（材料加工工程专业论文）awp波控co2短路过渡焊的计算机仿真及实验研究.pdf

擅要 o ：气体保护焊是一种高效、节能的焊接方法，但其飞溅大的问题一直未能很好 地解决。提高c o ：焊工艺性能、减少飞溅的有效方法之一就是改进焊接电源设备，对 电弧及熔滴过渡行为加以控制。这种方法实际的实验研究工作量大，对于某些参数对 系统造成的影响，在实际中进行反复试验比较是困难的。而利用计算机仿真则易于进 行实际系统难以实施的各种试验，进而得出最佳系统及参数，然后依此进行实际实验， 可以达到省时、省力的效果，并且容易得到准确的结果。p 本文论述了仿真研究的基本理论，给出了仿真实验的一般步骤，并论述了仿真软 件的发展历程，最终选择m a t l a b 作为本研究的工具。 在研究c o ，焊短路过渡过程的基础上，利用m a t l a b 的仿真工具建立了其数字仿 真模型，并得出仿真波形。 对c o ，焊的飞溅机理作了论述，指出了形成飞溅的根本原因。参照现阶段c o ，焊 短路过渡过程的几种典型控制技术，指出了短路过渡的合理的瞬时电流特征，提出了 c 0 2 短路过渡过程的a w p ( a d a p t i n gw e l d i n gp h y s i c sp r o c e s s ) 波形控制思想，并进行 了仿真研究，得出了其仿真波形。 建立了实验系统，并进行了大量实验，将仿真结果与实验结果相比较，两者基本 相符，说明所建立模型的合理性和实用性，从而证明了仿真方法的可行性。 c o ，短路过渡a w p 波控焊方法的提出和实验系统的建立为提高c o ，气体保护短 路过渡焊的工艺性能、拓展其应用空间以及丰富和发展对短路过渡过程的理解和认识 奠定了坚实的理论和技术基础。 关键词：c 0 2 气体保护焊；计算机仿真；短路过渡；飞溅；a w p 波控 英文摘要天津大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t c 0 2g a ss h i e l da r cw e l d i n g i saw e l d i n gm e t h o dt h a th a sa d v a n t a g e so f h i g h e re f f i c i e n c y a n dl o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n b u tt h ep r o b l e mo fl a r g es p a t t e rh a sn o tb e e nt h o r o u g h l y s o l v e d o n eo ft h em e t h o d so f g e t t i n gb e t t e rc 0 2 a r cw e l d i n gt e c h n o l o g yp e r f o r m a n c ea n d d e c r e a s i n gs p a t t e re f f i c i e n t l yi si m p r o v i n gt h ea r cw e l d i n gp o w e r s o u r c ea n dc o n t r o l l i n gt h e b e h a v i o ro fa r ca n dd r o p l e tt r a n s f e r n l ea c t u a l e x p e r i e n c eo ft h i sm e t h o dn e e dl u m p i n g w o r k l o a d ，a n dt h ee x p e r i e n c ea b o u tt h ei n f l u e n c eo ns y s t e mr e s u l tf r o ms o m ep a r a m e t e rb e c a r r i e do u tr e p e a t e d l yp r a c t i c a l l yi sd i f f i c u l t b u ti ti se a s i e rt oc a r r yo u tm a n ye x p e r i e n c e s w h i c hd i f f i c u l tt op r a c t i c ei nr e a ls y s t e mb yu s eo fc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，a n dg e tt h eb e s t s y s t e ma n dp a r a m e t e r , t h e nt a k i n gp r a c t i c a le x p e r i e n c ea c c o r d i n gt o t h i s t h em e t h o do f c o m p u t e rs i m u l a t i o n c a ns a v et i m ea n dl a b o r , m o r e o v e ri ti se a s i e rt og e tc o r r e c tr e s u l t i nt h i s a r t i c l e ，t h eb a s i ct h e o r yo fs i m u l a t i o ni s d i s c u s s e da n dt h e g e n e r a ls t e p s o f s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sp u tf o r w a r d i th a sa l s ob e e nd i s c u s s e dt h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo f s i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h a t f a t l a bi ss e l e c t e df o rt h et o o lo f t h i ss t u d y b a s e do nt h es t u d yo f c 0 2w e l d i n gs h o r t c i r c u i t i n gp r o c e s s ，t h ed i g i t a ls i m u l a t i o nm o d e l o f s h o r t - c i r c u i t i n gi se s t a b l i s h e db yu s i n g t h es i m u l a t i o nt o o lo fm a t l a b ，a n dt h es i m u l a t i n g w a v e f o r mi sg o t t e n i nt h i sa r t i c l e ，t h es p a t t e rm e c h a n i s mo f c 0 2 a r cw e l d i n gi sa l s od i s c u s s e da n dt h em a i n r e a s o no fs p a t t e ri s p o i n t e do u t r e f e r r i n gt o s o m et y p i c a lc o n l r o lt e c h n o l o g i e so fs h o r t c i r c u i t i n gp r o c e s s t h e r e a s o n a b l ei n s t a n t a n e o u se l e c t r i cc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i cf o rs h o r t c i r c u i t i n gp r o c e s s i s p o i n t e do u t ，a n dt h e 黼w a v e f o r m c o n t r o lt h o u g h to fc 0 2s h o r t c i r c u i t i n gp r o c e s si sp u tf o r w a r d ，as i m u l a t i o ns t u d yi sm a d e ，a n das i m u l a t i o nw a v e f o r m i s g o t t e n t h ee x p e r i e n c es y s t e mi ss e tu pa n da g r e a tq u a n t i t yo fe x p e r i e n c ei sc a r r i e do u t n e r e s u l to fs i m u l a t i o na c c o r d sw i t ht h er e s u l to fe x f i e r i m e n to nt h ew h o l e t h i ss h o w st h a tt h e s i m u l a t i o nm o d e li sr a t i o n a l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t ya n dp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i o nf o r t h i ss t u d y t h ea 聊w a v e f o r i l lc o n t r o lm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r da n dt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo f a w pw a v e f o r mc o n t r o li sf o u n d t h e s ee s t a b l i s h e dh a r dt h e o r ya n dt e c h n o l o g yb a s ef o r e n h a n c i n g t h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c ea n de x t e n d i n gt h ea p p l y i n gs p a c eo ft h ec 0 2 g a ss h i e l d s h o r t c i r c u i ta r cw e l d i n g ，a n da l s oe n r i c h i n gt h e o r e t i c a l l yt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ep h y s i c a l p r o c e s so f s h o r tc i r c u i tt r a n s f e r k e yw o r d s ：c 0 2g a ss h i e l da r cw e l d i n g ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；s h o r t - c i r c u i t i n g ；s p a r e r ； c o n t r o lt e c h n o l o g y ，a w p w a v e f o r mc o n t r o l ( 一) 绪论 天津大掌司e 士掌位论文 第一章绪论 1 1c o ：气体保护焊的发展现状及存在问题 c o ，焊接工艺的最初构想源于2 0 世纪2 0 年代，然而由于焊缝气孔问题没有解决， 使得c o ，焊一直无法使用。直至5 0 年代初期，前苏联的柳巴夫斯基、诺沃日洛夫与日 本的关口春次郎分别同时发明了一种可以使用c o ，气体作为保护气体的电弧焊焊丝， 成功地解决了焊缝的气孔问题，使得c o ，焊接工艺获得了实用价值【l 】。 c o ：气体保护焊的主要特点有：生产效率高。c o ：气体保护焊能够实现较大的焊 接电流，电弧热量集中，焊丝熔化速度快，熔敷系数高，而且能连续焊接，从而能够 提尚焊接生产效率。比焊条电弧焊的工作效率高1 5 倍。焊接成本低。其成本只有 埋弧焊和焊条电弧焊的4 0 5 0 左右。焊接质量好。c o ：气体保护焊的自动化程度高， 电弧自身调节作用强，焊接过程中电弧稳定性好，焊接质量稳定。能源利用率高。c o ， 气体保护焊的电弧的电流密度高，电弧能量大多有效地用于焊接材料及母材金属的熔 合，获得单位重量熔敷金属的耗电量较低，减少了能源浪费。焊接工艺参数调节范 围大。如使用直径1 2 m m 的实心焊丝，其焊接电流调节范围可以为8 0 3 5 0 a 。适用 范围广。不论何种位置都可进行焊接。也就是说c o ：气体保护焊是一种高效节能的焊 接方法，也非常容易实现低成本、自动化的焊接，因此它在工业界有者极为广泛的应 用。工业化国家c o ，焊接占据了整个焊接生产的主导地位乜3 】。 我国从1 9 5 8 年起开始引进c o ，气体保护焊技术，并在六十年代中期开始批量生产 c o ，焊机。目前，这种方法已经在机械制造、石油化工、海洋船舶、航空航天、原子 能、汽车制造等工业部门中获得了广泛的应用，但与发达国家相比还很落后，有关统计 资料表明：根据以焊材为基准的焊接熔敷量计算，日本使用c o ，气体保护焊的焊材熔 敷量在整个焊接生产中占6 8 左右，美国为6 0 ，而在中国仅有1 0 左右，使用焊条 的手工焊却分别为2 0 、2 9 和7 9 ；c 0 2 气体保护焊在日本焊接生产中的比例达4 0 以上，已经超过了焊条电弧焊的比例，而在我国只占大约7 ，焊条电弧焊却占8 0 以 上，可见c o ，焊在中国发展潜力的巨大。目前，这种方法在很大范围内正逐步取代焊 条电弧焊，在工业生产中发挥越来越重要的作用【4 】。 但是，由于c o ，气体具有氧化性，在焊接过程中，f e 被c 0 2 氧化，发生如下反应： c o ，+ f e = f e o + c o ，f e + o = f e o 。其中o 是由c 0 2 = o + c o 和0 2 = 2 0 产生的。因此，熔 滴及熔池中的氧化反应非常激烈，熔入熔池中的f e o 又被c 元素还原，即f e o + c = f e + c o ，生成的c o 气体若不能及时逸出熔池便形成气孔。熔滴中的c o 则在电弧高温 作用下急剧膨胀、爆炸形成飞溅。也就是说，由于c o ：的性质造成了使用c o ：气体保 护的焊接无论是采用细丝小电流短路过渡方式，还是粗丝大电流的颗粒过渡方式，都 ( 一) 绪论 不可避免的有焊接飞溅大的缺点，因而限制了c o ：焊的进一步推广应用嘲。 1 2c o ：焊问题产生的原因 短路过渡c o ：焊时，飞溅主要有两种类型：一种是正常短路时的飞溅，另一种是 瞬时短路飞溅。 理论研究和工程实践都已证实，通过选择合理的焊接工艺参数，采用优质的焊接 材料，就可以获得比较稳定的短路过渡焊接过程。这时的焊接飞溅主要来自于短路初 期的瞬时短路飞溅及短路末期的电爆炸飞溅。 c o ，气体在高温下的分解和解离过程会吸收大量电弧热，因而对电弧产生冷却作 用，造成电弧和斑点面积收缩，使电弧趋向集中在熔滴的下部，使熔滴受到较大的阻 碍过渡的斑点压力，熔滴容易左右上下摆动。同时熔池在振荡，在短弧的条件下，两 者很容易发生接触( 短路) 。如果熔滴在比较大的瞬时电流下与熔池发生接触或者接触 后短路电流的上升速度过快，会形成较大的电磁排斥力，使刚与熔池接触的熔滴往往 来不及在熔池表面铺展便被排斥出熔池而形成飞溅。这种飞溅被称为瞬时短路飞溅。 在发生瞬时短路的情况下，当熔滴与熔池相分离时，熔滴不能完全过渡，而在电 弧恢复引燃时焊丝的端部仍悬挂有高温的液体金属，作用在熔滴底部的电磁收缩力和 电弧再引燃时的电弧喷射力，有时会将熔滴抛出焊接区，这是形成飞溅的一个重要原 因。由瞬时短路产生的飞溅具有数量少、颗粒大，飞溅颗粒散布的范围较小并与工件 结合力较强及难于清理等特点。 电爆炸理论认为在短路过程的最后阶段，由于短路电流的急剧增加和液体小桥在 短路电流产生的电磁收缩力的作用下其截面不断缩小，最终形成缩颈。缩颈处的液体 金属被迅速加热，造成了过剩能量的积聚，最后导致小桥发生汽化爆炸，引起金属飞 溅，这也是形成飞溅的主要原因之一，所形成的飞溅就称为电爆炸飞溅。而小桥金属 被加热的过程主要发生在熔滴与熔池短路的最后阶段，电爆炸的能量主要是在小桥破 坏前的l o o t s 1 5 0 i - t s 时间内积聚起来的。由电爆炸产生的飞溅具有数量多、颗粒细小， 飞溅颗粒散布的范围较大等特点。 1 3 本课题的选题意义 为提高c o ，焊的工艺性能，国内外研究人员作了大量的努力，总体来说解决上述 问题的途径可以分为两个方面。一方面是通过焊接材料来改进电弧形态和熔滴过渡形 式，如在c o ，气体中加入一定比例的氩气【6 7 】或采用活化焊丝 8 】、药芯焊丝【9 。”1 等。这 些方法虽然可以取得显著效果，但却失去了c o ，焊固有的经济、简便的特点，况且此 时由于电弧的电场强度较小，如果再使用短路过渡形式将会造成工件熔合不足、堆高 过大、焊缝过窄等缺陷，故只适宜于熔滴自由过渡的焊接方法。 、 ( 一) j l t f e 天津大掌硕士掌位论文 另一方面，由焊接设备和电源方面人手，对电弧及熔滴过渡行为加以控制，力求 保留短路过渡及c o ，气体保护低成本的优点，通过电控和机械力的控制来减小飞溅， 改善焊接质量是许多人更加努力追求的目标。随着焊接电弧物理理论的不断丰富和完 善、对短路过渡过程认识的不断深入以及现代电力电子技术和计算机技术的不断发展， 这种控制方法表现出越来越明显的优势。这些方法从早期简单地控制焊接回路电感量， 优化电源参数的方法，到目前已发展出多种更高水平的控制方法，其中比较典型的有 各种电源输出特性控制方法( 焊接回路中串联直流电感、双电源控制法、阶梯形输出 特性控制法等) 、脉动送丝控制方法、各种电源输出波形控制方法及它们之间的各种组 合 1 1 - 1 9 1 等。 上述各种控制方法的发展，无论是外特性控制、波形控制、还是精确化控制，都 愈来愈表明这样一个发展趋势：对于短路过渡过程的控制要根据熔滴、熔池以至电弧 的物理状态而进行，控制的实施在时间、力度等方面要适应焊接的物理过程，这在s 订 技术上已得到了一定的体现。因此，作者认为，今后的发展应朝这个方向继续努力， 使其更加完善、更为先进，并可将这一类控制方法称为适应焊接物理过程( a d a p t i n g w e l d i n gp h y s i c a lp r o c e s s ) 的控制方式，简称为a w p 控制模式。 a w p 控制模式要吸取波形控制迅速、精确的优点，不机械地照搬套用“死”的波 形，也要吸取外特性控制自适应能力强的特点，灵活地变换控制方式。 从设备和电源入手能够取得理想的效果，但是进行实际的实验研究工作量大，对 于某些参数对系统造成的影响，不可能在实际中进行反复试验比较，而利用计算机仿 真则易于进行实际系统难以实施的各种试验。可以对各种系统进行反复的仿真分析和 比较，以选择最佳的系统；也可以对各种参数进行模拟仿真，以选择能达到最佳效果 的最佳参数。因此，可以通过建立数学模型，利用计算机仿真得出最佳系统及参数， 然后依此进行实际实验，可以达到省时、省力的效果，并且可以得到准确的结果。 1 4 本领域计算机仿真的研究状况 计算机科学与仿真科学的完美结合从而诞生了计算机仿真学。计算机仿真就是先 以数学模型表征出实际系统的特性、规律，再用计算机对这些数学模型( 通常是一组 微分方程或差分方程) 求解并分析，处理其结果的过程。显而易见采用计算机仿真技 术比在实际物理模型上进行的安装、调试、试验等所需工作量要小得多，并且周期短， 耗费少，具有许多优点。 计算机仿真技术虽然是一门新的学科，但已广泛应用到了焊接领域的诸多范畴，例 如焊接工艺的制定，焊接设备的研制，控制系统的改进等方面”，并已经发挥出了 巨大的作用，具有很大的潜力。 计算机仿真技术在焊接领域中的应用对c o ：焊熔滴短路过渡过程的研究具有重要 ( 一) 培论 的意义。它能提供一种简便而有效的方法使实验与调试工作变得轻而易举，对新型c o ， 焊电源的研制开发具有巨大的指导作用，从而对改善c o ，焊短路过渡行为，提高c o ， 焊的工艺性能，为c o ：气体保护焊的发展提供有力的技术保障。 目前计算机仿真技术在c o ：气体保护焊短路过渡过程研究中的应用仍处于初级探 索与实验阶段。由于计算机的应用，使仿真技术从过去的物理仿真进入了现在的数字 仿真阶段，而这一阶段的关键就是数学模型的建立，通过数学模型的建立将所研究的 对象模型化，从而使其转变为能在计算机上进行研究的仿真模型，再进行相应的误差 分析，最后把仿真模型编制成计算机程序进行实验。 仿真程序的编制要依靠一定的软件，这类软件在国外六七十年代就已经发展的很成 熟，出现了许多优秀的专业仿真软件，我国对这类软件的引入比较晚，尤其在焊接领 域，目前的仿真工作有许多只停留在模型的建立上，而从数学模型到计算机仿真模型 的转化过程还往往依赖某些高级计算机语言，如c 语言，f o r t r a n 语言等，因此这 一工作一般比较复杂且要求仿真工作人员具备较高水平的编程技术，这在一定程度上 限制了仿真技术的快速发展。 近几年来在控制领域比较流行的软件包m a t l a b 是控制系统计算机辅助设计 ( c a c s d ) 的一个强大的工具，它不但对c a c s d 算法的研究产生了巨大的推动作用， 也对其它c a c s d 软件环境的开发创造了条件，它已经成为国际控制界应用最广的语 言和工具了胁捌。 国内部分高校已开始利用m a t l a b 进行焊接过程的仿真研究乜7 1 而且取得了令人 满意的结果，这也说明了此软件的巨大作用。m a t l a b 使以往复杂的仿真过程变得快 捷、直观，大大提高了准确性和效率，此软件系统具有强大的数据处理、图象处理等 功能，还提供了大量配套工具箱，而其s i m u l i n k 工具包就是作者应用的重点，它是 一套系统模型图形输入与仿真工具，具有以往的仿真软件所不具有的独特的仿真模型 处理功能，使仿真程序编制过程变得更加简捷、直观、精确，它是进行仿真研究的理 想工具。对于c o ，气体保护焊，利用仿真研究对短路过渡过程控制的研究进行指导具 有很大意义。 1 5 本研究的主要内容 一、分析c o ，焊短路过渡行为，研究整个系统的各个部分及它们之间的关系，建 立系统的数学模型。 二、利用m a t l a b 软件对系统模型进行仿真分析，研究各参数对仿真结果的影响。 三、分析短路过渡过程控制方法，对适应焊接物理过程控制( a w p 波控) 进行仿 真实验研究。 四、建立实验系统，验证仿真结果对实验结果进行研究分析。 ( = ) 仿真技术概况及m a t l a b 谱t天津大掌硕士掌位论文5 第二章仿真技术概况及m a t l a b 语言 2 1 仿真的基本概念 2 1 1 仿真的定义 “仿真”一词译自英文s i m u l i n k ，另一个曾用的译名是“模拟”。目前，比较 流行于工程技术界的技术定义是：系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在 的或设计中的系统。简言之，系统仿真是对系统动态模型的实验，即在仿真中，系统 的动态模型在某些实验条件下被行为产生器驱动，产生模型行为。例如在焊接中，建 立一台焊机的模型，配以一定的负载参数，在一定的算法设置下，就可以计算出焊机 的各种运行参数。仿真的简单行为就是进行模拟，可以是不同层次的模拟，可以给以 不同的实验条件( 模型条件) 而得出不同的实验结果。 顾名思义，计算机仿真就是利用计算机对系统进行模拟实验，计算机的强大计算 功能使运算过程交得快捷、准确、灵活，因此现今的仿真一词己无法与计算机分离， 很多对系统的研究是计算机仿真技术的应用。 2 1 2 系统仿真的分类 系统仿真的分类方法主要有以下几种： ( 一) 根据计算机分类 模拟计算机仿真，即将系统模型编排在模拟计算机上并使之运行。 数字计算机仿真，即将系统模型用一组程序表述，并使之运行。 模拟数字混合仿真，即将系统模型分为两部分，其中一部分放在模拟机上，而 另一部分放在数字机上，两台计算机之间利用d a 及a d 转换，交换信息。 在5 0 6 0 年代，模拟机仿真十分流行，现在已基本上被数字机仿真所取代，本文 所进行的仿真也是全数字仿真。模拟仿真代表了仿真的个历史阶段，随着计算机技 术的发展，它被数字仿真所取代是必然的。 ( 二) 根据仿真时钟与实际时钟的关系分类 众所周知，系统动态模型的时间标尺可以和实际系统的时间标尺不同，前者受仿 真时钟控制，而后者受实际时钟控制。 实时仿真，即仿真时钟与实际时钟是完全一致的。 欠实时仿真，即仿真时钟比实际时钟慢。 ( = ) 仂i ；技术概况及m a t l a b 语言天津大掌硕士学位论文6 超实时仿真，即仿真时钟比实际时钟快。 有些系统的运行是短暂而具有瞬时特征的，为了看清其详实步骤就需要放慢仿真 时钟，即采用欠实时仿真，相反有些系统的运行是异常缓慢的，只有加快其运行速度 才有研究的意义，所以必需采用超实时仿真。对于本研究，实时仿真就可以表征系统 的运行状况，所以本文采用实时仿真。 ( 三) 根据系统模型的特性分类 连续系统仿真，即系统模型中的状态变量是连续变化的。这种模型一般可表示 为微分方程的形式。 离散事件系统仿真，即系统模型中的状态变量只在某些离散时刻由于某种事件 而发生变化，这种模型一般不能表示为方程式的形式而只能用一组逻辑条件 或流程图来表示。 本研究的仿真系统模型显而易见是连续系统，因此应归为连续系统仿真。 另外，还可按所用模型的类型( 物理模型，数学模型，物理数学模型) 来分类， 如物理仿真，计算机仿真( 或称数字仿真) ，半实物仿真；也可以按对象的性质来分类， 如宇宙飞船仿真，化工系统仿真，制造系统仿真，社会经济系统仿真等。 综上所述，本研究之c o ：气体保护焊熔滴短路过渡过程的计算机仿真应归入连续 系统的实时数字仿真类。 2 2 仿真模型 仿真模型是模型建立的最终目标，它是由某种编程语言或仿真语言写成的代码， 而这里先要表述的是数学模型模型的初级阶段。数学模型是现实世界的一种数学 抽象，即用一种特定的数学形式来描述现实世界，这种数学形式可通过一定的算法加 以处理，从而复现现实世界的行为和特征。若将现实世界称为系统，那么数学模型就 是现实系统( 可以是已经存在的，也可以是正在设计中的) 的一种数学描述。 2 2 2 数学模型的作用与建立 数学模型有着十分广泛的应用。概括起来，数学模型有两个方面的作用：提高对 现实系统的认识及提高对现实系统决策( 认识世界和改造世界) 的能力。通俗地讲， 数学模型首先使人们更为科学地认识系统，而不是只停留在其表面特征上。再次，数 学模型提供了研究系统的途径，通过它，人们可以更深一步地了解系统，从而达到改 t 、 ( ；) 仿真技术概况及m a t l a b 语t天津夫掌硕士掌位论文一7 造它的目的。数学模型和现实世界之间最重要的关系之一是抽象，抽象过程是建模过 程的基础。 建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。仿真是一种基于模型的活动， 因此建模是其重要环节。过去的仿真技术偏重于仿真实验( 仿真的执行) ，而现代仿真 技术则更侧重于建模，所以先进的建模方法就成为仿真技术的重要支柱。 ( 一) 建模途径 在为实现某种目的而构造一个模型的过程中，建模技术就在于成功地运用已有的 各种知识、信息，而其运用的方法则有许多种。 “演绎法建模”倾向于运用先验信息。假定在理论上有些不足，那么它们要求某 些假设和原理，然后通过数学的逻辑的演绎来建立模型。 “归纳法建模”是从被观测到的行为出发，试图推导出与观测结果相一致的更高 一级的知识。 “实用法建模”采用的是工程观点而且着眼于建模的目的，认为建模即意味着通 向一个终点，程序将直接面向建模的特定目标。 单纯采用上述这些途径都很难获得有效的结果，所以通常是混合采用。至于怎样 才是最好的组合，需要一定的经验。 ( 二) 模块化建模 模块化建模就是将系统分为几个部分，分别进行建模。模块化建模的基础是系统 的可分性，即认为系统是由若干子系统组成的，而子系统又可分为更为原始的子系统。 由于这种性质的存在，构造模型的方式是通过连接组成系统模型的成分模型( 子模型) 来建造总体模型。 模块化建模的基本思想是：无论实际系统多么复杂，但同一类系统仍然有许多相 同或类似的基本设备和部件，它们的工作原理及工作过程基本相同，只是物理结构尺 寸，运行参数不同。我们希望以一种规范化的标准建立这些基本设备和部件的数学模 型，将它们开发成通用的基本模块，然后对它们进行组合。 模块的划分有两个原则：一是从程序设计角度出发，将一个大的程序按照层次结 构分成若干个模块，上层模块可以调用下层模块；二是从建模角度考虑模块的划分， 由于实际系统多种多样，模块的划分要使其具有层次性，以独立的物理设备或部件为 基础，且具有数学上的独立性。 本文研究的系统就可作为模块化建模的典型。c o ：气体保护焊短路过渡过程的系 统模型可以分为弧长变化系统、非线性负载系统和弧焊逆变器系统三个模块，其中各 模块内部又可以分为更为具体的小模块。这种建模方法使各子系统之间的关系变得更 加清晰，为建模提供了更为简便的方法。 ( = ) 仿真技术概况及m a t l a b 语言天津大学硕士掌位论文 一8 一 ( 三) 建模过程结构框图 综上所述，建模过程可以用图2 - 1 描述。 图2 - 1 建模过程结构框图 f i g 2 1t h e f r a m e d i a g r a mo f m a k i n gm o d e l 2 3 仿真实验的一般过程 从仿真定义可知，仿真基本上是一种通过实验求解问题的技术。通过仿真实验， 了解包含在系统中的变量之间的关系，观测系统模型变量变化的全过程。为了对仿真 模型进行深入研究和优化结果，还必须多次改变参数运行，以得到最优化参数，因此， 良好的人一机交互性是系统仿真的重要特征。 综合以上各部分内容，图2 2 给出仿真实验的一般过程【2 ”。 本研究所进行的仿真实验正是按照图2 2 中所描述的过程进行的。首先，将对c o ， 短路过渡系统进行由整体到个体的全面的分析，然后在此基础上，运用数学知识对其 进行建模，那么就得到了其初步的数学模型。再利用m a t l a b 将数学模型输入到计算 机，于是又得到了仿真模型，同时构建了仿真程序，接下来运行程序，将仿真结果与 实际实验结果相比较，判断模型是否合理，再决定是否要逐项对以上步骤进行检查。 当模型被证明合理之后就可以进行真正的仿真研究了，利用仿真来模拟现实，得出有 指导性的结论。 ( = ) 仿真技术概况及m a t l a b 语吉 天津大掌硕士掌位论文 图2 - 2 仿真实验的一般过程结构框图 f i g 2 - 2t h e f r a m ed i a g r a mo f s i m u l a t i o ne x p e r i e n c e 2 4 m a t l a b 简介 2 4 1 c a c s d 软件环境与新技术的发展 c a c s d ( c o m p u t e r a i d e d c o n t r o ls y s t e md e s i g n ) 即指控制系统计算机辅助设计， 它的发展目前已达到了相当高的水平。近3 0 年来，随着计算机技术的飞速发展，各类 优秀的c a c s d 软件相继问世且种类繁多，有的是用f o r t r a n 语言编写的软件包， 有的是人机交互式软件系统，还有专用的仿真语言。其中较具代表性的有瑞典l u n d 工 ( = ) 仿真技术概况及m a t l a b 语言 天津大学硕士学位论文一lo 一 学院开发的一套交互式c a c s d 软件i n t r a c ( i d p a c ，m o d p a c ，s q p a c ，p o l p a c 等，以及仿真语言s i m n o n ) ，日本的古田胜久教授主持开发的d p a c s f 软件。其它 还有许多流行的仿真语言a c s l ，c s m p ，t s i m ，e s l 等，以及很多专用程序，如剑 桥大学的c l a d p ( c a m b r i d g el i n e a ra n a l y s i sa n dd e s i g np r o g r a m s ) ，美国国家宇航局的 o r a c l s ( o p t i m a lr e g u l a t o ra l g o r i t h m sf o rt h ec o n t r o lo f l i n e a rs y s t e m s ) 等。 1 9 8 0 年美国学者c l e v em o l e r 等人推出的交互式m a t l a b 语言逐渐受到了控制界 研究者的普遍重视，从而陆续出现了许多专门用于控制理论及其c a d 的工具箱。图形 交互式的模型输入计算机仿真环境s i m u l i n k 的出现为m a t l a b 应用的进一步推广 起到了积极的推动作用。现在，m a t l a b 已经风靡了世界，成为控制系统c a d 领域 最普及也是最受欢迎的软件环境乜”。 2 4 2 m a t l a b 简介 m a t l a b 即m a t r i xl a b o r a t o r y ( 矩阵实验室) ，最初是用来进行矩阵运算的工具， 后来的版本中又增添了丰富多采的图形图像处理及多媒体功能。由于以上功能，很多 控制界的名家在自己擅长的领域编写了一些具有特殊意义的m a n ，a b 工具箱，如控制 系统工具箱( c o n t r o ls y s t e m st o o l b o x ) ，信号处理工具箱( s i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o x ) ， 系统辩识工具箱( s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt o o l b o x ) ，鲁棒控制工具箱( r o b u s tc o n t r o l t o o l b o x ) ，u 分析与综合工具箱( u a n a l y s i s a n ds y n t h e s i st o o l b o x ) ，定量反馈理论工具 箱( q f tt o o l b o x ) ，神经网络工具箱( n e u r a l n e t w o r kt o o l b o x ) ，多变量频域设计工具箱 ( m u l t i v a r i a b l ef r e q u e n c yd e s i g nt o o l b o x ) ，最优化工具箱( o p t i m i z a t i o nt o o l b o x ) 等。 1 9 9 2 年m a t h w o r k s 公司推出的交互式模型输入与仿真环境s i m u l i n k 更使得 m a t l a b 为控制系统的仿真与c a d 中的应用打开了崭新的局面。 目前的m a t l a b 已不仅仅是一个矩阵实验室了。它已经成为了一种具有广泛应 用前景的全新计算机高级编程语言了。 2 4 3 s i m u l i n k 的功用 s i m u l i n k 的含义包括两部分：s i m u ( 仿真) 与l i n k ( 连接) ，亦即可以利用 鼠标在模型窗口上“画出”所需的控制系统模型，然后利用s i m u l i n k 提供的功能来 对系统进行仿真或线性分析。这种做法的优点是，可以使一个很复杂系统的输入变得 相当容易且直观。 s i m u l i n k 提供了一个庞大的模型库，包括以下各个子模型库：s o u r c e s ( 输 入源) ，s i n k s ( 输出方式) ，d i s c r e t e ( 离散时间模型) ，l i n e a r ( 线性环节) ， n o n l i e a r ( 非线性环节) 。c o n n e c t i o n s ( 连接及接口) ，e x t r a s ( 其它环节) ， 而这些子模型库中又包括许多予模型，例如在s o u r c e s ( 输入源) 模型库中就包括阶 ( = ) 仿真技术概况及m a t l a b 语言天津大掌硬士掌位论文 跃函数，正弦函数，白噪声函数，时钟，常数，m a t l a b 空间变量，信号发生器等多 个模块t 2 s 2 0 可以用这些模块来组建我们的系统，模块之间的连接用鼠标拖放的方法就 可以实现，因此整个模型的输入过程变得很方便、直观。 例如模拟微分方程：叠= 一2x4 - “ 有两种方法： 1 ) 按微分方程的各个变量间的关系直接套用相应模块组成以下模型 g g a i n 图2 3 仿真模型举例1 f i g 2 - 3 t h e e x a m p l el o fs i m u l a t i o nm o d e l 其中s i g n a lg e n e r a t o r 为信号发生器，代表u 的输入，s u m 为求和模块，i n t e g r a t o r 为积 分模块，g a i n 为系数模块，s c o p e 为输出示波器。 2 ) 也可以对微分方程进行拉氏变换，求出传递函数： s x = 一2x 七u x = u ( sq - 2 ) x 砧= l ( s + 2 ) 因此，模型结构就成为下图： 图2 - 4 仿真模型举例2 f i g 2 - 4t h ee x a m p l e 2o fs i m u l a t i o nm o d e l 其中，t r a n s f e rf e n 为传递函数模块。 由上例可以看出利用s i m u l i n k 进行模型输入的灵活性及快捷性。 s i m u l i n k 还可以对仿真过程进行精确的算法设置，它提供了多种仿真用的数值 算法，包括e u l e r 算法，2 3 阶和4 5 阶r u n g e - k u t t a 算法，g e a r 预报校正算法，a d a m s 预报校正算法以及专门适合于线性系统仿真的l i n s i m 算法等。它还可以灵活地设定仿 真范围，仿真步长及仿真精度。 ( = ) 仿真技术概况及b t a t l a b 语言 天津大掌硕士掌位论文 一l2 s i m u l i n k 提供了强大的输出功能，可以用示波器实时观测仿真结果的波形，还 可以使仿真结果返回，在m a t l a b 主界面下对数据进行操作。 在s i m u l i n k 中还可以通过书写s 函数的方法建立模型。这通常较为繁琐，但用 这种方法建立的模型可以大大提高仿真效率。s 函数还可以用c 语言或f o r t r a n 语 言进行改写，然后用m a t l a b 提供的功能转换成m e x 文件，这对熟悉c 语言 f o r t r a n 语言编程的人来说无疑是很好的方法。在写出了s 函数之后，就可以使用 m a t l a b 的命令对模型进行仿真实验操作了。 由于上述s i m u l i n k 的种种特点，本文选择将其作为c o ，焊短路过渡过程计算机 仿真的工具，这样可以大大提高工作效率，便于更深入地进行研究工作。 有关s i m u l i n k 一些模块的具体使用方法，本文在后面章节将会有所解释。 2 5 本章小结 1 对仿真理论作了全面的分析，提出了仿真的重点内容及仿真模型的建立方法和 仿真实验的具体步骤。 2 对m a t l a b 软件及其s i m u l i n k 工具作了简单的介绍，指出了其特点在本文 研究中的优势体现。 3 着重论述了计算机仿真的一些基本要领和基本方法，是进行以后工作的基础， 依靠这些知识，才能有条不紊地进行下面的工作。 ( 三) 控制方案及计算机仿真天津大掌硕士掌位论文一j3 第三章控制方案及计算机仿真 在c o ：气体保护焊短路过渡过程中，存在周期性的短路燃弧过程，而这种周期性 的过程并不一定是均匀一致的，随时可能发生瞬态过程，因而短路过渡过程具有时变、 非线性的特点。对此过程的控制，无论是波形控制还是外特性控制都必须根据这些特 点来进行。 对短路过渡过程的电子控制主要有波形控制和外特性控制等。 早期波形控制的目的是为了解决飞溅和焊缝成形问题。由于c o ，气体保护焊短路 过渡过程是一个复杂的非线性过程，很难建立精确的数学模型，简单、粗放、机械的 波形( 俗称死波形) 控制并不能满足这一复杂多变、充满瞬态过程的要求。尤其是当 短路过渡出现了瞬态或非规律过程，而波形控制若不作出相应调整和适应，就会严重 影响短路过渡的稳定性。 随着弧焊电源技术( 尤其是电子化电源技术) 的发展，波形控制的精确化、精细 化、智能化成为人们的追求，也更能体现波形控制法波形灵活多变的优势。同时，波 形控制不再局限于解决c o ：焊的飞溅和成形问题，也用于改善焊接工艺性能，例如， 通过增大燃弧能量增大熔深、提高焊接速度等。新的波形控制要注意增强对复杂的短 路过渡过程的适应性，保证过程的稳定性。 影响短路过渡稳定性的有频率、弧长控制等因素，人们采取了多种措施来稳定焊 接过程。文献乜町对短路过渡频率进行智能性控 制，通过稳定短路过渡的频率来稳定焊接过 程。弧长控制则更是传统的c o ，焊控制方法， 如图3 1 。等速送丝的c o ，焊的弧长控制是利 用了电弧的自身调节特性，一般适用于细丝焊 接的情况，电弧的稳定工作点由弧焊电源的外 特性和电弧自身调节的静特性决定。这种调节 作用的电流往往会剧烈变化，使电弧显得暴 躁。类似的控制方法虽然使过程较为稳定，但 图3 一l 电弧的自身调节特性曲线 f i g 3 - ls e l f - a d j u s tc h a r a c t e r i s t i co f a r c 却削弱了飞溅和成形的控制。文献3 们在传统弧长控制的基础上，研究了双阶梯恒流外 特性用于等