第5章 焊接自动化控制系统

1、主讲教师主讲教师: : 陈银银陈银银1582480778315824807783第五章第五章 焊接自动化控制系统焊接自动化控制系统v5.1 5.1 概述概述v5.2 5.2 焊接自动化控制系统常用硬件电路焊接自动化控制系统常用硬件电路v5.3 5.3 常用自动控制算法常用自动控制算法v5.4 5.4 焊接自动化硬件技术焊接自动化硬件技术v5.5 5.5 焊接自动化软件技术焊接自动化软件技术章节目录章节目录 1 1 自动控制基本概念；方块图；自动控制及自动控自动控制基本概念；方块图；自动控制及自动控制系统；系统分类；自动控制系统的基本特性制系统；系统分类；自动控制系统的基本特性 2 2 开环与闭

2、环控制开环与闭环控制 3 3 常用的控制方式和策略常用的控制方式和策略重点、难点重点、难点： 自动控制系统的工作原理；自动控制系统的工作原理； 反馈控制的基本原理；反馈控制的基本原理； 闭环控制系统的组成。闭环控制系统的组成。主要知识点：主要知识点：1、 控制的概念控制的概念控制：就是为了达到某种目的，对事物进行主动的干控制：就是为了达到某种目的，对事物进行主动的干 预、管理或操纵。预、管理或操纵。调压器220V转台直流电机整流器一、自动控制基本概念一、自动控制基本概念 传统引弧传统引弧无飞溅引弧无飞溅引弧传统引弧传统引弧举例：焊接引弧控制举例：焊接引弧控制控制：控制：就是利用控制装置（机械装

3、置、电气装置或计算机系统就是利用控制装置（机械装置、电气装置或计算机系统等），使生产过程或被控对象（机器或电气设备等）的某些物等），使生产过程或被控对象（机器或电气设备等）的某些物理量（温度、压力、速度、位移等）按照特定的规律运行。理量（温度、压力、速度、位移等）按照特定的规律运行。控制系统：控制系统：为了实现某种控为了实现某种控制要求，将相互关联的部分制要求，将相互关联的部分按一定的结构形式构成的系按一定的结构形式构成的系统，称为控制系统。统，称为控制系统。 该系统能够提供预期的系该系统能够提供预期的系统响应，以达到特定的控制统响应，以达到特定的控制要求。要求。2、方框图、方框图方框图又称方

4、块图：它是由方框和箭头等组成。方框图又称方块图：它是由方框和箭头等组成。 箭头表示输入和输出，并且在箭头上表明相应的信号。箭头表示输入和输出，并且在箭头上表明相应的信号。输出量对象输入量交流电压直流电机转速整流器转台调压器220V转台直流电机整流器方块图中的求和点和分支点：方块图中的求和点和分支点：求和点（又称相加点或比较点）：信号在此点相加减。求和点（又称相加点或比较点）：信号在此点相加减。分支点（又称分路点）：信号在此点引出。分支点（又称分路点）：信号在此点引出。注意：引出点只表示信号的引出，而不改变信号的大小。注意：引出点只表示信号的引出，而不改变信号的大小。BAA3、自动控制与自动控制

5、系统、自动控制与自动控制系统控制：人工控制和自动控制控制：人工控制和自动控制焊接转台速度控制：焊接转台速度控制：交流电压直流电机转速整流器转台1322人工控制与自动控制对比：人工控制与自动控制对比：控制过程相同：测量、比较、调整三个环节组成。控制过程相同：测量、比较、调整三个环节组成。测量：检测输出（被控）量测量：检测输出（被控）量比较：根据输出值和给定值求出偏差比较：根据输出值和给定值求出偏差调整：执行控制或者说纠正偏差调整：执行控制或者说纠正偏差控制、检测手段不同：控制、检测手段不同：（1）测量）测量 前者靠操作者的眼睛，而后者靠热传感器前者靠操作者的眼睛，而后者靠热传感器（2）比较）比较

6、 前者靠操作者的头脑，后者靠自动控制电路前者靠操作者的头脑，后者靠自动控制电路（3）调整）调整 前者靠操作者的手，后者靠电机等调节机构前者靠操作者的手，后者靠电机等调节机构输入量控制装置输出量控制对象对控制对象起作对控制对象起作用的装置的总体用的装置的总体实现自动控制的机器、实现自动控制的机器、设备或生产过程设备或生产过程交流电压直流电机转速整流器转台输入量控制装置输出量控制对象自动控制系统：自动控制系统：控制装置与控制对象的总和。控制装置与控制对象的总和。自动控制的过程：自动控制的过程：测偏与纠偏的过程。测偏与纠偏的过程。偏差偏差=期望值期望值-实际值实际值测偏与纠偏？测偏与纠偏？反馈控制反

7、馈控制反馈：通过测量元件及反馈通道将输出量的一部分或全部反馈：通过测量元件及反馈通道将输出量的一部分或全部 返回到输入端。返回到输入端。反馈控制原理：反馈控制原理： 利用反馈将输出量的一部分或全部返回到输入端，并利用反馈将输出量的一部分或全部返回到输入端，并与输入量相比较，比较的结果称为偏差，根据偏差的大小与输入量相比较，比较的结果称为偏差，根据偏差的大小与方向进行调节控制，最后使偏差减小或消除，从而使输与方向进行调节控制，最后使偏差减小或消除，从而使输出量按照预定的规律变化。出量按照预定的规律变化。特点：存在反馈；根据偏差进行控制或调节。特点：存在反馈；根据偏差进行控制或调节。反馈控制系统基

8、本构成与标准方块图：反馈控制系统基本构成与标准方块图：反馈量比较环节被控量控制对象调节部分执行部分给定环节控制环节反馈环节目标值给定环节：目标（给定）值给定环节：目标（给定）值比较环节：输入目标（给定）值和反馈值，输出偏差值比较环节：输入目标（给定）值和反馈值，输出偏差值控制环节（控制器）包括调节部分和执行部分控制环节（控制器）包括调节部分和执行部分调节部分：根据偏差产生控制信号调节部分：根据偏差产生控制信号执行部分：根据控制信号产生控制量作用于控制对象执行部分：根据控制信号产生控制量作用于控制对象反馈环节：产生反馈量。反馈环节：产生反馈量。反馈信号与给定信号符号相反时，称为负反馈，否则为反馈

9、信号与给定信号符号相反时，称为负反馈，否则为正反馈。在自动控制系统中，主反馈一定是负反馈正反馈。在自动控制系统中，主反馈一定是负反馈。反馈环节的核心是反馈环节的核心是传感器传感器控制（调节）器的核心是控制策略和控制规律控制（调节）器的核心是控制策略和控制规律执行部分常常采用电机、机械、液压机构执行部分常常采用电机、机械、液压机构。4 4、自动控制系统的基本类型、自动控制系统的基本类型5 5、自动控制系统的基本特性、自动控制系统的基本特性 （1）稳定性）稳定性 系统处于平衡状态下，受到扰动作用后，系统处于平衡状态下，受到扰动作用后，系统恢复原有平衡状态的能力。系统恢复原有平衡状态的能力。（2）稳

10、态精度）稳态精度 调节过程（暂态）结束后所处的调节过程（暂态）结束后所处的状态称为稳态，稳态精度常以稳态误差来衡量。稳态状态称为稳态，稳态精度常以稳态误差来衡量。稳态误差是指稳态时系统期望输出量和实际输出量之差。误差是指稳态时系统期望输出量和实际输出量之差。 （3）动态品质）动态品质 反映系统调节过程性能的优劣。反映系统调节过程性能的优劣。 通常用调节时间、超调量、振荡次数等动态响应通常用调节时间、超调量、振荡次数等动态响应指标来衡量。指标来衡量。1、开环控制与开环控制系统、开环控制与开环控制系统交流电压直流电机转速整流器转台调压器220V转台直流电机整流器二、开环控制与闭环控制二、开环控制与

11、闭环控制 控制系统的输出端与输入端之间无反馈通道，即系统的输出控制系统的输出端与输入端之间无反馈通道，即系统的输出量不影响系统的控制作用时，该系统称为开环控制系统。量不影响系统的控制作用时，该系统称为开环控制系统。开环控制：开环控制：只有顺向控制而无反馈控制的控制方式只有顺向控制而无反馈控制的控制方式。开环控制系统的特点：开环控制系统的特点：结构简单，调整方便，系统稳定性好，成本低。结构简单，调整方便，系统稳定性好，成本低。系统不能自动补偿扰动对系统输出量的影响。系统不能自动补偿扰动对系统输出量的影响。开环控制系统的精度：开环控制系统的精度：取决于系统校准的精度和系统中元器件特性的稳定程度。取

12、决于系统校准的精度和系统中元器件特性的稳定程度。扰动输入输出量控制作用参考输入控制器被控对象2、 闭环控制与闭环控制系统闭环控制与闭环控制系统 控制系统的输出与输入间存在着反馈通道，即系统的输出对控制控制系统的输出与输入间存在着反馈通道，即系统的输出对控制作用有直接影响的系统，称为闭环控制系统。作用有直接影响的系统，称为闭环控制系统。闭环控制：闭环控制：反馈控制。反馈控制。闭环控制系统的特点：闭环控制系统的特点：存在有反馈，抗干扰能力强，控制精度高。存在有反馈，抗干扰能力强，控制精度高。系统复杂、成本较高。系统复杂、成本较高。闭环控制系统的精度：闭环控制系统的精度： 系统校准的精度和系统中元器

13、件特性的稳定程度；系统校准的精度和系统中元器件特性的稳定程度；系统的反馈控制精度和系统内部参数的匹配。系统的反馈控制精度和系统内部参数的匹配。反馈量反馈量较节较节比环比环被控量被控量控制控制对象对象调节调节部分部分执行执行部分部分控制环节控制环节反馈环节反馈环节给定值给定值三、常用控制方式和策略三、常用控制方式和策略焊接自动化中常用的控制方式：焊接自动化中常用的控制方式：位置控制位置控制 属于点位控制方式；往往用于点到点的控制属于点位控制方式；往往用于点到点的控制 例如：焊枪定位，工位转换，焊接起始点或终点控制等等。例如：焊枪定位，工位转换，焊接起始点或终点控制等等。 位移控制位移控制 属于连

14、续轨迹控制方式；往往用于连续焊缝的自动控制属于连续轨迹控制方式；往往用于连续焊缝的自动控制 例如：直线焊接位移控制、环形焊缝焊接位移控制等例如：直线焊接位移控制、环形焊缝焊接位移控制等 。 速度控制速度控制 焊枪或工件等运动速度控制；变速控制与等速控制。焊枪或工件等运动速度控制；变速控制与等速控制。 轨迹控制轨迹控制 主要用于复杂空间曲线焊缝的运动轨迹控制主要用于复杂空间曲线焊缝的运动轨迹控制 。程序控制程序控制 以合理的次序和时间间隔使自动焊接系统中的弧焊电源、送丝机、以合理的次序和时间间隔使自动焊接系统中的弧焊电源、送丝机、 操作机、变位机等各个被控对象进入特定的工作状态操作机、变位机等各

15、个被控对象进入特定的工作状态常用控制策略常用控制策略传统控制策略、现代控制策略和智能控制策略传统控制策略、现代控制策略和智能控制策略。 传统控制策略：传统控制策略：PIDPID控制策略；串级控制策略等控制策略；串级控制策略等现代控制策略：现代控制策略：自适应控制策略；变结构控制策略等自适应控制策略；变结构控制策略等智能控制策略：模糊控制策略；专家系统控制策略；智能控制策略：模糊控制策略；专家系统控制策略； 神经网络控制策略等神经网络控制策略等复合控制策略：模糊复合控制策略：模糊PIDPID控制策略；控制策略； 模糊变结构控制策略等模糊变结构控制策略等1、PID控制控制 PID控制控制P：比例控

16、制；比例控制； I：积分控制；积分控制； D：微分控制。微分控制。PID控制规则：控制规则：)()()(1)()(00tudttdeTdeTteKtutDIP积分控制比例控制微分控制对象输入输出（1 1）控制原理）控制原理 P控制控制 对当前信息控制，纠正偏差，对当前信息控制，纠正偏差，动态响应；动态响应；D控制控制 对偏差变化趋势（将来信息）控制，超前控制对偏差变化趋势（将来信息）控制，超前控制 减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性；减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性；I 控制控制 对过去积累信息控制，消除系统的静态偏差，对过去积累信息控制，消除系统的静态偏差， 改善系统的静态特性。改善系

17、统的静态特性。 PID控制：控制：KP：系统的开环增益系统的开环增益K,系统的响应系统的响应,系统的稳态误差；系统的稳态误差； 但但KP过大，超调较大，并产生振荡，过大，超调较大，并产生振荡，系统稳定性。系统稳定性。Ti：超调，超调，振荡，系统动态过程的平稳性得到改善；振荡，系统动态过程的平稳性得到改善； 但是快速性变差，并将减慢系统静差的消除。但是快速性变差，并将减慢系统静差的消除。 Td：超调，超调，系统的动态响应，系统的动态响应，系统的快速性、稳定性；系统的快速性、稳定性； 但但系统抑制扰动的能力，系统抑制扰动的能力，系统的稳态误差。系统的稳态误差。 PID控制参数：控制参数：KP 比例

18、环节的比例增益；比例环节的比例增益；Ti 积分环节的时间常数；积分环节的时间常数；Td 微分环节的时间常数。微分环节的时间常数。先比例、后积分、再微分。先比例、后积分、再微分。首先加入比例部分，将首先加入比例部分，将KP由小变大，并观察相应的系统响应，直至由小变大，并观察相应的系统响应，直至性能指标满足要求为止。性能指标满足要求为止。若静差不能满足要求，需要加入积分环节，首先取较大的若静差不能满足要求，需要加入积分环节，首先取较大的Ti值，略降值，略降低低KP（如为原来值的如为原来值的0.8倍）。然后反复调整倍）。然后反复调整Ti若经反复调整，系统动态过程仍不满意，可加入微分环节。首先置若经反

19、复调整，系统动态过程仍不满意，可加入微分环节。首先置Td为零，逐步增大为零，逐步增大Td，同时反复改变同时反复改变KP和和Ti，三个参数反复调整，三个参数反复调整，最后得到一组合适的参数。最后得到一组合适的参数。 PID的参数并不是唯一的，因为比例、积分、微分三个的参数并不是唯一的，因为比例、积分、微分三个环节的控制作用，相互可以调节，相互可以补偿，因此不环节的控制作用，相互可以调节，相互可以补偿，因此不同的同的PID控制参数组合可以获得相同的动态响应特性。控制参数组合可以获得相同的动态响应特性。 PID参数的整定：参数的整定：（2）控制器应用电路）控制器应用电路 R0Rfurucucurut

20、0NR1rpcUKU 0RRKfp比例控制器的输出与输入成比例的变化而与时间无关；比例控制器的输出与输入成比例的变化而与时间无关；比例控制反应迅速，调节及时；比例控制反应迅速，调节及时；它的输出完全由输入的当前值所决定它的输出完全由输入的当前值所决定。 2 2) )积分（积分（I I）控制器控制器 dtuCRucr101TIR0C1为积分时间常数。为积分时间常数。R0C1urucucurut0ucmR1N系统的阶跃响应系统的阶跃响应: : 一条随时间线性增长的斜线。即一条随时间线性增长的斜线。即uctTIur。积分控制器的输出量：积分控制器的输出量： 不可能无限制地增长，它要受到电源电压，或输

21、出限幅不可能无限制地增长，它要受到电源电压，或输出限幅电路的限制。电路的限制。 积分控制器的输出特性有三个特点：积分控制器的输出特性有三个特点： 只要只要ur0，uc总要逐渐增长（除非达到饱和值）；总要逐渐增长（除非达到饱和值）； 只有只有ur0时，时，uc才不增长，并保持为某一固定值；才不增长，并保持为某一固定值； 只要输出达到饱和值，那么必须等输人信号只要输出达到饱和值，那么必须等输人信号ur变极性后，输变极性后，输出出uc才能减小，控制器才能退饱和。才能减小，控制器才能退饱和。 积分器具有延缓作用、积累作用和记忆作用，积分器的输出并不积分器具有延缓作用、积累作用和记忆作用，积分器的输出并

22、不取决于输入量的现状，它取决于输入量的全部历史状态。取决于输入量的现状，它取决于输入量的全部历史状态。 3 3) )比例积分（比例积分（PIPI）控制器控制器 dtuCRuKurrpc101其中其中TIR0Cl ，PI控制器积分时间常数；控制器积分时间常数；KP-R1/R0 ，PI控制器比例放大系数控制器比例放大系数。 R0C1urucucKpurut0ucmR1NR2ur系统的阶跃响应曲线：系统的阶跃响应曲线：uc（KPt/TI）ur。 比例积分控制器的输出：由比例和积分两部分组成。比例积分控制器的输出：由比例和积分两部分组成。PI控制器：比例部分能迅速响应控制作用控制器：比例部分能迅速响应

23、控制作用 积分部分则可以最终消除稳态误差积分部分则可以最终消除稳态误差PI调节器的积分临界频率：调节器的积分临界频率： fI =1/(2CI R1 ) PI调节器在频率较低时主要起积分器的作用，而在高频时主调节器在频率较低时主要起积分器的作用，而在高频时主要要起线性比例放大器的作用。起线性比例放大器的作用。 4) PD控制器控制器 dtduTkukucrDPrpR0C1urucucKput0R1NR2urR3其中，其中，KP-(R1+ R2)/R0，比例系数比例系数 TD(R1 R2) Cl /(R1+ R2)，微分时间常数微分时间常数 突加一个阶跃信号的瞬间，反馈电压被突加一个阶跃信号的瞬间

24、，反馈电压被Cl旁路，反馈到输入端的电压旁路，反馈到输入端的电压很小，故输出电压突然增至很大。很小，故输出电压突然增至很大。 随着随着Cl充电，输出电压逐渐降低，充电，输出电压逐渐降低，Cl充电结束后，充电结束后， Cl相当于开路，控相当于开路，控制器相当于制器相当于P控制器，输出电压与输入电压成比例变化。控制器，输出电压与输入电压成比例变化。 PD控制器具有超前控制的作用，当控制信号有变化趋势时，控制器具有超前控制的作用，当控制信号有变化趋势时，PD控制器控制器立即输出一个幅值很大的控制信号，加快响应过程或补偿系统的惯性。立即输出一个幅值很大的控制信号，加快响应过程或补偿系统的惯性。5) PID控制器控制器 t0rIPrDPrpcdtuTKdtduTKuKu其中，其中，KP-R1/R0，PID控制器比例系数；控制器比例系数； TIR1Cl ，PID控制器积分时间常数；控制器积分时间常数；TDR2 C2，PID控制器微分时间常数。控制器微分时间常数。C2Cl，R1R2。 R0C1urucucKput0R1NR2urR3C2三种控制作用的组合作三种控制作用的组合作用具有三个独立控制作用具有三个独立控制作用各自的优点用各自的优点 2、串级控制串级控制 多回路闭环控制策略。回路闭环控制策略。一般由多个传感器、多个调节器，或者由多个传