Лекции - Автоматизация сварочных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербургский институт машиностроения

(ВТУЗ-ЛМЗ)

_____________________________________________________

Кафедра «Оборудование технология сварочного производства»

АВТОМАТИЗАЦИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Конспект лекций

Для студентов специальности 12.05.00

Санкт-Петербург

2006

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВЕДЕНИЯ АВТОМАТИКИ

Автоматика – техническая наука, разрабатывающая принципы построения

автоматических систем и необходимых для них автоматических средств, методы

анализа и синтеза этих систем.

В последние годы сварку все более используют в различных областях

машиностроения. Разрабатывают новые и совершенствуют известные методы сварки,

расширяют перечень свариваемых материалов, номенклатуру изготавливаемых с

помощью сварки изделий. В условиях производства без широкого применения

автоматики, теории и техники автоматического регулирования невозможно получить

сварные соединения высокого качества. Особое значение автоматизация сварки имеет

в атомной, энергетической, судостроительной, химической промышленности, в

ракетной технике, где всегда важно получать сварные соединения высокого качества.

Цель настоящего курса состоит не в том, чтобы научить будущего инженера

сварщика конструировать и рассчитывать системы автоматического регулирования —

это задача специалистов по автоматике, а ориентировать его в возможностях и

принципах автоматики, в распространенных методах исследования и расчета систем

автоматизации, применяемых в сварочном производстве, помочь ему научиться

ставить и решать задачи совершенствования производственных процессов,

подготовить к грамотной эксплуатации конкретных автоматических устройств.

Инженер—сварщик должен уметь самостоятельно разрабатывать технические задания

на проектирование автоматических устройств, систем управления, в том числе и

выполняемых на базе ЭВМ.

Разработкой способов сварки и автоматического оборудования успешно

занимались и занимаются ИЭС им. Е.О.Патона, Секция электросварки и

электротермии АН СССР, ЦНИИТмаш, МВТУ, РИСХМ, ЛПИ, ВНИИСТ, ВНИИЭСО,

ВНИИАвтогенмаш, лаборатории ряда крупных заводов (ЗИЛ, Уралмаш, ГАЗ,

«Электрик») и вузов.

Основы практического применения сварки разработал и заложил Е.О.Патон.

Открытие В.И.Дятловым явления саморегулирования дуги (1942г.) позволило создать

и широко использовать простые и надежные сварочные установки с постоянной

скоростью подачи электрода. Разработкой этого оборудования занимались

И.Я.Рабинович, Б.Е.Патон, В.К.Лебедев, Г.М.Каспржак. В 50г. Б.Е.Патоном и др.

начаты работы по изучению свойств различных систем автоматического

регулирования дуговой сварки под флюсом. К.К.Хренов впервые применил теорию

автоматического регулирования к анализу процессов регулирования дуговой сварки.

Большое влияние на развитие и широкое применение анализа и расчета

статических и динамических режимов сварочных процессов методами теории

автоматического регулирования, на становление основ автоматизации дуговой сварки

оказали работы, которые выполняли И.Я.Рабинович, Г.М.Каспржак, Л.Е.Алекин,

В.М.Щитова.

Весьма заметный вклад внесли: Ф.А.Аксельрод, Б.Д.Орлов, А.С.Гельман,

В.К.ЛеБедев, П.Л.Чулошников, Н.В.Подола—в управление и контроль контактной

сварки, Б.Е.Патон, В.К.Лебедев, А.И.Чвертко, В.А. Тимченко, Э.М.Эсибян—в

разработку оборудования для электродуговой и электрошлаковой сварки и наплавки,

Г.А.Спыну, Ф.А.Кисилевский, В.А.Тимченко, О.К. Назаренко—в построение систем

числового программного управления дуговой электронно-лучевой сваркой, Б.Е.Патон,

Г.А.Спыну—в разработку промышленных роботов для дуговой сварки.

Разработка систем пространственной ориентации электрода при сварке изделий

с криволинейным стыком в горизонтальной и вертикальной плоскостях была

проведена В.Ф. Трефиловым, Э.А. Гладковым, Я.Б.Ландо. Телевизионные системы для

автоматической коррекции положения сварочной ванны относительно свариваемого

стыка были разработаны М.Л.Лифшицем, Д.Д.Никифоровым и др.

Новый методологический подход к анализу процессов в сварочном контуре как

единой электрогидродинамической системе «источник-дуга-сварочная ванна», в

которой ванна рассматривается в качестве непосредственного объекта регулирования,

предложил в 1976г. Э.А.Гладков.

В настоящее время раздел науки «Автоматизация сварочных процессов»

интенсивно развивается. Создаются АСУ многопараметровым контролем сварочных

установок, АСУ ТП сварки, а также информационные системы для сборочно-

сварочного цеха как под системы будущих автоматизированных систем оперативного

управления сборочно-сварочного производства.

1.1 Основные термины и определения.

Рассмотрим некоторые основные понятия автоматики. К таким понятиям

следует отнести: управляемый объект, автоматическое управляющее устройство,

автоматическую систему, воздействие, сигнал, обратную связь и др.

Управляемый объект – это совокупность технических средств (машин,

аппаратов, устройств), которая нуждается в оказании специально организованных

воздействий извне для достижения цели управления.

Управлением в технических системах называется преднамеренное воздействие

на управляемый объект, обеспечивающее достижение определенных целей.

Автоматическим управлением называется управление, осуществляемое без

непосредственного участия человека.

Автоматическим управляющим устройством называется устройство,

осуществляющее воздействие на управляемый объект в соответствии с заложенным в

нем законом управления. В наиболее простых случаях автоматическое управляющее

устройство называют регулятором.

Автоматической системой (системой автоматического управления, или системой

автоматического регулирования) называют совокупность управляемого объекта и

управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с законом

(алгоритмом) управления. Задаваемое на входе требуемое значение регулируемой

величины называется задающим воздействием системы.

Воздействием в автоматике принято называть взаимодействие между

автоматической системой (а также между ее частями) и внешней средой. Воздействия

передаются посредством физических величин (напряжения, тока, давления воздуха,

угла поворота вала и др.) называемых несущими величинами.

Сигнал – обусловленное (заранее договоренное) состояние или изменения

состояния представляющего параметра, отображающего информацию, которая

содержится в воздействии, Обычно сигнал выражается некоторой математической

функцией, например Х

вх

(t), U(t), Х

вых

(t)

, однозначно отображающей изменения во

времени параметра.

Решение задач автоматики следует начинать с детального изучения

управляемого объекта или объекта регулирования. Режим работы, состояние объекта

характеризуются совокупностью физических показателей (параметров) и

определяются текущими внутренними процессами, на характер которых влияют

внешние воздействия. Их называют входными переменными (функциями, сигналами),

а точки их приложения – входами (рис.1.1). В автоматической системе часть входных

воздействий дает информацию о задачах управления. Такие воздействия называют

задающими (управляющими) воздействиями g

(t). Они либо вырабатываются

управляющим устройством, либо задаются человеком.

Другие воздействия на объект, не связанные с задачами и результатами

управления, называют возмущениями f

(t). Возмущающие воздействия могут быть

приложены в различных точках объекта. Собственно из-за наличия возмущений и

возникает необходимость регулирования.

Входные (управляющие и возмущающие) воздействия вызывают изменение всех

или части выходных (регулируемых) величин y

(t),…,y

(t) и координат состояния

(t),…,x

(t) системы.

Если объект имеет всего одну управляющую и одну управляемую величину, то

его относят к одномерным. При наличии нескольких выходных величин объект

называют многомерным.

Знание общих свойств объекта необходимо для выбора принципиальной схемы

регулирования, технических средств измерения контролируемых и регулируемых

величин, элементов системы регулирования и настроек.

Для решения этой задачи необходимо формализовать описание объекта

управления, так как только тогда можно привлечь мощный аппарат технической

кибернетики. Такая формализация осуществляется представлением объекта (например,

сварочного процесса) в виде его математической модели, описывающей только те

особенности процесса, которые существенны для его управления, а также

ограничения, обусловленные технологическими и другими причинами. Цель

моделирования – установление математической зависимости между показателем

качества (y

), параметрами (x

) процесса и входными воздействиями (рис. 1.1).

Y = Y(G,F,X).

Рис.1.1. Схема многомерного объекта управления: g

(t),…,g

(t) – задающие воздействия; f

(t),…,f

(t) –

возмущения; x

(t),…,x

(t) – координаты состояния объекта; y

(t),…,y

(t) – выходные величины.

Математические модели можно получить с использованием двух основных

методов.

Сущность первого метода заключается в установлении связей между входными

и выходными параметрами на основании существующих физических закономерностей

процесса. Модели могут быть статическими и динамическими. Статические не

учитывают временные процессы. Наиболее полными и сложными являются

динамические модели, отражающие особенности поведения объекта во времени. Как

правило, такие модели представляют собой дифференциальные уравнения в частных

производных.

Сущность второго метода получения математических моделей заключается в

установлении связей между входными и выходными параметрами на основании

экспериментально-статистических методов, позволяющих получить модель в виде

уравнений регрессии, описывающих корреляционную зависимость между этими

параметрами, являющимися случайными величинами. Для количественной оценки

величины связи используется метод регрессионного анализа.

1.2 Основные типы систем автоматического регулирования и управления

Простейшие автоматические системы – системы автоматической защиты

предназначены для защиты оборудования от аварий (например, плавкий

предохранитель в цепи рабочего тока объекта).

Системы автоматической блокировки имеют два назначения:

• защита оборудования от неправильных действий обслуживающего

персонала;

• обеспечение заданной последовательности действия оборудования.

Системы автоматического контроля (рис.1.2,а) делят на три группы: измерения,

сигнализации и регистрации.

Рис. 1.2. Системы автоматического контроля (а), управления (б), регулирования (в): f – возмущающее

воздействие; y

вых

– выходной параметр объекта; u – информация о состоянии объекта; y – закон регулирования; О –

объект регулирования; К – устройство контроля; У – устройство управления; РВ – регулирующее воздействие; Р –

устройство регулирования.

Системы автоматического измерения контролируют параметры объекта,

процесса и выдают результаты во всем диапазоне измерения. Например, при дуговой

сварке контролируют силу тока и напряжение дуги, скорость сварки, скорость подачи

электродной проволоки и др.

Системы автоматической сигнализации применяют, когда требуется определять

не конкретный параметр процесса, а лишь получать информацию о том, изменяется ли

он в допустимых пределах. О достижении граничного значения такая система

оповещает световым или звуковым сигналом.

Системы автоматической регистрации контролируемых параметров состоят из

соответствующих датчиков, самопишущих и печатающих приборов или

осциллографов, записывающих изменения параметров объекта на каком-либо

носителе.

Системы автоматического управления (рис.1.2,б) предназначены для

управления приводами и сварочным оборудованием с помощью управляющего

устройства.

Все эти системы относят к категории разомкнутых, или циклических. Такие

системы либо дают информацию о ходе процесса, либо вырабатывают управляющие

воздействия (например, система автоматического управления). Системы называют

циклическими потому, что процесс в них повторяется: последовательность команд от

управляющего устройства на объект, их длительность и интенсивность сохраняются от

цикла к циклу. В разомкнутой системе управляющее воздействие задают без учета

получаемого в результате управления регулируемого параметра. Разомкнутую СУ

можно использовать только в тех случаях, когда влияние неконтролируемых

возмущений невелико. Разомкнутые системы управления обладают существенным

недостатком принципиального характера – закон изменения управляющего

воздействия не учитывает действительного (фактического) изменения регулируемой

величины под действием неучтенных возмущений, изменений характеристик объекта

регулирования т.п.

Более совершенными являются системы автоматического регулирования

(рис.1.2,в), в которых объект регулирования и регулятор связаны замкнутым контуром.

По одной из связей контура к регулятору поступает информация о состоянии объекта

и формирует соответствующее регулирующее воздействие, которое посылает по

второй линии связи на объект. Так продолжается, пока объект не достигнет заданного

состояния.

1.3 Системы автоматического регулирования

Система автоматического регулирования (САР) – это замкнутая автоматическая

система, основанная на принципе обратной связи (ОС) управления объектом с

использованием информации о результатах управления.

Все многообразие элементов, входящих в различные системы автоматики, по

функциональному назначению может быть сведено в функциональную схему САР

(рис.1.3), состоящую из устройств, узлов, элементов, каждый из которых исполняет

свою функцию в системе и графически изображается прямоугольниками, а также

связей между ними, изображаемых стрелками, указывающими направление

прохождения сигналов. Рассмотрим элементы САР.

1.Датчик, или измерительный преобразователь (элемент ИЭ), измеряет

регулируемую величину x(t) и преобразует ее в сигнал x

(t), удобный для дальнейшего

использования (чаще всего в ток или напряжение).

2.Задающее устройство (ЗУ) формирует требуемое на каждый момент времени

задающее воздействие g(t).

3.Сравнивающее устройство (СЭ) выявляет разность g(t) - x

(t) и дает на выходе

сигнал ошибки ε(t), пропорциональной отклонению регулируемой величины Δx(t) от

заданного на данный момент значения.

4.Усилитель или усилитель-преобразователь (УП) усиливает и преобразует

сигнал ошибки до величины y

(t), достаточной и пригодной для управления

исполнительным устройством (ИУ).

Рис. 1.3. Функциональная схема системы автоматического регулирования: Р – регулятор; ЗУ – задающее

устройство; СЭ – сравнивающее устройство; ИЭ – измерительный преобразователь; Д – датчик; УП – усилитель

преобразователь; КУ – корректирующее устройство; ИУ – исполнительное устройство; КОС – корректирующая обратная

связь; О – объект; ГОС – главная обратная связь; g(t) – задающее воздействие; f(t) – возмущающее воздействие; x(t) –

регулируемая величина; x

(t), x

(t) – сигнал и ошибка регулируемой величины; y(t) – регулирующее воздействие; y

(t) –

сигнал регулирующего воздействия; r(t) – дополнительное воздействие.

5.Исполнительное устройство (ИУ) под воздействием y

(t) вырабатывает

регулирующее воздействие y(t), поступающее на регулирующий орган (РО) объекта

управления (О).

6.Корректирующее устройство (КУ) включают последовательно или

параллельно названным элементам. Его назначение – улучшить качество

регулирования объекта с помощью формирующихся в них дополнительных

воздействий r(t).

Управляющее воздействие может быть неизменным, т.е. g(t) = const , тогда САР

обеспечивает автоматическую стабилизацию, т. е. постоянство регулируемой

величины х(t). Автоматическая стабилизация параметров сварочных режимов широко

распространена, например, тока сварки, напряжения на дуге, скорости подачи

электродной проволоки, скорости сварки и т. п.

Замкнутыми системами чаще всего являются также системы программного

регулирования (СПР), у которых закон изменения задающего воздействия g(t)—

заранее известная функция времени. Такие системы по сравнению с разомкнутыми

СПУ находятся на качественно более высоком уровне, так как благодаря наличию

обратных связей они обладают значительно более высокой точностью.

У следящих систем САР закон изменения задающего воздействия g(t)—заранее

неизвестная функция времени. Следящие системы для автоматического ведения

электрода по стыку при дуговой сварке криволинейных швов. Телевизионные

следящие системы отличаются возможностью не только автоматического управления,

но и непосредственного дистанционного наблюдения за зоной сварки.

Адаптивные (самонастраивающиеся) системы управления (САУ).

Рассмотренные ранее системы автоматического регулирования предназначены для

воспроизведения заранее заданного закона управления сварочным процессом. В

отличие от них САУ способны самостоятельно изменять свою настройку или алгоритм

работы с целью оптимизации сварочного процесса. Эти системы могут быть с

самоизменяющейся уставкой, программой, параметрами и, наконец,

самообучающимися. В САУ направление движения определяется автоматическим

поиском (рысканием).