊接规范的调节，又能在送丝速度的一定范围内实现工艺 参数自动控制。嘲 1 9 8 1 年，乩a i n 发表了s y n e r g i c 控制法。如图3 2 所示。与上一种方法 类似，这种方法也把送丝速度与脉冲参数相联系，不同的是，i b 、i p 、t p 、t b 四个脉冲参数都与送丝速度相联系，并用实验的方法确定送丝速度与这四个参 数的匹配关系。其原理如下：焊接电源外特性采用恒流特性，通过在两个恒流 1 4 西华大学硕士学位论文 外特性电源之间的切换实现脉冲焊接。根据送丝速度信号，按照预先确定的匹 配关系实现脉冲参数自动调节。该法进一步简化了焊接工艺参数调节，实现了 焊接电流在相当大的范围内自动调节，使得在预先确定的各种送丝速度下，都 可获得满意的弧长和熔滴过渡方式。与前种控制方法相同，s y n e r g i c 控制法 也是采用开环控制系统。嘲 i ， i b t p f 或t b 图3 1 脉冲m i g 焊电弧的开环控制系统 图3 2s y n e r g i c 控制系统 西华大学硕士学位论文 3 3 脉冲m i g 焊门限控制法 这种方法通过设立电弧电压门限值实现脉冲m i g 焊控制。其原理如下：系 统采用两个具有恒流外特性曲线的电源，焊接过程中，由于焊丝熔化和送进使 弧长变化，电弧电压也随之变化，当电弧电压达到设置的门限值时，控制系统 切换电源外特性，迫使电流突变，使得电弧电压不超过门限值，从而使弧长得 到控制。下面根据图3 3 进一步说明门限控制法。焊接过程中，电弧工作点位 于两条恒流外特性曲线i p ，i b 上，当电弧工作点在i b 上( 即基值期间) 时， 焊丝送进速度大于熔化速度，弧长变短，电弧工作点沿i b 特性曲线下移；当 达到门限值a 点时，控制系统把电源外特性曲线切换到i p ，即进入脉冲阶段， 此时，焊丝送进速度小于熔化速度，弧长变长，电弧工作点沿i p 上移；当达 到门限值b 时，控制系统把电源外特性曲线切换到i b 。如此循环，就实现了脉 冲m i g 焊脉冲参数自动控制，弧长控制在l a l 与l a 2 之间。只要a 点与b 点选 择合适，就可以实现稳定焊接。这种方法对弧长控制能力强。瞄】 u 0 图3 3 电源输出外特性曲线 3 4 脉冲m i g 焊电弧闭环控制法 为了改善脉冲m i g 焊弧长自调节性能，提出了一种闭环控制方法。它把送 丝速度与电弧电压同时与脉冲m i g 焊工艺参数相联系。其工作原理如下。系统 采用两个具有恒流外特性曲线的电源，分别由两个三极管控制开关；i b ，i p 预先设定，根据送丝速度，按照一定的数学模型确定脉冲频率，使熔化速度与 送丝速度基本相等，再引入电弧平均电压的负反馈来调整脉冲宽度t p ，构成一 个闭环控制系统。该方法对弧长扰动有一定的调节能力。圜 西华大学硕士学位论文 为改善电弧闭环控制系统的动态性能，又提出一种离散闭环控制系统。它 以每个周期中一个特定点的电弧电压代表弧长，作为反馈信号，通过计算机闭 环控制，调节基值电流i b 以保持弧长不变。伫习 3 。5q h - a r c l 0 3 控制法 这种方法采用一种多折线外特性电源，如图3 4 所示。外特性折线作用如 下：a 焊接电源空载电压；b c 段控制基值电流i b ，并保证维弧期间电弧稳定。 c d 段用于控制电弧工作点转换( i phi b ) ，同时还有保证弧长变化范 围的作用。d e 段控制脉冲电流i p 。腰和f g 段用于调节短路电流大小及其时 间，目的是方便引弧。其工作原理为：焊接过程中，当电弧工作点在d 时( 基 值期间) 弧长l l ，焊丝送进速度大于熔化速度，弧长变短，电弧工作点沿f f c 下移到c ，弧长变为l 2 ，此时系统迫使电弧工作点由c 跳变到，即进入脉冲 阶段，此时，焊丝送进速度小于熔化速度，弧长变长，电弧工作点上移，当达 到d 点时，弧长又变为l 1 ，系统再使电弧工作点跳变回。如此循环，就实现 了脉冲m i g 焊脉冲参数自动控制，弧长控制在l 1 与l 2 之间。l 1 和l 2 可预先 设定。盱a r c l 0 3 控制法成功实现了弧长的闭环控制。网 3 6 综合控制法 图3 4 多折线外特性曲线 该方法综合了s y n e r g i c 控制法、自适应闭环控制法等的优点，如图3 5 所 示。电弧电压和送丝速度的反馈信号均用于控制脉冲频率，而脉冲电流和脉冲 时间的单元能量恒定，以期得到一脉一滴的熔滴过渡。该方法弧长控制性好， 西华大学硕士学位论文 焊接质量高，只要保证脉冲电流肇和脉冲时间t p 满足一定的匹配关系，就能 实现一脉一滴。l 删 更进一步，还有文献提及通过调节脉冲电流和基值电流的时间来克服干伸 长对熔化速度和熔滴体积的影响，在保证一脉一滴过渡的同时还保证每个熔滴 的体积基本不变，从而使得熔滴过渡过程更加均匀、稳定。例 该控制方法不但保持s y n e r g i c 等控制方法的优点，而且对由非送丝速度 引起的弧长干扰有较强的自适应能力。 图3 5 运用综合控制法的脉冲m i g 焊控制系统 3 7 控制方法的实现、要求 上一章讲述了脉冲m i g 焊各种电参数控制方法。其中开环控制法首先把送 丝速度与脉冲参数联系起来，简化了焊接规范调节，而s y n e r g i c 控制法更进 一步提出了一元化调节思想，闭环控制法则探索了闭环控制弧长的方法，门限 控制法，尤其是q h - a r c l 0 3 控制法则用模拟技术实现了对电源外特性的控制。 综合控制方法综合了上述各种控制方法的思想及原理，并运用数字技术、高性 能逆变技术、智能控制理论等实现，简化了焊接调节规范，且控制效果好，焊 两华大学硕士学位论文 接质量高，在后面的章节中，论文讲述的内容主要围绕综合控制法展开。 3 7 1 脉冲参数要求1 2 l 闪 在实际焊接中，由于熔滴过渡的特点，焊接电流和焊接电压有个最合适 的搭配关系，即某焊接电流值，有一个对应的电压值，这时，焊丝的熔滴过 渡最稳定，飞溅最小，这种电流与电压的搭配关系是从大量试验中得到，可以 用一条一元化曲线表示，如图3 6 所示。 u 图3 6 焊接电流电压关系曲线 为了简化调节过程，根据这些从实践中得到的搭配曲线，人们发明了一元 化调节方式，即单旋钮调节。所谓一元化调节就是在焊机上只需给定一个规范 参数，焊机将根据一元化曲线自动设定其他规范参数。在脉冲b t i g 焊中，只需 调节送丝速度( 即焊接平均电流) ，焊机就自动产生一组对应的脉冲参数，保证 焊接电弧稳定燃烧。综合控制法和s y n e r g i c 控制法都采用了一元化调节方法。 在脉冲m i g 焊控制中，一元化调节的具体做法是，以送丝速度固定其中的几个 参数，而把其中的一个或几个参数作为调节量，例如在脉冲 l i g 焊综合控制法 中，一般要求i b 、i p 、t p 恒定。t b 用于控制弧长；另外为了保证脉冲电流波 形不失真，正如2 4 4 小节所述，还要求弧焊电源在脉冲的上升沿和下降沿具 有较快的动态响应。 3 加孤长控制伽 1 ) 电弧的均匀调节法 当弧长变化，只靠改变熔化速度调节已不可能，这时可采用电弧均匀调节 西华大学硕士学位论文 法，即使送丝速度随弧长的变化而变化。这种方法适用于大电流m i g 焊。 2 ) p f m ( 脉频调制) 方式 该方法工作原理如下：在送丝速度一定时，保持i b 、i p 、t p 不变，控制 t b 使之随弧长变化而变化，即根据采样电弧电压信号改变脉冲频率，从而改变 了焊丝熔化速度v m ，实现了弧长调节作用。它与3 4 节中脉冲m i g 焊电弧离散 闭环控制法弧长调节原理相似。 3 8 本章小结 本章归纳了6 种电参数控制方法。其中综合控制法综合了其余几种控制法 的优点，同时适用于前面介绍的数字式逆变脉冲m i g 焊机。 采用综合控制法的脉冲m i g 焊控制系统，一方面要满足脉冲参数的有关要 求( 通过对脉冲电流i p 和基值电流i b 的闭环控制和脉冲沿的控制实现) ，另一 方面还要根据电弧电压信号闭环控制弧长，同时还要实现一元化调节。 西华大学硕士学位论文 第四章数字p i d 控制和模糊控制 4 1 数字p l d 控制1 钟闽 常规控制系统中最常用的调节器是比例p 、比例积分p i 、比例积分微分 p i d 调节器。这种调节器具有设计简单、调节方便、应用可靠的优点，对于控 制要求不太高的- 1 - 业3 2 程控制一般能够满足要求，因此在过程控制系统中有着 广泛应用。随着微机技术的发展，p i d 控制算法已经能用微机实现，并且更加 完善，数字p i d 控制算法可分为位置算法、增量算法和速度算法三类。三种算 法的选择，要考虑执行器的形式和分析应用时的方便。本节主要介绍数字p i d 控制算法。 位置型p i d 算式： 扯( j ) ：k p “i ) + k ，k 瓦，) + k 。p ( | i ) 一e ( k 一1 ) 1 j = o k ，= k ， 1 k d = k p 等 增量型p i d 算式：甜( 七) = q o d 蠡) + 9 1 e ( k 一1 ) + 9 2 e ( k 一2 ) 酽酬- + 吾+ 争 ”j p ( 1 + 孕) q 22 k p ：i d - 4 1 1p i d 调节器参数时控制性能的影响 1 ) 比例控制参数k p 增大k p ，会加快系统的响应速度，减小静态误差，但若i ( p 偏大，会增加 系统调节时间，甚至使系统不稳定。 2 ) 积分控制参数t i 微分控制通常与比例控制p 或比例微分控制p d 联合作用，积分控制参数 t i 对性能的影响如下： 西华大学硕士学位论文 积分控制能够消除稳态误差。积分控制参数t i 减小，有利于提高系统的 控制精度，但通常使系统稳定性下降。t i 增大，会减小对系统性能影响。t i 的合理取值应满足过渡特性要求和系统控制精度要求。 3 ) 微分控制参数t d 微分控制通常与比例控制和积分控制联合构成p d 控制或p i d 控制。微分 控制可以改善动态特性，如减小超调量、缩短调节时间，允许加大比例控制参 数k p ，以减小稳态误差，提高控制精度。 t d 偏大或偏小时，不利于系统动态特性的改善；只有合适时，才可得到 比较满意的过渡过程。 综合起来，不同的控制规律各有特点，对于相同的控制对象，不同的控制 规律有不同的控制效果。 4 1 2 控制规律的选择 在使用中要根据对象特性，负载情况。合理选择控制规律以达到最佳效果。 1 ) 对负荷变化不大，工艺控制要求不高，自平衡力强的对象，可选用比 例调节器； 2 ) 对负荷变化不大，对象时滞较小，但不允许有静差的系统，可选用p i 调节器。 3 ) 对负荷变化和对象时滞较大，控制质量要求较高的系统，可选用p i d 调节器。 4 ) 对系统控制指标较高，普通p i d 调节器不能满足要求时，可考虑基本 p i d 的改进设计，如自适应p i d 等方案或其它复杂的高级控制器设计。 4 1 3 数字p i d 调节器的改进 1 ) 积分项改进 在p i d 控制中，积分的作用是消除稳态误差，为了提高控制性能，对积分 项可采取下面改进措施。 a 积分分离 在p i d 控制系统中，当扰动或给定值变化产生较大的偏差时，由于系 统有惯性和滞后，在积分项的作用下，往往会产生较大超调和大幅度 西华大学硕士学位论文 的波动。为此，可采用积分分离措施，即e ( k ) 较大时，取消积分作用， 当e ( k ) 较小时，恢复积分作用。积分分离使得控制量不易进入饱和区， 即使进入也会很快退出。 b 变速积分的p i d 算式 变速积分与积分分离有类似之处，也是根据误差大小改变积分作用的 大小。具体如下：设当前偏差项e ( k ) 的系数函数是f e ( k ) 。当 l e ( k ) 1 b 时，系数f e ( k ) = l 积分项累加当前值e ( k ) ：当 b e ( k ) l a + b 时，系数f e e ( k ) = 0 ，停止累加当前值。 与积分分离相比，变速积分提高了调节品质。 c 抗积分饱和 由于积分作用，使p i d 运算饱和，这时执行机构已达到极限位置，仍 然不能消除偏差。此时，系统输出超调量增大，调节时间增大，控制 品质变坏。作为防止积分饱和的方法之一，可对计算出的控制量t l ( k ) 限幅，同时把积分作用去掉。即： 当u ( k ) u m a x 时，u ( k ) = u m x d 梯形积分 l 梯形积分就是在积分项k ，反_ ，) 中， e ( k ) + e ( k - 1 ) 2 代替e ( k ) ， 一 j = o 以提高积分项运算精度。 2 ) 微分项改进 a 不完全微分p i d 控制算法 对于普通的p i d 控制算法，由于高频扰动和给定值变化，微分作用响 应过于灵敏，容易引起控制过程振荡。为此可以在p i d 调节器之后或 在微分环节之后串入一阶惯性环节，组成了不完全微分p i d 调节器。 普通数字式p i d 调节器的微分作用仅在第一个采样周期起作用，而且 作用很强，容易引起振荡。而不完全微分数字p i d 调节器的微分作用 能在当前的采样周期及其后的采样周期中按照偏差变化趋势均匀地起 作用，真正起到了微分作用，改善了系统的性能。二者在单位阶跃输 西华大学硕士学位论文 入时，输出控制作用如图4 1 所示。 图屯l 数字p i d 调解器控制作用 a ) 标准p i d 控制b ) 不完全微分p i d 控制 b 微分先行p i d 控制算式 为了避免给定值变化给系统带来影响，可采用微分先行p i d 控制方案。 与普通p i d 控制算法不同，它不对给定值作微分，而只对被控量微分。 该算法对适用于给定值频繁升降的系统。 4 1 a 数字p i d 调节器参数整定 数字p i d 调节器中，需要整定参数有k p 、t i 、t d ，另外还要确定系统采 用周期t 。 1 ) 采用周期t 的选择 依据香农采样定理，采样频率大于等于2 倍的被采样信号的最高频率。从 系统控制性能来看，应提高采样频率；但采样频率越高，对微机运算速度和存 储器容量要求也越高和越大，另外当采样速度提高到一定程度后，对系统性能 的改善已不明显。所以采样周期要综合考虑各种因素加以选择。 a 作用于系统的扰动信号频率越高，则采样周期越短。 b 对象动态特性，主要与被控对象的惯性时间常数和纯滞后时间有关。 当纯滞后时间占主导地位时，可选择采样周期大约等于纯滞后时间。 c 控制回路数量，控制回路数越多，采样周期越长，反之越小。 d 与微机和a d ，d a 转换器性能有关，微机的字长越长，速度越快， a d 与d a 的转换速度越快，采