焊接自动化学习教案

1、会计学1焊接焊接(hnji)自动化自动化第一页，共43页。1、 控制控制(kngzh)的的概念概念控制：就是为了达到某种目的，对事物进行控制：就是为了达到某种目的，对事物进行(jnxng)主动的主动的干干 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第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 1.11.1自动控制基本概念自动控制基本概念 第1页/共42页第二页，共43页。传统传统(chuntng)引弧引弧无飞溅无飞溅(fijin)引引弧弧传统传统(chuntng)引弧引弧第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 举例：焊接引弧控制举例：焊接引弧控制第2页/共

2、42页第三页，共43页。控制：就是利用控制装置（机械装置、电气装置或计算机系统等），控制：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）的某些物理量（温度、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、位移压力、速度、位移(wiy)等）按照特定的规律运行。等）按照特定的规律运行。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 第3页/共42页第四页，共43页。焊接焊接(hnji)自动化机床自动化机床 第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 控制系统：为了实现某种控制要求，将相控制系统：

3、为了实现某种控制要求，将相互关联的部分按一定的结构形式构成互关联的部分按一定的结构形式构成(guchng)的系统，称为控制系统。的系统，称为控制系统。该系统能够提供预期的系统响应，以该系统能够提供预期的系统响应，以达到特定的控制要求。达到特定的控制要求。第4页/共42页第五页，共43页。2、方框图、方框图方框图又称方块图：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。 箭头表示输入箭头表示输入(shr)和输出，并且在箭头上表明相应的信号和输出，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第二章第二章 控制技术基础

4、控制技术基础(jch) (jch) 第5页/共42页第六页，共43页。方块图中的求和方块图中的求和(qi h)点和分点和分支点：支点：求和点（又称相加点或比较求和点（又称相加点或比较(bjio)点）：信号在此点相加减。点）：信号在此点相加减。分支点（又称分路点）：信号分支点（又称分路点）：信号(xnho)在此点引出。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。BAA第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第6页/共42页第七页，共43页。3、自动控制、自动控制(z dn kn zh)与自与自动控制动控制(z dn kn zh)

5、系统系统控制控制(kngzh)：人工控制：人工控制(kngzh)和自动控制和自动控制(kngzh)焊接转台速度焊接转台速度(sd)控控制：制：第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第7页/共42页第八页，共43页。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 交流电压直流电机转速整流器转台132第8页/共42页第九页，共43页。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 2第9页/共42页第十页，共43页。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 第10页/共42页第十一页，共43页。人工控制与自动控制人工控制与自动控制(z dn kn zh)对对比：比：控制

6、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：执行调整：执行(zhxng)控制或者说纠正偏差控制或者说纠正偏差控制、检测手段控制、检测手段(shudun)不同：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 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

7、第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第11页/共42页第十二页，共43页。输入量控制装置输出量控制对象对控制对控制(kngzh)对象起作用的装对象起作用的装置的总体置的总体实现自动控制实现自动控制(z dn kn zh)的机器、设备的机器、设备或生产过程或生产过程第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第12页/共42页第十三页，共43页。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自动控制(kngzh)系统：控制系统：控制(kngzh)装置与控装置与控制制(kngzh)对象的总和。对象的总和。自动控制的过程自动控制的过程(guchng)：测偏与纠偏的：测偏与纠偏的过

8、程过程(guchng)。偏差偏差(pinch)=期望值期望值-实际实际值值第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第13页/共42页第十四页，共43页。测偏与纠偏测偏与纠偏(ji pin)？反馈反馈(fnku)控控制制反馈：通过测量元件反馈：通过测量元件(yunjin)及反馈通道将输出量的一部及反馈通道将输出量的一部分或全部分或全部 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

9、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。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第14页/共42页第十五页，共43页。反馈控制系统反馈控制系统(kn zh x tn)基本构成与基本构成与标准方块图：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第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 第15页/共42页第十六页，共43页。给定环节给定环节(hunji)：目标（给定

10、）值：目标（给定）值比较比较(bjio)环节：输入目标（给定）值和反馈值，输出偏差环节：输入目标（给定）值和反馈值，输出偏差值值控制环节控制环节(hunji)（控制器）包括调节部分和执行部分（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，否则为正反反馈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馈。在自动控制系统中，主反馈一定是负反

11、馈。反馈环节的核心是传感器反馈环节的核心是传感器控制（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。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第16页/共42页第十七页，共43页。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 第17页/共42页第十八页，共43页。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第18页/共42页第十九页，共43页。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 第19页/共42页第二十页，共43页。（1）稳定性）稳定性 系统处于系统处于(c

12、hy)平衡状态下，受到扰动平衡状态下，受到扰动作用后，系统恢复原有平衡状态的能力。作用后，系统恢复原有平衡状态的能力。（2）稳态精度）稳态精度 调节过程（暂态）结束后所处调节过程（暂态）结束后所处(su ch)的状态称为稳态，稳态精度常以稳态误差来衡量的状态称为稳态，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。稳态误差是指稳态时系统期望输出量和实际输出量之差。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指标来通常用调节时间、超调量、振荡次数等动态响应指标来衡量。衡量。第二章第

13、二章 控制技术基础控制技术基础 第20页/共42页第二十一页，共43页。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 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第21页/共42页第二十二页，共43页。 控制系统控制系统(kn zh x tn)的输出端与输入端之间无反馈通道，即系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(kn zh x tn)。开环控制：只有顺向开环控制：只有顺向(shn xin)控制而无反馈控制的控制方式。控制而无反馈控制的控制方式。开

14、环控制系统开环控制系统(kn zh x tn)的特点：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第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第22页/共42页第二十三页，共43页。2、 闭环控制与闭环控制系统闭环控制与闭环控制系统(xtng)第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch)

15、 (jch) 第23页/共42页第二十四页，共43页。 控制系统控制系统(kn zh x tn)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，称为闭环控制系统直接影响的系统，称为闭环控制系统(kn zh x tn)。闭环控制：反馈闭环控制：反馈(fnku)控制。控制。闭环控制系统闭环控制系统(xtng)的特点：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件特性的稳定程度；系

16、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。反馈量较节比环被控量控制对象调节部分执行部分控制环节反馈环节给定值第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第24页/共42页第二十五页，共43页。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 焊接焊接(hnji)(hnji)自动化中常用的控制方式：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

17、控制等等。 位移控制位移控制 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

18、进入特定的工作状态操作机、变位机等各个被控对象进入特定的工作状态第25页/共42页第二十六页，共43页。传统传统(chuntng)(chuntng)控制策略、现代控制策略和智能控制策略。控制策略、现代控制策略和智能控制策略。 传统传统(chuntng)(chuntng)控制策略：控制策略：PIDPID控制策略；串级控控制策略；串级控制策略等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：智能控制策略：模糊控制策略；专家系统控制策略；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

19、略：模糊PID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第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第26页/共42页第二十七页，共43页。1、PID控制控制(kngzh) PID控制控制(kngzh)P：比例控制：比例控制(kngzh)； I：积分控制：积分控制(kngzh)； D：微分控制：微分控制(kngzh)。PID控制控制(kngzh)规则规则：)()()(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 第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第27页/共42页第二十八页，共43页。P控制控制 对

20、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，提高系统减小超调，克服振荡，提高系统(xtng)的稳定性；的稳定性；I 控制控制 对过去积累信息控制，消除系统对过去积累信息控制，消除系统(xtng)的静态偏差的静态偏差， 改善系统改善系统(xtng)的静态特性。的静态特性。 PID控制控制(kngzh)：第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 第28页/共42页第二十九页，共43页。KPKP：系统系统(xtng)(xtng)的开环增益的开

21、环增益K,K,系统系统(xtng)(xtng)的响应的响应,系统系统(xtng)(xtng)的稳态误差；的稳态误差； 但但KPKP过大，超调较大，并产生振荡，过大，超调较大，并产生振荡，系统系统(xtng)(xtng)稳定性。稳定性。TiTi：超调，超调，振荡，系统振荡，系统(xtng)(xtng)动态过程的平稳性得到改善；动态过程的平稳性得到改善； 但是快速性变差，并将减慢系统但是快速性变差，并将减慢系统(xtng)(xtng)静差的消除。静差的消除。 Td Td：超调，超调，系统系统(xtng)(xtng)的动态响应，的动态响应，系统系统(xtng)(xtng)的快速性、的快速性、稳定性；

22、稳定性； 但但系统系统(xtng)(xtng)抑制扰动的能力，抑制扰动的能力，系统系统(xtng)(xtng)的稳态误差。的稳态误差。 PID控制参数：控制参数：KP 比例环节比例环节(hunji)的比例增益；的比例增益；Ti 积分环节积分环节(hunji)的时间常数；的时间常数；Td 微分环节微分环节(hunji)的时间常数。的时间常数。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 第29页/共42页第三十页，共43页。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，直至性能指标满由小变大，并观察相应

23、的系统响应，直至性能指标满足要求为止。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，略降低值，略降低KP（如（如为原来值的为原来值的0.8倍）。然后倍）。然后(rnhu)反复调整反复调整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，逐为零，逐步增大步增大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，最后得到一组合适的参，三个参数反复调整，最后得到一组合适的参数。数。 PID的参数并不是唯一的，因为比例、积分、微分三个环的

24、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，因此节的控制作用，相互可以调节，相互可以补偿，因此(ync)不不同的同的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参数参数(cnsh)的整定：的整定：第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第30页/共42页第三十一页，共43页。R0Rfurucucurut0NR1rpcUKU 0RRKfp比例控制器的输出与输入成比例的变化而与时间比例控制器的输出与输入成比例的变化而与时间(shjin)(shjin)无关；无关；比例控制反应迅速，调节及时；比例控制反应迅速，

25、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。 第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第31页/共42页第三十二页，共43页。dtuCRucr101TIR0C1为积分为积分(jfn)时间常数。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ucuct tTIurTIur。积分积分(jfn)(jfn)控制器的输出量：控制器的输出量： 不可能无限制地增长，它要受到电源电压，或输出限幅电路的限制。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。 第二章第二章

26、控制技术基础控制技术基础 第32页/共42页第三十三页，共43页。只要只要ur0ur0，ucuc总要逐渐总要逐渐(zhjin)(zhjin)增长（除非达到饱和值增长（除非达到饱和值）；）； 只有只有(zhyu)ur(zhyu)ur0 0时，时，ucuc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，输出变极性后，输出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，积分器的输出并不取决

27、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。 第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第33页/共42页第三十四页，共43页。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(sh jin chn sh)；KP-R1/R0 ，PI控制器比例放大系数。控制器比例放大系数。 R0C1urucucKpurut0ucmR1NR2ur系统的阶跃响应系统的阶跃响应(xingyng)(xingyng)曲线：曲线：ucuc（KPKPt/TIt/TI）urur。 比例积分控制器的输出：由比例和积分两部分组成。比例积

28、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，而在高频时主要起线性比例要起线性比例放大器的作用。放大器的作用。 第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第34页/共42页第三十五页，共43页。dtduTkukucrDPrpR0C1urucucKput0R1NR2urR3其中，其中，KP-(R1+

29、R2)/R0，比例系数，比例系数(xsh) TD(R1 R2) Cl /(R1+ R2)，微分时间常数，微分时间常数 突加一个阶跃信号突加一个阶跃信号(xnho)(xnho)的瞬间，反馈电压被的瞬间，反馈电压被ClCl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ClCl充电，输出电压逐渐降低，充电，输出电压逐渐降低，ClCl充电结束后，充电结束后， Cl Cl相当于开路，控制器相相当于开路，控制器相当于当于P 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控制器具有控制器具有(jyu

30、)超前控制的作用，当控制信号有变化趋势时，超前控制的作用，当控制信号有变化趋势时，PD控制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。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。第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第35页/共42页第三十六页，共43页。t0rIPrDPrpcdtuTKdtduTKuKu其中，其中，KPKP-R1/R0-R1/R0，PIDPID控制器比例控制器比例(bl)(bl)系数；系数； TIR1Cl ，PID控制器积分时间常数控制器积分时间常数(sh jin chn sh)；TDR2 C2，PID控制器微分时间常数控制器微分

31、时间常数(sh jin chn sh)。C2Cl，R1R2。 R0C1urucucKput0R1NR2urR3C2三种控制作用的组合三种控制作用的组合(zh)(zh)作用具有三个独立作用具有三个独立控制作用各自的优点控制作用各自的优点 第二章第二章 控制技术基础控制技术基础 第36页/共42页第三十七页，共43页。多回路(hul)闭环控制策略。一般由多个传感器、多个调节器，或者由多个传感器、一个调节器、一个补偿器等组成多个回路(hul)的控制系统。 主参数设定主调节器副调节器副对象主对象主参数副传感器主传感器扰动扰动+-+-+副参数第二章第二章 控制技术基础控制技术基础(jch) (jch) 第37页/共42页第三十八页，共43页。系统的系统的“结构结构”并不固定，可以在动态并不固定，可以在动态(dngti)(dngti)过程过程中，根据系统当时的状态（如偏差及各阶导数等），以中，根据系