1.5.3 Системи керування варювальними процесами і установками

Керування, здійснюване без безпосередньої участі людини, називається автоматичним. Сукупність об'єкта керування і технічних пристроїв, які забезпечують автоматичне керування цим об'єктом, утворює систему автоматичного керування (САК). Для аналізу і синтезу САК перш за все доцільно класифікувати їх за характерними ознаками.

ПП — програмний пристрій; ПК — при­стрій керування; ОК — об'єкт керування

Рисунок 1.37 – Розімкнена САК

Рисунок 1.38 – Компенсуюча САК

За характером організації причинно-наслідкових зв'язків САК бувають розімкненими і замкненими. У розімкнених САК (рисунок 1.37) інформація про вихідну (керовану) величину Y не використовується для формування керуючої дії u. Завдання Х_З формується програмним пристроєм ПП. Керування об'єктом ОК здійснюється за наперед заданою програмою, яка не залежить від фактичного стану Y об'єкта і діючого на нього збурення z. Прикладами таких систем є блоки керування зварювальним процесом (БКЗП) для напівавтоматів дугового зварювання, системи переміщення зварювального пальника по складному контуру, регулятори циклу контактного точкового зварювання, зварювальні роботи першого покоління та ін.

Якість регулювання з використанням розімкнених систем значно підвищується, якщо вони доповнюються компенсуючими пристроями (рисунок 1.38), призначеними для вимірювання одного або кількох збурень z і корекції керуючої дії и таким чином, щоб компенсувати вплив z на вихідну змінну Y. Цей принцип регулювання називається регулюванням за збуренням, а САК — компенсуючими. Теоретично вплив збурень можна компенсувати з якою завгодно точністю, однак практично це не вдається здійснити через нестабільність в часі характеристик об'єкта, коригуючого і керуючого пристроїв, нелінійності функціональних зв'язків Y, z і и. Типовим прикладом компен

суючої системи є система керування швидкістю двигуна постійного струму з компенсуючим зв'язком за навантаженням (рисунок 1.39, а, б).

а — функціональна схема; б — механічні характеристики:

1 — недокомпенсована; 2 — компенсована; 3 —перекомпенсована

Рисунок 1.39 – Регулятор швидкості електродвигуна з компенсацією збурення за навантаженням

Кутова швидкість двигуна на ω визначається напругою U_дв, яка подається на якір, і струмом навантаження I_я :

(1.91)

де k_е — стала проти ЕРС.

При сталості U_дв із збільшенням навантаження зростає I_я, спадання напруги на опорі якоря r_я і швидкість двигуна зменшуються (крива 1, рисунок 1.39, б). Для компенсації зміни навантаження напруга, що знімається з шунта R_ш і пропорційна струму якоря, підсумовується із задавальною Х₃. У результаті зрівняння керуюча напруга и і пропорційна їй напруга U_дв зростають із ростом навантаження на валу двигуна, компенсуючи вплив спадання напруги на внутрішньому опорі двигуна. Згідно із ступенем компенсації кутова швидкість двигуна не буде залежати від моменту навантаження М (крива 2) або навіть зростати з ростом навантаження (крива 3). Реально повної ком­пенсації домогтися важко, бо r_я змінюється з нагріванням двигуна, спрацюванням щіток та ін.

У замкнених САК (рисунок 1.40) використовується принцип керування за відхиленням регульованої величини Y від заданого значення Х₃. У цьому випадку інформація про фактичне значення Y по колу головного зворотного зв'язку надходить на вхід системи, де зрівнюється з заданим значенням Х₃. Різниця ε = Х₃ — Y перетворюється пристроєм керування (регулятором) ПК у керуючу дію и. При відхиленні Y від заданого значення Х₃ з'являються сигнал розузгодження ε і відповідна йому дія и на об'єкт керування ОК, яка продовжується до того часу, доки Y знову набуде значення, що дорівнює Х₃. У цьому випадку ε = 0 і система набуває рівноваги.

Для того щоб міг настати рівноважний стан, головний зворотний зв'язок повинен бути негативним. У системах із зворотним зв'язком сталість регульованої величини У забезпечується автоматично незалежно від того, що спричинює її відхилення від заданого значення — збурення чи зміна параметрів об'єкта або регулятора. Отже, замкнені системи менш чутливі порівняно з розімкненими САК до змін умов функціонування, однак для досягнення високої точності керування вони вимагають застосування спеціальних технічних засобів забезпечення стійкості.

Замкнені САК широко застосовуються для стабілізації режимів роботи електрозварювальних установок: напруги, струму або потужності зварювальних джерел живлення, швидкості подавання присаджувального дроту, швидкості пересування зварювального пальника або зварювального виробу, режимів термообробки положення зварювального пальника щодо зварювального стику тощо.

Р

КП (х), КП (г) — компенсуючі пристрої за задавальною і збурюючою дією

исунок 1.40 – Замкнена САК

Рисунок 1.41 – Комбінована САК

Іноді замкнені САК забезпечуються компенсуючими зв'язками за збуренням або задавальною дією (рисунок 1.41). Такі системи називаються комбінованими. Вони забезпечують вищу точність і швидкодію при усуненні помилок за тими змінними, за якими здійснено примі зв'язки. При загальному ускладненні систем спрощується основний контур негативного зворотного зв'язку і збільшується запас стійкості.

Згідно із законом зміни задавальної дії САК поділяються на системи автоматичної стабілізації, програмного керування і слідкуючі.

В стабілізуючих САК задавальна дія залишається постійною протягом усього часу регулювання. Такі САК є найпростішими і найпоширенішими в зварювальному устаткуванні.

У системах програмного керування (СПК) задавальна величина автоматично змінюється за наперед відомим законом у функції часу або координат зварювального інструменту відносно виробу. СПК застосовують у зварювальних установках у тих випадках, коли до якості зварного з'єднання ставляться підвищені вимоги.

Слід зазначити, що зворотний зв'язок за регульованою величиною забезпечує не тільки підвищення статичної точності відпрацювання програми, але й істотно поліпшує динамічні характеристики перехідного процесу. На рисунку 1.42, а, б наведені перехідні процеси відпрацю­вання ступінчастої зміни задавальної дії Х_З для інерційного об'єкта керування в розімкненій і замкненій системах. Оскільки в замкнених САК помилка є посилюється регулятором, керуюча дія и під час пере­хідного процесу виявляється значно більшою, ніж у розімкненій САК. Внаслідок інтенсифікації процесу регулювання час перехідного процесу t_p в замкнених САК істотно зменшується.

У слідкуючих САК закон зміни задавальної дії наперед не відомий і часто має випадковий характер. Прикладом такої дії є флуктуація положення електрода щодо стику складної форми. Особливості слід­куючих САК виявляються тільки в тих випадках, коли разом із зада­вальною дією на вхід системи надходять випадкові перешкоди або коли задавальна дія змінюється швидше, ніж система її може відпрацювати. В інших випадках слідкуючі САК відрізняються від програмних тільки відсутністю програматора.

Залежно від кількості регульованих величин і керуючих дій САК поділяють на одно- і багатовимірні. У більшості випадків засто­совують одновимірні САК, у яких регулюється тільки один параметр — напруга, довжина дуги, струм, швидкість, рівень рідкого металу тощо.

Рисунок 1.42 – Перехідні процеси у розімкненій (а) і замкненій (б) САК при ступінчастій зміні керуючої дії

Відповідно використовується тільки одна керуюча дія — напруга керування фазоімпульсним блоком, струм підмагнічування обмотки збудження генератора або магнітного підсилювача, напруга живлення якоря двигуна та ін. Реальні зварювальні процеси і установки є ба­гатовимірними, оскільки технологічний режим визначається значною кількістю взаємопов'язаних параметрів. Так, для керування режимом дугового зварювання треба регулювати швидкість подавання електрод­ного дроту, довжину дуги і швидкість зварювання. У разі зварювання швів складної конфігурації кількість регульованих величин може ста­новити 6 і більше. Сучасне імпульсне зварювання плавким електро­дом поряд з величиною середнього струму І_д вимагає задання ще чоти­рьох струмових параметрів: амплітуди І_т і тривалості t_i імпульсу, величини І_б і тривалості базового струму за цикл t_б (рисунок 1.43). За­мість тривалості протікання базового струму іноді задають тривалість циклу Т або частоту проходження імпульсів . Електронно-променева установка вимагає регулювання понад десяти параметрів.

Складність керування зростає пропорційно квадрату кількості регульованих параметрів і є однією з причин обмеженого поширення імпульсного зварювання, незважаючи на його переваги — можли­вість зварювання тонкого металу, виконання вертикальних і навіть стельових швів, менше розбризкування металу та ін. Нині розроб­ляються так звані «синергетичні» системи, які є багатовимірними си­стемами програмного керування. Розглянемо принцип дії таких

І_т, І_б, Ī_д, І_і — відповідно максимальний, базо­вий, середній, амплітудний струми; t_і, t_б — три­валості імпульсного і базового струму

Рисунок 1.43 – Крива струму для імпульсного зва­рювання:

систем на прикладі синергетичної САК імпульсно-дуговим зварюван­ням плавким електродом.

Система реалізує залежність між швидкістю подавання електрод­ного дроту υ_п і параметрами імпульсу струму таким чином, щоб швидкість подавання електрода була збалансованою швидкістю його плавлення для підтримки сталості довжини дуги l_д і для забезпе­чення перенесення однієї краплі кожним імпульсом струму. Згідно з рисунка 1.43 можна записати:

(1.92)

або

(1.93)

де k₀ — коефіцієнт пропорційності.

Отже, регулювання швидкості подавання пов'язане з потребою регулювання базового струму і добутку амплітуди імпульсу на його шпаруватість. Звичайно регулюють тільки один параметр — най­частіше t_i або f, залишаючи два інших сталими. Закон зміни цих параметрів у функції швидкості подавання дроту у випадку регулю­вання частоти матиме такий вигляд:

(1.94)

Константи (базові значення параметрів) f⁰, t_i⁰, I_б⁰, І_і⁰ визначаються поєднанням властивостей матеріалу, діаметра електрода, об'ємом крап­лі і складом захисного газу. На рисунку 1.44, а наведено функціональну схему синергетичної системи керування імпульсно-дуговим зварюван­ням плавким електродом. Поточне значення швидкості подавання електрода перетворюється тахогенератором в електричний сигнал (рисунок 1.44, б), який після відповідного масштабування керує задатчи-ками вихідних рівнів f⁰, t_i⁰, I_б⁰. До одного із входів підсумовуючого підсилювача подається I_б, до іншого входу через електронний ключ надходить сигнал I_іft_i [див. рівняння (1.92)]. Вихідний сигнал під силювача використовується для керування регулятором зварюваль­ного струму відповідно рівняннями (1.92), (1.93).

:

а — функціональна схема: 1 — регулятор швидкості подавання електрода; 2 — зварюваль­на дуга; 3 — тахогенератор; 4 — регулятор зварювального струму; 5 — зварювальне дже­рело живлення; 6 — масштабні перетворювачі; 7...9 — задатчики вихідних рівнів базового струму, частоти і тривалості імпульсів відповідно; 10 — змішувач; 11 — задатчик ампліту-ди імпульсів струму; 12 — електронний ключ; 13— сумарний підсилювач; б — криві зварю-вального струму і швидкості подавання електрода

Рисунок 1.44 – Синергетична САК імпульсно-дугового зварювання

Синергетичні САК можуть бути непов'язаними і пов'язаними. Непов'язана система містить кілька самостійних керуючих пристроїв, кожний із яких керує однією, незалежною від інших регульованих параметрів, величиною. Такі системи використовуються в САК ЕПЗ. Системи пов'язаного регулювання застосовуються в тих випадках, коли об'єкт керування містить внутрішні зв'язки між ре­гульованими величинами. Прикладом такого об'єкта керування є зви­чайні установки дугового зварювання плавким електродом. У них вимагається керувати двома параметрами — середнім струмом Ī_д і середньою довжиною дуги l_д. Керуючими діями є напруга джерела живлення U_дж і напруга живлення двигуна подавання електрода

U_дв.

Процеси у зварювальному колі описуються системою диференці­альних рівнянь:

(1.95)

(1.96)

(1.97)

(1.98)

де ;

У формулах (1.95) — (1.98) b — коефіцієнт, що характеризує нахил статичної вольт-амперної характеристики джерела живлення; R_е — еквівалентний опір зварювального кола; Е_с — напруженість електричного поля у стовпі дуги; L — індуктивність зварюваль­ного кола; U_а.к — сума анодного і катодного спадання напруги; τ₁, τ₂— сталі часу привода подавання електрода; С₀, С_п — тепло­ємність металу при температурах Т₀ і Т_п; Т₀, Т_п — температури нав­колишнього середовища і плавлення металу електрода; γ₀, γ_п — густи­на металу при температурах Т₀ і Т_п; r_п — прихована теплота плав­лення.

Як випливає з рівнянь (1.95), (1.96), Ī_д і l_д — це взаємопов'язані параметри. На рисунку 1.45 зображено структурну схему САК, яка роз­глядається. Передавальні функції її ланок мають вигляд:

;

Де

Слід зазначити, що з усіх типів регуляторів найкращі характерис­тики мають так звані регулятори стану. В них вимірюються і надхо­дять до регулятора всі змінні координати станів об'єкта. Якщо якість координати неможливо безпосередньо виміряти, то для формування закону керування замість істинних координат стану використову­ються координати, обчислені «спостеріга­чем», оперуючим із моделлю об'єкта. У ре­гуляторах стану досягається оптимальне за швидкодією і точністю керування склад­ними об'єктами. Такі регулятори застосо­вуються здебільшого в складних дискретних багатовимірних і багатоконтурних САК. Для реалізації їх використовуються керу­ючі ЕОМ.

Розглянуті вище типи САК об'єднує спільна властивість — вони функціонують за жорстким алгоритмом («докібернетичні» САК). Такі системи не можуть бути використані, якщо характеристики об'єкта керування істотно нелінійні, або якщо параметри об'єкта (передавальні коефіцієнти, сталі часу та ін.) змінюються в часі (наприклад, внаслідок нагрівання зварю­вального контуру

Рисунок 1.45 – Структурна схема системи пов'язаного регулю­вання дуговим зварюванням

машин для контактного зварювання) чи під впливом зовнішніх факторів (наприклад, при введенні феромагнітних мас у зварювальний контур).

Якісно вищий рівень організації мають системи з перестроюваним алгоритмом функціонування (кібернетичні САК) — самоналагоджувані і адаптивні САК. У самоналагоджуваних САК здійснюється пере­будова тільки сталих параметрів алгоритму без зміни його структури. Перебудова параметрів провадиться в процесі роботи САК відповідно до наперед вибраних показників якості при зміні характеристик об'єк­та керування.

Прикладом розімкненої самоналагоджувальної САК є система керування зварювальним струмом машин контактного точкового зва­рювання. Оскільки цикл зварювання може складати лише кілька пе­ріодів живильної мережі, час перехідного процесу повинен бути щонайменшим. Мінімально досяжний час перехідного процесу в САК із однофазним тиристорним контактором становить половину пері­оду напруги мережі (1•10^-2 с). Для забезпечення такого часу пере­хідного процесу коефіцієнт підсилення розімкненої системи повинен становити одиницю. Аналіз показує, що при коефіцієнті підсилення 2 і більше система стає нестійкою. З досвіду експлуатації регуляторів випливає, що при регулюванні його за допомогою зміни кута вмикання тиристорів коефіцієнт підсилення розімкненої системи може зміню­ватися у 10—15 разів, а при перемиканні ступенів трансформатора — у 2 рази. Якщо врахувати можливі зміни опору зварюваної точки, зварюваного контуру при введенні у нього феромагнітних мас, нагрі­вання та ін., то стає зрозумілим, "що без самоналагоджування кое­фіцієнту підсилення система не може забезпечити стійких швидко­плинних перехідних процесів. Забезпечення стійкості і потрібної швидкодії досягається в самоналагоджуваних мікропроцесорних САК. У цьому випадку після кожного вмикання тиристорів обчислю­ється коефіцієнт підсилення системи (відношення приросту вихідного струму до приросту кута вмикання тиристорів) і поточне значення цього параметра бере участь у формуванні керуючої дії регулятора з тим, щоб результуючий коефіцієнт підсилення залишався рівним ОДИНИЦІ.

Якщо у самоналагоджувальній САК здійснюється автоматичний пошук екстремального значення вихідної змінної і здійснюється підтримування режиму поблизу точки екстремума в умовах збурень, то така система називається системою екстремального керування. Прикладами екстремального керування є система регулювання про­цесу контактного стикового зварювання оплавлюванням і система керування автофокусуванням електронного променя при ЕПЗ.

У першому випадку режим зварювання регулюється таким чином, щоб частота пульсації струму оплавлення була максимальною. Це забезпечує стійке оплавлення при максимальній продуктивності, у другому — регулюється струм фокусуючої лінзи з тим, щоб частота пульсації іонного струму зі зварювальної ванни була максимальною. Це забезпечує фокусування променя на зварюваній поверхні.

У наведених вище САК регулювання здійснюється, як правило, одного параметра за алгоритмом із фіксованою структурою. Однак на якість зварювання залежно від стадії процесу (початок, закінчен­ня), положення шва (горизонтальний у нижньому положенні, вер­тикальний, стельовий), виду з'єднання, товщини з'єднуваних дета­лей тощо впливає безліч факторів. Залежно від зовнішніх умов змі­нюється комплекс контрольованих, керуючих і керованих параметрів, а також алгоритмів керування, які забезпечують оптимальну якість зварювання. Для розв'язування завдань керування у цих умовах використовують адаптивні системи, в яких у процесі функціонування перебудовуються не тільки параметри, а й структура алгоритму керу­вання. Адаптивна система в загальному випадку містить систему дат­чиків незалежних змінних (напруги, струму, швидкості тощо), блок обчислення або вимірювання проміжних залежних змінних (проплав­лення, швидкості охолодження, геометрії шва тощо), які визначають якість зварювання, блок обчислення параметрів якості шва (міц­ності, пластичності, структури, яка характеризує ймовірність появи дефектів тощо). Науковою основою побудови системи є багатопараметричні моделі, які ідентифікують вихідні величини датчиків, залежні змінні і якісні характеристики зварного з'єднання. Особливістю адаптивного керування є наявність експертної системи, яка іденти­фікує зовнішні умови процесу, добирає склад датчиків, тип моделей, структуру і параметри алгоритмів керування. Основу експертної системи становить інформаційна база даних, поданих, наприклад, у вигляді простих правил, сформованих на основі знань експертів. Правила будуються у вигляді логічних співвідношень типу «якщо..., якщо ..., то ...».

Слід зазначити, що термін «адаптивний» стосовно до САК із зміню­ваною структурою досить умовний. У найширшому значенні цього слова під адаптивним розуміють системи, які можуть «пристосовува­тись» до змін внутрішніх і зовнішніх умов із метою оптимізації якості керування.