73.Системы автоматического управления
Теории автоматического регулирования и управления
1.1 Основные понятия, классы задач и виды управления
Среди технических объектов, создаваемых для удовлетворения различных производственных процессов, хозяйственных, оборонных и других нужд общества, значительная доля таких, которые не могут обеспечить желаемое течение процесса или функционирование объектов (достижение желаемой цели) без специально организованной коррекции процессов в них и соответственно воздействий извне на них. Во многих случаях такие корректирующие воздействия извне необходимы только для некоторой части технического объекта или объекта в целом.
Объекты, в которых протекает управляемый процесс, называются объектами управления (ОУ). Это разнообразные технические устройства и комплексы, технологические или производственные процессы. Состояние объекта можно характеризовать одной или несколькими физическими величинами, называемыми корректирующими воздействия, или управляемыми, регулируемыми переменными, а процессы выработки и осуществления управляющих воздействий – управлениями. При выборе вида и принципа управления должны учитывать два основных требования, вытекающих из назначения управления: во-первых, цель и вид управления должны быть согласованы с видом желаемого функционирования объекта (с целью функционирования), во-вторых, принципы управления и значения параметров управляющих воздействий должны быть согласованы со свойствами ОУ. Для технического устройства, например, сварочного источника питания, регулируемой переменной величиной может быть напряжение на его выходных клеммах в зависимости от тока процесса сварки; для производственного участка или цеха – объем выпускаемой им промышленной продукции.
Как правило, к объекту управления приложено два вида воздействий: корректирующее, управляющее воздействие извне z(t) и возмущающее f(t); состояние объекта характеризуется переменной х(t) (рис.1.1).
Рис. 1.1. Сигналы в объекте управления
Изменение регулируемой величины х(t) обусловливается как управляющим воздействием z(t), так и возмущающим, или помехой, f(t).
Воздействия, прикладываемые к объекту управления с целью изменения управляемой величины в соответствии с требуемым законом, а также для компенсации влияния возмущений на характер изменения управляемой величины, называются управляющими.
Возмущающим называется такое воздействие, которое нарушает требуемую функциональную связь между регулируемыми или управляемыми переменными и управляющим воздействием. Если возмущение характеризует действие внешней среды на объект, то оно называется внешним. Если это воздействие возникает внутри объекта за счет протекания нежелательных, но неизбежных процессов при его нормальном функционировании, то такие возмущения называются внутренними.
Основная цель автоматического управления любым объектом или процессом состоит в том, чтобы непрерывно поддерживать с заданной точностью требуемую функциональную зависимость между управляемыми переменными, характеризующими состояние объекта, и управляющими воздействиями в условиях взаимодействия объекта с внешней средой, т.е. при наличии как внутренних, так и внешних возмущающих воздействий. Математическое выражение этой функциональной зависимости называется алгоритмом управления.
Любой объект управления сопряжен с одним или несколькими регуляторами, формирующими управляющие воздействия, подаваемые на регулирующий орган. Объект управления совместно с управляющим устройством, или регулятором, образуют систему управления, или регулирования. При этом, если человек не участвует в процессе управления, то такая система называется системой автоматического управления.
Система – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, предназначенная для достижения определенных целей (решения определенных задач), обладающая свойствами целостности и законченности.
Регулятор системы представляет собой комплекс устройств, соединенных между собой в определенной последовательности и осуществляющих реализацию простейших операций над сигналами. В связи с этим представляется возможным проведение декомпозиции (расчленения) регулятора на отдельные функциональные элементы – конструктивно-целостные ячейки, выполняющие одну определенную операцию с сигналом. К таким операциям следует отнести:
1) преобразование контролируемой величины в сигнал;
2) преобразование:
а) сигнала одного рода энергии в сигнал другого рода энергии,
б) непрерывного сигнала в дискретный сигнал - и обратно,
в) сигнала по величине энергии,
г) вида функциональной связи между входными и выходными сигналами;
3) хранение сигналов;
4) формирование программных сигналов;
5) сравнение контролируемых и программных (требуемых) сигналов и формирование сигнала рассогласования (ошибки);
6) выполнение логических и арифметических операций;
7) преобразование частотных свойств сигнала (сжатие, модуляция);
8) распределение сигналов по различным каналам управления;
9) применение сигналов для воздействия на объект управления посредством регулирующих органов.
Перечисленные операции с сигналами выполняются элементами системы автоматического управления (САУ). Эти сигналы используются в дальнейшем как основа управления всего многообразия автоматики, применяемой в различных системах по характеру, назначению и принципу действия в САУ и контроля.
Структура системы – совокупность и характер связей и отношений элементов в системе. Нарушения структуры объекта, как правило, приводят к изменениям его свойств и соответственно хода процессов в нем, а, следовательно, и возможностей достижения желаемого функционирования. Возмущения на структуру физически проявляются в виде изменений уровня (вплоть до полной потери) работоспособности отдельных элементов (изменений свойства законченности) или нарушений связей между элементами (нарушений свойства целостности). В теории надежности возмущения этого класса называют отказами.
С точки зрения выбора методов анализа эволюции работоспособности объектов, а также обеспечения необходимого уровня их работоспособности важно различать вид возмущений на структуру: внутренние и внешние.
В практической деятельности человечество встречается со значительным разнообразием физических принципов функционирования и назначений технических объектов, однако число классов задач управления ими невелико и может быть сведено к четырем классам [8]:
1. Задачи обеспечения заданного характера изменения координат или некоторых функций от них объекта управления. Задачи этого класса наиболее часто встречаются в практике автоматизации технологических процессов, например, САУ скоростью сварки, скоростью подачи электродной проволоки, током и напряжением на дуге и т.п.
2. Задачи коррекции динамических свойств объектов управления, например задачи перевода из естественного неустойчивого характера процессов в объекте в устойчивый процесс; из колебательного – в апериодический и т.п. Такого рода задачи чаще всего встречаются в процессе управления переносом металла с электрода в сварочную ванну при автоматической сварке плавящимся электродом, в процессе управления проплавляющей способности дуги при импульсно-дуговой сварке неплавящимся электродом тонколистовых конструкций, управления подвижными объектами, в частности летательными аппаратами.
3. Задачи компенсации возмущений, воздействующих на процессы в объектах (действия факторов внешней среды или изменений параметров собственных свойств объектов) с целью сохранения желаемого характера их функционирования. Этот класс задач управления включает три типичных, широко распространенных в практике автоматизации объектов подкласса.
3.1. Задачи компенсации возмущений, вызывающих отклонения от желаемых значений координат процессов в объектах. Их называют возмущениями на координаты объектов. Редко встречаются объекты, не подверженные возмущениям на координаты. В качестве примеров можно отметить возмущения по длине дуги при сварке, которые существенно влияют на энергетические параметры процесса сварки и геометрические параметры шва. Изменения электрической нагрузки сварочных источников тока вызывают отклонение выходного напряжения от номинальных величин и т. п. Заметим, что в дифференциальных уравнениях, описывающих процессы в объектах, возмущения этого класса представляются в виде дополнительных членов в правых частях уравнений.
3.2. Задачи компенсации возмущений, приводящих к нежелательным изменениям параметров динамических свойств объектов. Действие возмущений этого вида в дальнейшем будем называть параметрическими, которые приводят к изменениям не только значений координат процессов в объекте, но и качественного характера самих процессов. Например, объекты с устойчивым характером процессов могут переходить в разряд объектов с неустойчивыми процессами. Параметрические возмущения проявляются, например, в форме изменения теплофизических параметров (коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи) в объектах теплоэнергетики и химии, в форме изменения эффективности рулей в летательных аппаратах, в форме старения и износа в электронных и электромеханических установках и т. д.
В дифференциальных уравнениях динамики объектов этот вид возмущений проявляется в виде переменных, зависящих от времени или координат других параметров процессов, коэффициентов.
3.3. Задачи компенсации возмущений, приводящих к нежелательным изменениям структуры объектов. Такие возмущения называют возмущениями на структуру или структурными возмущениями. Для полного их раскрытия обратимся к некоторым исходным понятиям. Прежде всего, отметим, что большинство объектов представляют собой систему элементов.
Внутренние возмущения являются следствием скрытых дефектов элементов объекта или связей между ними, проявляются случайным образом в процессе эксплуатации при соблюдении установленных для объекта технических условий эксплуатации.
Внешние возмущения являются следствием внешних неблагоприятных воздействий на объект, выходящих за рамки установленных (нормальных) технических условий эксплуатации объекта. Работоспособность объектов и систем управления при внешних неблагоприятных воздействиях и методы ее обеспечения исследуются в теории живучести.
4. Задачи координации взаимодействия элементов объекта. Для многих объектов сложной структуры, т. е. многоагрегатных объектов, желаемое их функционирование достигается при соблюдении установленных точностных и временных условий. Например, последовательности включения, синхронности отдельных операций и т. п.
Для решения выделенных четырех основных классов задач управления достаточно организовать с помощью технических средств и (или) привлечения людей (операторов) один или несколько следующих видов управления:
· координатное управление, при котором управляющие воздействия представляют собой изменения входных координат физических процессов в объекте, ограничений области допустимых значений некоторых координат или показателей качества процессов в объекте;
· параметрическое управление, при котором управляющие воздействия – изменения значений физических параметров элементов объекта;
· структурное управление, при котором управляющие воздействия – изменения состава элементов и (или) связей между ними и режимов функционирования.
При автоматизации конкретных объектов, особенно объектов сложной структуры – технических комплексов, названные виды управлений применяют при построении управляющих систем в различных сочетаниях. Выбор областей их применения составляет одну из главных проблем формирования функциональной структуры управляющих систем.
Различают несколько видов систем автоматического управления применительно к разнообразным техническим задачам:
· частичная автоматизация управления, когда создается частично автоматизированная система управления технологическим процессом, где обслуживающий персонал, располагающий информацией (сведениями) о задаче управления, включается в процесс управления. При этом оператор воздействует только на управляющий элемент, а последний через исполнительный элемент действует на объект (рис. 1.2,а). Примером таких систем являются автоматы для сварки в среде защитных газов типа АДГ-502, АДГ-601 и под флюсом АДФ-1001, АДФ-1200, контактные машины для стыковой сварки оплавлением типа МСМУ-150 и контактной точечной сварки - МТМ-75;
· полная автоматизация контроля, когда системой автоматического контроля осуществляется автоматический контроль, перед которым стоит только задача сбора информации о состоянии объекта (рис. 1.2, б);
· полная автоматизация управления, представляющая наиболее совершенный вид автоматизации, сочетающий в себе использование информации о задачах управления и сведений о его результатах (рис. 1.2,в). В этом случае управление объектом происходит полностью автоматически, т.е. без участия оператора, например, САУ технологическим процессом контактной и дуговой сварки на основе управляющего вычислительного комплекса 15ВУМС-25-025.
Рис.1.2. Разновидность функциональных схем управления:
а – система управления; б – система контроля;
в – система автоматического управления с обратной связью
САУ могут строиться по разомкнутому (см. рис.1.2.а, б) и замкнутому (см. рис.1.2, в) принципу. Более широкое распространение получили замкнутые системы управления, на анализе которых будет сосредоточено внимание при рассмотрении примеров систем.
74. Автоматизация процесса сварки неплавящимся электродом
САУ параметров дуги при сварке неплавящимся электродом
На практике используют два способа регулирования параметров дуги с неплавящимся электродом при действии возмущений в сварочном контуре: с помощью САР напряжения и длины дуги (системы типа АРНД) и с помощью автоматических регуляторов параметров питающей системы (регуляторы типа АРП).
АРНД представляет собой замкнутые САУ с воздействием на пространственное положение электрода относительно поверхности изделия. Принцип построения АРНД основан на использовании функциональной зависимости Uд = f(ℓд) при небольших отклонениях длины дуги: ℓд. = (Uд – Uк+а)/kд.
Функциональная схема системы АРНД (рис.6.3) состоит из сварочного контура «источник питания – дуга – сварочная ванна» и внешнего регулятора.
Рис. 6.3. Функциональная схема АРНД при дуговой сварке неплавящимся электродом
В состав регулятора напряжения дуги входят: суммирующее устройство Σ; усилитель по напряжению 1 и мощности 2; исполнительное устройство – двигатель М и редуктор 3; тахогенератор ТГ. В суммирующем устройстве системы управления текущее напряжение дуги Uд сравнивается с заданным (уставкой) Uз, и разность этих напряженийDUд = Uз – Uд усиливается в блоках 1 и 2 по напряжению и мощности. Усиленный по мощности сигнал питает исполнительный двигатель М, который через редуктор 3 обеспечивает вертикальное перемещение сварочной горелки 4 до устранения рассогласования между Uд и Uз, т.е. до DUд → 0. Для лучшего демпфирования системы при обработке различных возмущений по длине дуги в ней используется скоростная ОС, которая реализована на тахогенераторе ТГ.
В промышленности внедрены АРНД непрерывного и дискретного действия. Точность стабилизации напряжения дуги у систем непрерывного типа выше, чем у систем релейного типа. Она составляет 0,1-0,15 В при напряжении дуги 8-24 В. Релейные АРНД конструктивно проще непрерывных, однако применение в них релейных усилителей усложняет динамический расчет регулятора. Для расчета используются точные и приближенные методы исследования динамических характеристик замкнутых систем регулирования.
75.Система автоматического регулирования вылета электрода.
Системы автоматического регулирования вылета электрода
При сварке плавящимся электродом системы АРНД и АРДС (раздел 4.3) не отрабатывают возмущений по вылету электрода. В то же время при автоматической сварке на повышенных плотностях тока вылет электрода является одним из важнейших параметров режима, поскольку от его величины зависят энергетические характеристики, стабильность и характер переноса электродного металла. Чаще всего возмущения по вылету электрода являются причиной нарушения установленных параметров режима при непрерывной многопроходной сварке, сварке кольцевых швов, расположенных в вертикальной плоскости и имеющих радиальные биения вследствие неточности подготовки и сборки изделий [7].
Основное влияние вылета на энергетические характеристики сварочного контура состоит в том, что изменение вылета сопровождается таким перераспределением выделяемой тепловой мощности между активным пятном на электроде и его вылетом, что сумма их остается примерно постоянной. С увеличением вылета электрода ток дуги уменьшается, что приводит к уменьшению глубины проплавления и доли основного и электродного металла в сварном соединении.
Функциональная схема системы автоматического регулирования вылета (АРВ) показана на рис.6.1,а.
Рис. 6.1. Система АРВ: а – функциональная схема; б – принцип стабилизации
тока в системе при возмущении по вылету электрода
Сигнал, пропорциональный току дуги Uш, снимается с шунта Rш и сравнивается в блоке сравнения БС с напряжением уставки Uз. Разность ΔU = (Uш – Uз) усиливается по напряжению и мощности усилителем-преобразователем УП и поступает на двигатель Ml. Последний через редуктор q1, изменяет положение токоподводящего узла ТП (вылет ℓв) до тех пор, пока при действующих возмущениях напряжения Uш = kI, пропорциональное току дуги, не сравняется с напряжением уставки Uз), с помощью которой задается рабочий ток дуги. Для перемещения электродной проволоки со скоростью Vп служит двигатель М2 с редуктором q2.
Для расчета систем АРВ необходимо знать зависимость падения напряжения на вылете электрода, которое зависит от величины проходящего по нему тока, его длины и химического состава.
В работе [7] показано, что относительно возмущения ∆ℓ̃в система АРВ обладает астатическим законом регулирования из-за астатизма передаточной функции в приводе регулятора, так как ошибки по ∆ũ и ∆ĩ равны нулю.
Принцип стабилизации тока в системе АРВ при возмущении по напряжению сети ∆ũс показан на рис.6.1,б.
Установившийся режим работы определяется пересечением внешней характеристикой источника питания 1 и кривой устойчивой работы системы АРДС – 2. Статические ошибки в системе АРВ по напряжению дуги ∆Uд при ступенчатом изменении вылета электрода ∆ℓ̃в не равно нулю, а статическая ошибка по току ∆I = 0, так как этот параметр в системе АРВ регулируется по астатическому закону
При сварке плавящимися электродами в среде защитных газов, когда применяются источники питания с внешними характеристиками, близкими к жестким, возмущения по вылету в первую очередь влияют на ток дуги, а статические ошибки по напряжению стремятся к нулю.
76. Автоматический регулятор питающей системы для сварки неплавящимся электродом.
Системы регулирования тока и напряжения.
Возникающие в процессе ЭШС при постоянной скорости подачи по тем или иным причинам кратковременные отклонения длины «мокрого» вылета самопроизвольно ликвидируются, если причина возникновения отклонения исчезает. Если же возмущение сохраняется длительно, то процесс переходит в новое состояние, отличное от исходного. Саморегулирование плавления электрода при ЭШС в достаточной мере интенсивно, и сварочный ток практически не изменяется при действии на систему любых возмущений. Статические характеристики Uш = f(Iш) сварочной головки с постоянной Vп электродной проволоки представляют собой отрезок прямых, практически перпендикулярных к оси Iш(рис.6.16), и по форме аналогичны характеристикам системы саморегулирования дуги.
Рис. 6.16. Пределы колебаний напряжения на шлаковой ванне ΔUш при смещении характеристики источника питания в пределах ΔUн, вызванных колебаниями напряжения сети: а – крутопадающей; б – жесткой; в – пределы колебаний при отработке возмущений по напряжению при саморегулировании шлаковой ванны 1, 2 – статические характеристики источника питания и сварочной головки соответственно
Наиболее сильное влияние на режим сварки оказывают колебания напряжения питающей сети, если внешняя характеристика источника питания крутопадающая (рис.6.16,а). При использовании источника питания с жесткой внешней характеристикой, которые широко применяются для ЭШС, относительные изменения Uш приблизительно равны относительным изменениям напряжения Uи (рис.6.16,б).
Из характеристик Uш = f(Iш) (рис.6.16,в) видно, что увеличению падения напряжениям Uш соответствует снижение проводимости шлаковой ванны и величины тока электрошлакового процесса. Проводимость можно снизить лишь при уменьшении «мокрого» вылета электрода, равного длине части электрода, погруженного в шлаковую ванну. При чрезмерном повышении Uш «мокрый» вылет может настолько уменьшиться, что дальнейшее протекание процесса станет невозможным. Между поверхностью шлаковой ванны и электродом возбуждается дуга, оголению электрода способствуют электромагнитные силы.
Снижению Uш соответствуют увеличение «мокрого» вылета электрода и возрастание проводимости ванны, при этом процесс из устойчивого режима (точка А) переходит в новое состояние (точка А') – рис 6.16, в. Средняя температура ванны падает, что увеличивает вероятность образования непровара. При чрезмерном снижении напряжения Uш расстояние ℓш оказывается настолько малым, что возникает местный перегрев шлака и его вскипание, несмотря на пониженную среднюю температуру шлаковой ванны. Вскипание шлака в объеме между концом электрода и поверхностью металлической ванны сопровождается образованием дуги. Рассмотренные случаи подтверждают необходимость ограничения колебаний. Кроме того, определяющим параметром, который непосредственно влияет на ширину провара кромок свариваемых деталей, является напряжение на шлаковой ванне. Поэтому для получения равномерной ширины провара необходимым условием является стабилизация напряжения на шлаковой ванне.
Время переходного процесса при саморегулировании ЭШС пропорционально квадрату характерного линейного размера электрода (например, квадрату диаметра электродной проволоки или квадрату толщины пластины). С увеличением размеров электрода время восстановления нарушившегося по тем или иным причинам процесса резко возрастает. Однако большая тепловая инерционность шлаковой ванны позволяет получить удовлетворительную стабилизацию энергетических параметров процесса ЭШС при его саморегулировании, иногда и при сварке пластинчатыми электродами с большим поперечным сечением.
В тех случаях, когда колебания напряжения сети значительны и к качеству соединений предъявляются жесткие требования, сварочные аппараты целесообразно комплектовать регуляторами напряжения, воздействующими на источник питания при постоянной скорости подачи электрода. Наиболее просто такая система реализуется с помощью тиристорного контактора, последовательно включенного в первичную цепь сварочного трансформатора. Сварочный трансформатор подключается к сети с помощью пары встречно - параллельно соединенных тиристоров с фазным управлением.
В тех случаях, когда системы с одним регулятором не дают желаемого эффекта, применяют системы одновременного регулирования тока и напряжения. Системы с двумя регуляторами используют при сварке длинными пластинчатыми электродами (когда необходимо компенсировать падение напряжения на пластине для получения постоянного напряжения на шлаковой ванне), при больших колебаниях напряжения питающей сети или при сварке швов с переменным поперечным сечением (когда требуется изменение режима сварки по заданной программе). Непрерывное программирование тока сварки наряду с регулированием напряжения обеспечивает плавное изменение теплового режима шлаковой ванны в течение всей сварки, что сохраняет заданную скорость наплавки металла шва и позволяет повысить его качество. Для этого применяют две системы регулирования. Первая система состоит из регулятора напряжения, воздействующего на ЭДС источника питания, и регулятора тока, воздействующего на скорость подачи электрода. Вторая система содержит регулятор, стабилизирующий напряжение воздействием на скорость подачи, и регулятор, стабилизирующий ток воздействием на ЭДС источника питания. По количеству элементов указанные системы равноценны, однако первая система обладает большими технологическими возможностями, так как позволяет практически безынерционно стабилизировать напряжение источника питания.
78.Параметрический регулятор проплавления при сварке неплавящимся электродом.
САР проплавления при дуговой, плазменной и электронно-лучевой сварке
Обобщенным критерием качества сварного соединения являются заданные термический цикл и геометрические размеры шва, которые определяются законом изменения погонной энергии дуги. Закон регулирования погонной энергии зависит от типа действующих возмущений на объект «источник питания – дуга – сварочная ванна». При технологических и конструктивных возмущениях, действующих непосредственно на сварочную ванну (шов), требуется более сложный закон изменения погонной энергии для получения качественного сварного соединения.
Измерение конструктивных и технологических возмущений связано со значительными трудностями из-за их относительной рассредоточенности и удаленности от стыка. Частичное устранение влияния конструктивных возмущений можно обеспечить путем измерения и записи их с помощью специальных датчиков в период холостого прохода стыка и затем – корректировки в процессе сварки программы по записанной программе. Однако из-за тепловой деформации детали в процессе сварки такая программа часто малоэффективна. Поэтому наиболее приемлемым способом является введение в систему регулирования ОС по некоторому обобщенному параметру, на который в процессе сварки влияют как технологические, так и конструктивные возмущения. В качестве такого параметра можно принять температуру металла сварочной ванны или околошовной зоны [7]. Температуру можно регулировать изменением погонной энергии в системе «источник питания – дуга – сварочная ванна». Задача регулирования при этом сводится к стабилизации подвижного температурного поля. С точки зрения теории автоматического регулирования, температурное поле как объект регулирования описывается апериодическим звеном. Постоянная времени этого звена определяется параметрами свариваемого материала (теплоемкостью, теплопроводностью и т.д.). Температуру можно измерить лишь на некотором расстоянии от сварочной дуги, что обуславливает появление погрешности измерения относительно реальной температуры под дугой и в запаздывании при передаче сигнала управления.
Для измерения температуры целесообразно применять бесконтактные датчики, действие которых основано на измерении интенсивности излучения с поверхности металла. Использование контактных датчиков, например скользящей термопары, одной ветвью которой является стержень или ролик, катящийся по поверхности металла, а другой – свариваемый металл, приводит к большим погрешностям из-за инерционности датчика и отсутствия постоянного контакта между ним и металлом. Применение бесконтактных датчиков позволяет приблизить точку измерения температуры (площадь визирования датчика) к сварочной дуге. Однако имеются ограничения на приближение площадки визирования к сварочной дуге, так как полезный сигнал «забивается» помехами, вызванными прямым или отраженным излучением дуги. Иногда удобен вариант размещения площадки визирования датчика с обратной стороны шва, при этом необходимо обеспечить защиту датчика от пыли, повреждения расплавленным металлом, температурного воздействия окружающей атмосферы. Необходимо также проектировать устройства, упрощающие визирование датчика на точку измерения температуры.
При наличии информации о качестве проплавления для построений системы регулирования в каждом конкретном случае необходимо еще правильно выбрать регулирующее воздействие, т.е. один из следующих параметров:
· ток в непрерывном или импульсном режимах;
· скорость сварки;
· амплитуда поперечных колебаний электрода;
· параметры магнитной системы при управлении дугой магнитным полем;
· скорость подачи электродной проволоки и т.д.
В более сложных случаях требуется комбинированное управление: ток – скорость сварки; скорость подачи электрода – длина вылета; ток – амплитуда поперечных колебаний и т.д.
При выборе регулирующего воздействия необходимо всесторонне проанализировать влияние его на качество сварного соединения: форму шва, структуру металла, зону термического влияния и т.д. Иногда для эффективного регулирования требуется не только правильно выбрать регулирующее воздействие и подобрать остальные параметры режима сварки, но и применять дополнительные технологические приемы, расширяющие возможности способа сварки. К ним следует отнести повышение пространственной устойчивости дуги: например, наложение на нее коротких по длительности импульсов или магнитного поля, управление кристаллизацией металла шва с помощью электромагнитного перемешивания, удержание металла сварочной ванны с помощью магнитного поля, управление пространственным положением дуги относительно линии стыка с помощью механических и электромагнитных устройств.
При создании автоматического оборудования особое внимание заслуживает способ сварки с периодически изменяющимся током. Основные из этих способов: импульсно-дуговая сварка со свободной и проникающей дугой; импульсно-дуговая сварка плавящимся и неплавящимся электродом; сварка модулированным током.
Рассмотрим некоторые системы автоматического регулирования проплавления.
САУ проплавления с воздействием на питающую систему (рис.6.4). В качестве датчика проплавления использован фотоэлектрический датчик. Чувствительным элементом могут быть фототранзисторы, фотодиоды, фотоумножители, фототриоды.
Рис. 6.4. Система автоматического регулирования проплавления стыка с воздействием на питающую систему через тиристорный регулятор
С фотодатчика ФЭ сигнал Uф, пропорциональный проплавлению и вырабатываемый блоком управления БУ, после сравнения с уставкой Uз в элементе сравнения Σ усиливается и поступает в блок суммирования (БС). В БС напряжение пилы Uп, вырабатываемое генератором пилы ГП, суммируется с усиленным напряжением kUвх. Суммарный сигнал поступает на три идентичных схемы управления СУ1-3. На выходах СУ1-3 формируются импульсы управления тиристорами V7-V12. Последние в рассмотренном варианте схемы включены по высокой стороне сварочного трансформатора СТ. Временное положение импульсов пропорционально входному напряжению Uвх, т.е. рассогласованию между измеряемым параметром и уставкой по этому параметру
Получение управляющего воздействия более подробно иллюстрируется диаграммой, показанной на рис.6.5,а. На схеме рассмотрена отработка рассогласования для двух форм ВАХ источника питания: пологопадающей (рис.6.5,б) и штыковой (рис.6.5,в) при возмущении по ширине обратного валика bопт. Напряжение Uвх1 = k(Uф – Uз) соответствует невозмущенному состоянию.
Рис. 6.5. Временная диаграмма формирования сигнала управления в САУ проплавлением
При появлении возмущения по обратному валику (Db > 0) сигнал на выходе усилителя изменится до напряжения Uвх2. В блоке БС он суммируется с напряжением Uгп генератора пилы. При совпадении уровня суммарного сигнала Uгп+ Uвх2 с напряжением Uпор в схемах управления СУ1-3 формируются прямоугольные импульсы U2. На управляющие электроды тиристоров V7-V12 поступают положительные импульсы U3, получаемые на выходе СУ путем дифференцирования прямоугольных импульсов U2. Открытие тиристоров в момент появления положительных импульсов обеспечивает прохождение через сварочный трансформатор сигналов в виде напряжений U4 и U5. Соответствующее им изменение напряжения на выходе источника питания дуги можно определить по формуле
.
В системе регулирования проплавления с использованием в качестве датчика температуры в околошовной зоне подвижной хромель-копелевой термопары координаты расположения датчика (термопары) выбирают из условия максимальной корреляции между измеряемой температурой в каждый текущий момент и параметрами шва.
Преимуществом использования термопары является незначительное влияние излучения дуги, простота компоновки и конструкции узлов датчика. Недостаток – значительная инерционность самого датчика и запаздывание на 1-3 с в передаче информации между сварочной ванной и датчиком. Если термопару формирует свариваемый металл и вспомогательный стержень (контактный щуп), то материал последнего необходимо подбирать индивидуально для каждой марки стали основного металла. Долговечность таких датчиков мала.
САР проплавления с воздействием на пространственное положение дуги. Такие системы используются при сварке в защитных газах поворотных кольцевых стыков труб с V-образной разделкой кромок. Пространственное положение дуги изменяют, вводя поперечные колебания электрода. Функциональная схема системы показана на рис.6.6.
Рис. 6.6. Функциональная схема регулятора проплавления с воздействием на пространственное положение дуги
Датчик системы – фотодиод ФД располагают внутри свариваемых труб и визируют на формируемый корень шва. На выходе датчика формируется сигнал, пропорциональный размерам обратного валика. При отклонении размеров валика от номинального в системе формируется сигнал рассогласования Uу = k(Uф, – Uз), который после усиления в блоках УН (усилитель по напряжению) и УМ (усилитель мощности) приводит в движение двигатель М2. Последний через редуктор q2 перемещает в вертикальном направлении профилированный кулачок и изменяет амплитуду колебаний сварочной горелки СГ как функцию сигнала рассогласования. С увеличением проплавления амплитуда колебаний также увеличивается, тепловой поток от дуги рассредоточивается по большой площади, проплавление стыка возвращается к заданной величине.
В некоторых случаях механические устройства для колебания электрода могут быть заменены магнитными. Наложение знакопеременного магнитного поля вдоль оси шва вызывает поперечное колебание дуги. Изменяя параметр магнитного поля (напряженность), можно воздействовать на амплитуду поперечных колебаний дуги, а, следовательно, на формирование шва.
Управление качеством проплавления стыка при электронно-лучевой сварке с применением эмиссионного датчика. Применяют регулирование тока луча по частоте пиков напряжения вторичной эмиссии. Функциональная схема установки дана на рис.6.7. Входным сигналом на регулятор является напряжение Uн, снимаемое с нагрузки Rн в цепи датчика Д вторичной эмиссии. После усиления, это напряжения через устройство связи УС поступает на модулятор Мод и воздействует на управляющий электрод УЭ сварочной пушки. Автоколебательный характер механизма проплавления, вызванный характером процесса взаимодействия электронного луча с парами металла, успешно можно контролировать по напряжению Uн.
Рис. 6.7. Схема регулирования тока луча по частоте вторичной эмиссии:
И – свариваемое изделие; К – катод электронной пушки; ФОС – фокусирующая система электронной пушки
Принцип действия системы предусматривает улучшение формирования шва путем исключения взаимодействия луча с парами металла, выделяемыми из сварочной ванны. Известно, что максимум напряжения Uд наблюдается в момент, когда плотность паров максимальная и взаимодействие пара с электронами пучка в наибольшей степени оказывает влияние на возникновение пор и раковин. При достижении напряжения на выходе модулятора Uм пушка запирается, и, таким образом, исключается взаимодействие паров с лучом.
После эвакуации газов из канала Uн ® 0, процесс проплавления повторяется, т.е. осуществляется импульсный режим процесса сварки, в котором вместо установки параметров режима вручную система автоматически настраивается на необходимую частоту прерывания электронного луча по частоте пиков Uн, поскольку временные параметры режима определяются частотой пиков напряжения Uн, косвенно характеризующего механизм проплавления. При этом улучшаются условия формирования шва.
80.Следящие системы с запоминанием.
Следящая система управления — вид системы автоматического управления, в которой заранее неизвестен вид управляющего воздействия. Обычно следящие системы предназначены для воспроизведения на выходе изменения управляющего воздействия, слежения за ним.
Пример следящей системы — радиолокационная станция, в её задачи входит сопровождение цели с заранее неизвестным законом движения.
О динамических свойствах следящей системы можно судить по величине ошибки. Также сигнал ошибки в следящих системах является сигналом, в зависимости от величины которого осуществляется управление объектом.
Следящая система может быть реализована с любым фундаментальным принципом управления и отличается от аналогичной системы программного управления тем, что вместо датчика программы в ней будет размещено устройство слежения за изменениями внешних воздействий.
В следящих системах управляющее воздействие также является величиной переменной, но математическое описание его во времени не может быть установлено, так как источником сигнала служит внешнее явление, закон изменения которого заранее неизвестен.
Так как следящие системы предназначены для воспроизведения на выходе управляющего воздействия с возможно большей точностью, то ошибка, так же как и в случае систем программного регулирования, является той характеристикой, по которой можно судить о динамических свойствах следящей системы. Ошибка в следящих системах, как и в системах программного регулирования, является сигналом, в зависимости от величины которого осуществляется управление исполнительным двигателем.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
7.1.Основная литература
Оськин В.А., Евсюков В.В. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Кн.1-М.: КолосС, 2008.
Материаловедение. Технология конструкционных материалов. /Карпенков В.Ф., Богданов Л.Г., и др./ Кн.2. – М.: КолосС, 2006. -310с., ил.
7.2. Дополнительная литература
Гуляев А.П. Металловедение. – Металлургия, 1986.
Материаловедение / под ред. Ю.М. Соломенцева./- М.: КолосС, 2005.
Козловский, С.Н. Введение в сварочные технологии [Электронный ресурс]: учебное пособие / С.Н. Козловский. – Электрон. текстовые дан. - СПб.: Издательство «Лань», 2011. Режим доступа: http://e.lanbook.com/view/book/700/.
Богодухов, С. И. Технологические процессы в машиностроении: учеб. для вузов / С. И. Богодухов, и [др.]; под ред. С. И. Богодухова. - Старый Оскол: ТНТ, 2011. - 624 с.:ил. - Библиогр.: с. 594-597. - ISBN 978-5-94178-270-3.
Зориктуев, В.Ц. Автоматизация технологических процессов и производств/ В.Ц. Зориктуев, Р.Р. Загидуллин, А.Г. Лютов– М.: Машиностроение, 2007.
7.3. Методические указания к лабораторным занятиям
Жариков Н.А. Металловедение: Лабораторный практикум – Оренбург. издат. центр ОГАУ, 2007.
Жариков Н.А. Технология конструкционных материалов: Лабораторный практикум по ГОМ. 3-е изд., перераб. – Оренбург, 2004 – 112 с.
Проскурин, А. Д. Изучение технологии и оборудования для сварки в среде углекислого газа [Текст] : метод. указания к лаб. работе / А. Д. Проскурин, В. И. Юршев. - Оренбург : ОГУ, 2004. - 12 с. - Библиогр.: с. 11-12.