Системы для управления процессами дуговой сварки с обеспечением инвариантности свойств соединений к неконтролируемым возмущениям

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Системы для управления процессами дуговой сварки с обеспечением инвариантности свойств соединений к неконтролируемым возмущениям

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

Сас А.В.

Новочеркасск - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО “Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)”

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Чернов Александр Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шилин Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор

Сысоев Юрий Семенович

доктор технических наук, профессор

Дюргеров Никита Георгиевич

Ведущее предприятие ГОУ ВПО “РГТУ” (г. Рязань)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие промышленного производства сопровождается значительным изменением экологической обстановки. Существенный вклад в ухудшение экологии внесли техногенные катастрофы. Потери от аварий на атомных электростанциях и химических заводах, как, например, на Чернобыльской АЭС или на химкомбинате г. Бхопал (Индия) сопоставимы с последствиями войн.

В современных условиях отказаться от достижений научно-технического прогресса и прекратить развитие атомной энергетики, химических и других опасных производств не представляется возможным. Поэтому вопросам повышения надежности изделий атомного энергетического, химического и других отраслей машиностроения необходимо уделять самое серьезное внимание.

Одним из основных технологических процессов во многих отраслях промышленности: энергетическом и транспортном машиностроении, трубном производстве и других, является сварка. И надежность изделий во многом зависит от того, насколько качественно выполнено сварное соединение. Однако значительная часть дефектов изделий закладывается именно сварочным производством. Так, при изготовлении оборудования атомных станций эта доля достигает 80%, а при производстве газовых и нефтяных магистралей на долю сварочных дефектов приходится от 30% до 70%.

Одним из основных путей повышения надежности и качества сварных соединений является использование информационно-измерительных и управляющих систем на всех этапах производства ответственных металлоконструкций. Однако проведенные исследования показали, что до трети систем управления в дуговой сварке оказались неэффективными. Процессы дуговой сварки, как объекты управления совокупностью свойств сварных соединений, не рассматривались. Несмотря на принимаемые при контроле и аттестации меры, уровень возмущений, вносимый в процесс его элементами, и, в первую очередь, сварщиками-операторами, остается значительным.

Задача одновременного управления многими показателями в случае высокого уровня неконтролируемых возмущений существенно усложняется. В таких условиях для повышения надежности и качества сварки необходимо как снижать уровень возмущений за счет компенсации нестабильностей элементов технологического процесса, так и управлять всей совокупностью показателей качества соединения.

Таким образом, для повышения качества сварочного производства ответственных металлоконструкций актуальным является решение задач разработки методов управления совокупностью свойств сварных соединений в условиях изменяющегося уровня неконтролируемых возмущений, методов идентификации качества протекания процессов и компонентов квалификации операторов, а также технических средств и систем реализующих эти методы.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной фундаментальной научно-исследовательской работы №1.3.99.Ф “Разработка теории и методов повышения технологической прочности, качества и надежности оборудования на основе создания математических методов расчета и моделирования, новых технологий и материалов”, а также в соответствии с научным направлением ЮРГТУ (НПИ) “Теория и принципы построения информационно-измерительных систем управления”, утвержденных на период 1995-2000 гг. решением Ученого совета университета от 25.01.95. Отдельные этапы работ выполнялись по хоздоговорам на проведение научно-исследовательских (опытно-конструкторских) работ: “Разработка промышленного образца модернизированного тиристорного регулятора с блоком АСУ ТП для сварки нержавеющих труб на станах аргонодуговой сварки (АДС) с автоматическим управлением параметрами режима” 1978 г. Московский трубный завод (МТЗ); “Разработка системы управления качеством сварки труб на станах АДС” 1983 г. МТЗ; “Разработка системы управления процессом наплавки рабочего слоя прокатных валков с регламентированным распределением свойств” 1991 г. Мариупольский металлургический институт (ММИ); “Разработка специализированного сварочного оборудования на базе цифровых промышленных сетей” 2004 г. ИПС РАДИС; “Автоматизированная система аттестации оператора-сварщика РДС” 2003 г. ОАО “ЭМК-Атоммаш”.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие методов теории и практики создания информационно-измерительных и инвариантных управляющих систем для процессов дуговой сварки, обеспечивающих повышение качества и надежности сварных соединений ответственных металлоконструкций в условиях реального производства. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- анализ процессов дуговой сварки как объектов управления;

- разработка способа адаптации к действию неконтролируемых возмущений;

- исследование динамических характеристик элементов процесса;

- разработка формализованного метода анализа дуговой сварки как объекта управления совокупностью свойств соединения;

- исследование идентификационных характеристик дуговой сварки и разработка метода идентификации качества протекания процесса;

- разработка, на основе исследования информационного пространства технологического процесса, метода синтеза структуры измерительных каналов инвариантной системы управления;

- расширение области саморегулирования процесса сварки короткой дугой плавящимся электродом;

- разработка идентификационной модели взаимодействия оператора-сварщика с процессом и способа аттестации компонентов квалификации оператора;

- разработка систем управления совокупностью свойств соединения при дуговой сварке и технических средств аттестации элементов процесса и компонентов квалификации операторов - сварщиков.

Методы исследований. В диссертационной работе использовались методы математической статистики, теории идентификации, планирования эксперимента; дисперсионный и регрессионный анализ; методы математической физики, линейной алгебры, моделирования процессов; частотные методы теории автоматического регулирования, теории оптимальных стохастических систем; спектральный анализ и другие современные методы.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации обеспечивается: - сопоставлением результатов, полученных по разработанных автором математическим моделям с результатами экспериментальных исследований (их рассогласование не превышает 10%); - использованием при экспериментальных исследованиях только поверенной аппаратуры; - корректным применением методов математической статистики, теории вероятности и других используемых научных методов; - соответствием основных допущений, принятых при аналитических исследованиях, моделировании и оценке достоверности результатов, физике рассматриваемых явлений; - использованием современных программных комплексов (Matlab 6.0 и др.); - справками о внедрении разработанных технических устройств и систем управления процессами дуговой сварки и наплавки.

Научную новизну представляют:

1. Метод анализа дуговой сварки отличающийся тем, что технологический процесс впервые рассмотрен как объект управления совокупностью свойств сварного соединения, что позволяет повысить надежность и качество сварочного производства ответственных металлоконструкций.

2. Доказанная возможность построения инвариантной системы управления свойствами соединений для процессов дуговой сварки;

3. Впервые предложенный метод адаптации процесса дуговой сварки к действию неконтролируемых возмущений отличающийся оценкой их уровня по разности между измеренной в визируемой точке очага плавления и идентифицированной по модели температурами, что позволяет обеспечить инвариантность свойств сварных соединений к технологическим возмущениям.

4. Метод расширения области естественного саморегулирования процесса сварки с периодическими короткими замыканиями отличающийся тем, что естественные флуктуации напряжения дуги используются для организации слежения за изменяющимся средним значением напряжения, что позволяет расширить технологические возможности управляемого сварочного оборудования и обеспечить надежность и качество сварки пространственных металлоконструкций.

5. Математическая модель дуговой сварки с периодическими короткими замыканиями отличающаяся тем, что впервые процесс сварки описан Марковской моделью непрерывного времени, что позволяет использовать его идентификационные характеристики для создания информационно-измерительных систем аттестации однотипных элементов сварочного контура.

6. Впервые созданная модель взаимодействия оператора с процессом дуговой сварки отличающаяся включенным в модель программным моторным выходом, что позволяет использовать его идентификационные характеристики для создания информационно-измерительных систем аттестации компонентов квалификации оператора.

Научная значимость. Диссертация решает важную научную проблему повышения надежности функционирования ответственных металлоконструкций в атомной энергетике, химических производствах и других областях народного хозяйства. Она вносит вклад в теорию разработки информационно-измерительных и инвариантных управляющих систем процессами дуговой сварки, обеспечивая повышение качества сварных соединений. Впервые предложенный формализованный метод анализа дуговой сварки как объекта управления совокупностью свойств соединений, метод адаптации дуговой сварки к действию неконтролируемых возмущений и метод расширения области естественного саморегулирования процесса сварки с периодическими короткими замыканиями позволяют решить проблему повышения надежности и качества, а также являются общими для достаточно широкого класса технологических процессов.

Практическая значимость работы. Основными итогами диссертационного исследования являются:

- предложенная и апробированная методика проектирования систем управления комплексом свойств сварного соединения;

- разработанная и апробированная методика идентификации уровня неконтролируемых возмущений при дуговой сварке;

- полученные передаточные функции дуги и гидродинамических процессов в сварочной ванне, позволяющие учитывать динамические явления приэлектродных областей и динамику изменения длины дуги при анализе устойчивости сварочного контура и формировании управляющих воздействий

- предложенный и подтвердивший эффективность и универсальность блочно-модульный принципе компоновки специализированных сварочных установок с цифровыми системами управления;

- разработанной и апробированной методике идентификации качества дуговой сварки с плавящимся электродом и методике аттестации составляющих сварку элементов на основе ее представления Марковским случайным процессом непрерывного времени;

- разработанной и апробированной методике идентификации характеристик моторного выхода операторов дуговой сварки.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Формализованный метод анализа процессов дуговой сварки как объектов управления комплексом свойств сварного соединения, позволяющий повысить надежность и качество сварочного производства ответственных металлоконструкций.

2. Способ адаптации процессов дуговой сварки к действию неконтролируемых возмущений, позволяющий по “фиктивному” показателю качества - температуре формировать управляющее воздействие, обеспечивающее инвариантность свойств к действию возмущений.

3. Метод синтеза структуры каналов измерительной информации, позволяющий обеспечить инвариантность свойств соединений к неконтролируемым возмущениям по разности между измеренным и идентифицированным значением системного параметра.

4. Метод расширения области естественного саморегулирования процесса сварки с периодическими короткими замыканиями с использованием естественных флуктуаций напряжения дуги для слежения за его средним значением, позволяющий расширить технологические возможности управляемого сварочного оборудования и обеспечить надежность и качество сварки пространственных металлоконструкций.

5. Описание дуговой сварки с периодическими короткими замыканиями математической моделью Марковского процесса непрерывного времени, позволяющее использовать его идентификационные характеристики при разработке информационно-измерительных систем аттестации однотипных элементов сварочного контура.

6. Модель взаимодействия оператора с процессом дуговой сварки, позволяющая использовать идентификационные характеристики программного моторного выхода при разработке информационно-измерительных систем аттестации компонентов квалификации оператора.

7. Результаты моделирования сварочного контура “источник питания - электрод - дуга - сварочная ванна”, позволяющие учитывать динамические явления приэлектродных областей и динамику изменения длины дуги при анализе устойчивости сварочного контура и формировании управляющих воздействий.

Реализация результатов работы. Теоретические, методические и аппаратные разработки нашли практическое применение на ряде предприятий энергетического, транспортного машиностроения, трубного производства, черной металлургии и других отраслей, изготавливающие ответственные металлоконструкции: ОАО “Атоммаш”, ОАО “Уралмаш”, ОАО “Филит” (МТЗ), ООО “ССМ-Тяжмаш” и других, а также в учебном процессе на кафедре “Информационные и управляющие системы” ЮРГТУ (Волгодонский институт).

В процессе создания информационно-измерительных систем аттестации элементов сварочных процессов и компонентов квалификации операторов дуговой сварки, семейства программно-адаптированных распределенных систем сварки пространственных конструкций, автоматизированных и с идентификатором в цепи обратной связи систем управления комплексом свойств сварных соединений был решен ряд схемотехнических и программных задач связанных с особенностями сварочного производства. Предложены новые технические решения, которые могут быть использованы в других отраслях в условиях высокого уровня электромагнитных помех.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на международных, республиканских, региональных и отраслевых научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на: Всесоюзной научно-технической конференции “Современные методы управления электросварочным оборудованием”, Ленинград, 1981; Всесоюзной конференции “Повышение эффективности и использование вычислительной техники в сварке”, Липецк, 1982; конференции “Повышение качества и эффективности сварочного производства”, Московский дом научно-технической пропаганды им. Дзержинского, Москва, 1980; конференции “Эффективность автоматизации процессов сварки”, Московский областной дом научно-технической пропаганды, Люберцы, 1981; общемосковском семинаре "Проблемы инженерной психологии", Москва, 1989; научном семинаре кафедры сварки, Московский автомобилестроительный институт, Москва, 1989; научном семинаре кафедры нефтегазового и химического аппаратостроения РГУ им. И.М. Губкина, Москва, 1990, 1993; Московском семинаре сварщиков при МГТУ им. И.М. Баумана, 1979, 1989; объединенном семинаре "Автоматика, источники питания и нагрева неразрушающий контроль" и "Технологические процессы, материалы, и оборудование для сварки сталей”, ИЭС им. Е.О. Патона, Киев, 1991; международной конференции "Современные проблемы и достижения в области сварки, родственных технологий и оборудования", Санкт-Петербург, 1995; II-ом международном конгрессе "Защита", Москва, 1995; международных научно-технических конференциях "XI Бенардосовские чтения" и "XII Бенардосовские чтения", Иваново, 2003, 2005; отраслевого совещания ОАО "Газпром" "Состояние и основные направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа", Невинномысск, 2005.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 работ, из них 1 монография, 29 научных статей (14 по перечню ВАК), 4 доклада на научных конференциях, 11 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация, состоящая из введения, 5 глав, заключения и приложений, изложена на 308 страницах и иллюстрирована 89 рисунками и 15 таблицами. Список литературы состоит из 276 наименований. Приложение (справки и другие материалы) содержит 17 страниц.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве: В работах [3,5,6,11,12,14,27,30] обосновал структуру систем управления процессами при управлении свойствами соединений, обоснована необходимость управления по схеме с идентификатором в цепи обратной связи, предложил способ адаптации процессов к неконтролируемым возмущениям. В работе [4] построил области состояния процесса. В работе [7] аналитически получил передаточную функцию гидродинамики сварочной ванны. В работе [8] определил, что инерционность сварочной дуги определяется приэлектродными областями. В работах [9,41] предложил представить дуговую сварку Марковским случайным процессом. В работе [13] определил взаимосвязь спектра сигнала со свойствами соединения. В работах [15,16,19,21,23-25] сформулировал предмет изобретений. В работах [17,18,20,22] разрабатывал схемы управления устройствами. В работе [26] по результатам эксперимента определил передаточную функцию. В работах [31-33,44] составил математические модели, провел моделирование. В работе [34] обосновал необходимость пирометрического обеспечения управления качеством. В работах [38,43] обосновал принципы управления сваркой с короткими замыканиями и принципы построения специализированных систем управления. В работах [39,40,42] формулировал цели, задачи и разрабатывал структуру систем управления.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, сформулирована цель диссертационной работы, приведены формулировки основных положений, выносимых на защиту.

Первая глава “Современное состояние и проблемы идентификации и управления процессами дуговой сварки” посвящена рассмотрению вопросов совершенствования сварочного производства при изготовлении ответственных металлоконструкций. Сварка является одним из основных технологических процессов изготовления ответственных, в том числе пространственных конструкций, в энергетическом, химическом и транспортном машиностроении, трубном производстве. И надежность изделий во многом зависит от того, на сколько качественно выполнена сварка. Однако значительная часть дефектов изделий закладывается именно сварочным производством.

Использование информационно-измерительных и управляющих систем является одним из основных путей повышения эффективности технологических процессов и качества выпускаемой продукции. Автоматическое управление дуговой сварки началась одновременно с появлением самой сварки, с механического регулятора длины дуги Н.Н. Бенардоса. Большой вклад в развитие систем управления процессами сварки внесли В.П. Никитин, Д.А. Дульчевский, В.И. Дятлов, Б.Е. Патон, Л.Е. Алекин, А.И. Акулов, Э.А. Гладков, А.В. Чернов, В.В. Кривин , W. Lucas, G. Salter, V. Malin и другие ученые. Были разработаны различные технические средства, разнообразные датчики, исполнительные механизмы, системы управления отдельными параметрами режима сварки и глубиной проплавления. Однако до трети автоматических и автоматизированных систем в сварке оказались неэффективными. В работе был проведен анализ причин сложившегося положения

К качеству сварных соединений предъявляют многочисленные требования: по геометрии соединения, прочности, стойкости против коррозии, знакопеременных нагрузок, отсутствию таких дефектов как горячие и холодные трещины и другие. Конкретная совокупность требований определяется ответственностью свариваемой конструкции и условиями ее эксплуатации. Однако процессы дуговой сварки как многомерные объекты управления совокупностью показателей качества соединения не рассматривались.

Большинство показателей качества соединения в ходе процесса измерить невозможно и дуговая сварка является объектом с практически не наблюдаемым выходом. В такой ситуации управлять ненаблюдаемыми показателями возможно только по идентифицируемым моделям их зависимости от наблюдаемых входных переменных (параметров режима). Подобная система была разработана для управления прочностью соединения по идентифицируемой модели при сварке особо ответственных обечаек. Но экономически система оказалась неэффективной, так как требовала больших затрат на этапе подготовки производства. В реальных же условиях сварки из-за действия различных неконтролируемых возмущений, вносимых в процесс нестабильностью составляющих его элементов: материалов, оборудования, операторов, ошибка определения по модели значения показателя качества может стать недопустимой. Поэтому в ходе процесса его необходимо адаптировать к изменяющемуся уровню неконтролируемых возмущений, а значит необходимо оценивать их текущий уровень.

Несмотря на огромное количество работ отечественных и зарубежных ученых, посвященных исследованию различных протекающих при сварке явлений, полной математической модели процесса дуговой сварки, вследствие чрезвычайной сложности его формального описания, не создано. Значение каждого из показателей качества соединения зависит от взаимодействия целого ряда одновременно протекающих нелинейных процессов различной инерционности: тепловых, электромагнитных, металлургических, гидродинамических, структурно-фазовых, деформационных и других. Поэтому необходимо управлять сразу всей совокупностью показателей.

Проведенный анализ истории развития, современного состояния автоматизации сварки и особенностей процесса дуговой сварки как объекта управления показал, что для повышения качества сварных соединений необходимо снижать уровень возмущений вносимых в процесс его элементами, в том числе за счет совершенствования и автоматизации аттестации на этапе подготовки производства. А в ходе технологического процесса необходимо управлять всей совокупностью свойств соединения с адаптацией к действию неконтролируемых возмущений.

Для достижения цели, поставленной в диссертационной работе, был сформулирован и решен, применительно к технологии сварочного производства ответственных металлоконструкций, ряд задач.

Вторая глава “Моделирование процессов в сварочном контуре: ”Исполнительные механизмы - дуга - сварочная ванна - шов” посвящена теоретическим основам идентификации состояния процесса дуговой сварки и управления совокупностью свойств сварного соединения.

Во время сварки значение вектора выходных ненаблюдаемых показателей качества Y можно идентифицировать только по уравнениям его связи с вектором входных переменных X (включающим вектор управлений и вектор возмущений) и вектором переменных состояния Z, то есть Y = CZ + DX, где Ї = AZ + BX; A - матрица состояния, B - матрица управления; C и D - матрицы коэффициентов влияния переменных состояния и входных переменных на значение показателей качества сварного соединения.

Как доказано В.В. Кривиным, изменение мгновенных значений основных переменных вектора входа X для процессов сварки с плавящимся электродом - тока сварки и напряжения на дуге носит хаотический характер. Поэтому для их описания можно использовать только статистические методы. Однако, применительно к дуговой сварке плавящимся электродом статистическое описание производится по всему массиву мгновенных значений и не учитывает, что процесс может находиться в трех различных состояниях: 1 - холостого хода, 2 - горения дуги и 3 - короткого состояния. Причем иногда из состояния короткого состояния процесс переходит в состояние холостого хода, а только затем в состояние горения дуги.

При обработке осциллограмм мгновенных значений тока и напряжения было установлено, что дуговая сварка с плавящимся электродом может быть представлена как Марковский случайный процесс непрерывного времени с управляющим Пуассоновским потоком. Остаточное время Q пребывания процесса в каждом из трех j состояний подчиняется экспоненциальному закону с соответствующим показателем л_j интенсивности выхода из этого состояния g_j(Q) = л_je -^л_j .

Предельные вероятности нахождения процесса в конкретном состоянии в произвольный будущий момент времени находили на основе решения дифференциального уравнения Колмогорова, которое для стационарного режима представляет систему линейных уравнений ?л_jkp_j = 0, где j, k - состояния процесса, p_j - предельная вероятность нахождения процесса в j -том состоянии, л_jk - интенсивность перехода из состояния j в состояние k. Причем л_jk = л_jq_jk , где - q_jk - вероятность перехода из j в k (переходная вероятность).

Для расчета основных характеристик процесса был разработан специальный алгоритм, по которому обрабатывались экспериментальные данные. При обработке результатов эксперимента с использованием источников ВДУ-1201, один из которых сварщики оценивали как “хороший”, а другой как “плохой”, было установлено, что интенсивность л₁ у нормально протекающего процесса была в три раза выше, чем у процесса с отклонениями, а интенсивность л₂ была в два раза меньше: то есть стабильный процесс с “хорошим” источником стремился быстрее выйти из состояния холостого хода и дольше оставаться в состоянии горения дуги, чем нестабильный процесс с “плохим” источником. Для стабильного процесса переходные вероятности q_{к.з.гор.}=0,969, q_к.з.х.х=0,031, а для нестабильного, соответственно, q_к.з.гор=0,915, q_к.з.х.х=0,055. Аналогичные результаты были получены при обработке экспериментальных данных при сварке на одном источнике ВДУ-516 сварщиками разной квалификации.

Таким образом, установлено, что характеристики процесса сварки с плавящимся электродом как Марковского случайного процесса, позволяют идентифицировать уровень стабильности процесса. Этот уровень зависит от нестабильности характеристик элементов а также от динамики взаимодействия источника питания с дугой, дуги с плавящимся электродом и сварочной ванной. Процесс плавления и переноса электродного металла и силовое взаимодействие дуги с жидким металлом приводят к изменению состояния дугового промежутка, что, в свою очередь, приводит к изменению нагрузки источника питания. Причем изменение характера нагрузки является нелинейным и может быть смоделирован только системой с переменной структурой. На рисунке 1 представлена упрощенная электротехническая модель процесса сварки с плавящимся электродом.

Рисунок 1 - Электротехническая модель сварки с плавящимся электродом.

Когда разомкнуты ключи К₁ и К₂, процесс находится в состоянии холостого хода. Когда замкнут ключ К₁, а ключ К₂ разомкнут - в состоянии горения дуги, а когда замкнут ключ К₂, а ключ К₁ разомкнут - в состоянии короткого замыкания. Закон управления ключами К₁ и К₂ при моделировании определялся параметрами Марковского случайного процесса.

Учитывая постоянные переходы из состояния в состояние, равенство скоростей подачи и плавления электрода соблюдается только в среднем. Мгновенная скорость плавления электрода в момент времени ф подчиняется экспоненциальному закону. При динамических переходах из состояния в состояние происходит резкое изменение сварочного тока и силы давления дуги, что существенно влияет на гидродинамику сварочной ванны. Таким образом, гидродинамические процессы в сварочной ванне, их стабильность, существенным образом зависят от характеристик процесса переноса электродного металла, а значит от тепловых процессов в сварочном контуре.

Большинство недопустимых дефектов сварных соединений зарождается в сварочной ванне. Поэтому управлять свойствами сварных соединений можно лишь добившись стабильности процессов плавления и переноса электродного металла, стабильности гидродинамических процессов в сварочной ванне.

Тепловая энергия дуги преобразуется из электрической энергии источника питания при его взаимодействии со сварочной дугой. С целью определения полной передаточной функции дуги нами было проведено исследование ее частотных характеристик в диапазоне частот 1 Гц - 160кГц. В результате обработки и анализа экспериментальных данных, была получена следующая передаточная функция : , где К_в - динамическое сопротивление дуги, I_с, U_d - соответственно ток сварки и напряжение на дуге, Т_с и Т_с^' - постоянные времени столба дуги, Т₁ и Т₂ - постоянные времени приэлектродной области. Значения Т₁, Т₂ и Т_с (Т_с^') отличаются более чем на порядок. Таким образом, было установлено, что динамические явления в столбе дуги и приэлектродных областях можно рассматривать независимо, и что динамика взаимодействия источника питания с дугой определяется в первую очередь инерционностью приэлектродных областей.

Характеристики взаимодействия источника питания с дугой зависят также от изменения длины дуги. Причем, при действии возмущений переход в новое состояние зависит как от тепловых, так и от гидродинамических свойств сварочной ванны. Для оценки влияния на скрытую составляющую длины дуги гидродинамики сварочной ванны было составлено, решено и проанализировано уравнение перемещения центра тяжести сварочной ванны при вариации действующих сил

где m_ПР - приведенная масса жидкой ванны; P_Д - сила давления дуги; G - вес жидкой ванны; Р_П.Н. - суммарная сила поверхностного натяжения; Р_В.Т. - сила внутреннего трения.

В результате была получена передаточная функция гидродинамических процессов в сварочной ванне:

,

где ; ; . Расчет колебательного переходного процесса проводили при постоянной массе сварочной ванны. С ростом объема сварочной ванны инерционность звена (Т) увеличивалась. Увеличение коэффициента поверхностного натяжения у приводило к снижению инерционности ванны, а изменение коэффициента внутреннего трения Ю изменяло демпфирующие свойства звена. Большей величине тока сварки I_с соответствовал больший коэффициент передачи k₁.

Результаты аналитического решения дифференциального уравнения движения центра масс сварочной ванны были экспериментально подтверждены при записи сигнала изменения температуры визируемой точки поверхности сварочной ванны (рисунок 2). Расшифровка переходной функции позволила описать передаточную функцию двумя параллельно соединенными звеньями: апериодическим звеном с постоянной времени проплавления и колебательным звеном с параметрами, соответствующими гидродинамическим процессам.



Рисунок 2 - Переходной процесс по температуре при скачке по току сварки

Если при автоматической сварке с неплавящимся электродом изменение длины дуги происходит только вследствие изменения ее скрытой составляющей, то при сварке с оператором в контуре управления изменение длины происходит и вследствие изменения ее внешней составляющей. Поэтому возмущения по внешней составляющей длины дуги, приводящие к потере устойчивости дуги и появлению дефектов соединения, являются следствием ошибок оператора. Задача снижения уровня возмущений и повышения качества соединения в этом случае должна решаться за счет совершенствования системы аттестации и подготовки операторов.

При сварке с плавящимся электродом, особенно при сварке с коротким замыканием, происходят постоянные колебания как внешней, так и внутренней составляющей длины дуги. Переменная скорость плавления и перенос капель электродного металла в сварочную ванну, являются причиной изменения внешней составляющей длины дуги, постоянного нарушения равновесия действующих на сварочную ванну сил, и, как следствие, изменение скрытой составляющей длины дуги. Характер взаимодействия этих двух процессов, особенно при случайных возмущениях различной физической природы, носит хаотический характер.

Большинство недопустимых дефектов сварных соединений зарождаются в сварочной ванне при нарушении устойчивости процесса горения дуги. Только обеспечив устойчивость процесса, можно управлять качеством соединения.

Анализ инерционности различных, составляющих дуговую сварку процессов и элементов сварочного контура показал, что инерционность кристаллизации металла сварочной ванны (формирования свойств соединения) существенно больше инерционности всех остальных процессов и элементов. Это позволило решать задачу управления выходными переменными y_i технологического процесса в статическом варианте по уравнениям их зависимости от входных переменных процесса x_j. Требованиями ГОСТа, ТУ на возможные значения показателей качества ограничены. Решение системы критериальных неравенств показателей качества выделяет в пространстве наблюдаемых входных переменных (рисунок 3) некоторую область - область качественного состояния технологического процесса . При построении Щ_к учитывали также ограничения на значения входных переменных, в том числе на ресурс управления.

Рисунок 3 - Представление технологического процесса в пространстве входных переменных

При отсутствии качественной области необходимо задать более мягкие ограничения на показатели качества, если это не приведет к несоответствию качества соединения техническим требованиям, или перейти на другой технологический процесс или способ сварки.

В производственных условиях отображающая состояние процесса точка перемещается в пространстве. Из области качественного состояния мы выделили рабочую область ?_p, такую, что при выборе рабочей точки внутри ее, точка, отображающая текущее состояние процесса, не выйдет за пределы ?_k. С ростом уровня возмущений размеры ?_p уменьшаются, так как от границ ?_k необходимо отступать на больший интервал. При наличии статистических данных величина отступа рассчитывается по дисперсии показателей и тогда

, а ,

где k - коэффициент. Когда статистические данные отсутствуют, величину отступа можно задать функцией принадлежности нечеткого множества границы к ?_k. В этом случае к ?_p относятся все точки пространства, где м(?_k)=1. Размеры ?_р в значительной степени определяются квалификацией оператора, уровнем и составом вносимых им возмущений. Для количественной оценки влияния компонентов квалификации на этот уровень необходима математическая модель взаимодействия оператора с процессом.

Значения показателей качества, вычисленные по контролируемым входам, отличаются от реальных, которые зависят также и от неконтролируемых возмущений x_нк. Чтобы учесть влияние неконтролируемых возмущений на показатели качества, необходим параметр (фиктивный показатель качества), который зависит от тех же переменных, что и остальные показатели качества, но может быть измерен в ходе процесса. Таким фиктивным показателем для дуговых процессов сварки в работе была выбрана температура точки поверхности очага плавления. Разность между измеренной Т_и и идентифицированной Т_р температурами служит мерой влияния на процесс неконтролируемых возмущений: , где - коэффициент влияния x_нк на температуру. Оценка уровня x_нк использовалась для адаптации моделей показателей качества.

При подстройке свободных членов уравнений связи показателей качества с параметрами режима , где y_i^M - значение показателя, рассчитанное по контролируемым входам. Отношение коэффициентов aⁱ_нк/a^T_нк,, где аⁱ_нк - влияние x_нк на y_i определялось в режиме обучения, исходя из условия минимума функционала Ј = , где и - соответственно предсказываемое и действительное значение показателя y_i для условий l-го эксперимента.

Более точная адаптация коэффициентов уравнения связи температуры с входными переменными проводилась по алгоритму одношаговой адаптивной идентификации , где N - текущий шаг по времени, - соответственно векторы и транспонированные векторы входных переменных и оценок коэффициентов “фиктивного” показателя качества (температуры).

Исследование этапов анализа технологических процессов дуговой сварки как многокритериальных объектов в пространстве наблюдаемых параметров режима легло в основу формализованного, алгоритм которого представлен на рисунке 4, метода анализа систем управления совокупностью свойств сварного соединения. После ввода исходных данных по составу показателей качества, ограничений на показатели качества y_i⁺ и y_i^- и входные переменные x_i⁺ и x_i^- рассчитывается качественная область ?_к. При отсутствии ?_к рассматриваются варианты изменения ограничений y_i⁺и y_i^- или перехода к другому технологическому процессу. При существовании ?_к вводятся исходные данные по дисперсии возмущений по информационным входам, дисперсии воспроизводимости и адекватности моделей, и рассчитывается рабочая область ?_р. При отсутствии ?_р ввод новых информационных входов в соответствии с их рангом с_iн продолжается до тех пор, пока какая-либо из проекции возможной рабочей области на показатели качества ?y_i= остается отрицательной. Ранг информационного входа определяется средневзвешенным вкладом его дисперсии в дисперсию показателей качества и стоимостью соответствующего датчика , где - вклад дисперсии j-го входа в i-тый показатель, - коэффициент влияния j-го входа на i-тый показатель, с_j- стоимость датчика j-го входа, б_j- вес i-го показателя. Оптимальную рабочую точку внутри ?_р находили по различным критериям оптимизации. Затем определи необходимость включения в состав системы управления контура компенсации неконтролируемых возмущений на основании выполнения условия , где и - соответственно реальный и допустимый уровень неконтролируемых возмущений. , где - уровень неконтролируемых возмущений по i-му показателю, - дисперсия адекватности модели i-го показателя. Число управляющих воздействий определяли по коэффициенту компенсации возмущений k_j^гр, значение которого должно быть > 1.

Разработанный формализованный метод анализа процессов дуговой сварки и синтеза систем управления совокупностью свойств сварного соединения явился методологической основой исследования технологических процессов дуговой сварки и разработки систем управления ими.

Третья глава “Идентификация совокупности свойств соединения дуговой сварки как объекта управления ” посвящена рассмотрению вопросов формирования совокупности показателей качества сварных соединений, построения математических моделей зависимости показателей качества от параметров режима, построения областей состояния процессов дуговой сварки, определения базового рабочего режима и спектральных диапазонов измерения температуры.

На первом этапе синтеза системы управления качеством соединения формируется набор показателей, обеспечивающий требуемую достоверность оценки качества. Рассмотрена процедура формирования набора, по которой сформированы наборы для процессов дуговой сварки: стационарных процессов аргонодуговой и микроплазменной сварки тонколистовых сильфонов, аргонодуговой сварки прямошовных труб из стали 12Х18Н10Т, нестационарного процесса наплавки рабочего слоя прокатных валков с регламентированным распределением свойств и других процессов.

После формирования набора показателей по уравнениям их зависимости от параметров режима строится область качественного состояния процесса. В работе рассмотрены вопросы построения и использования теоретических, экс-периментально-теоретических и полученных путем обработки экспериментальных данных, моделей зависимости показателей качества соединения от входных параметров режима.

Рисунок 4 - Алгоритм формализованного метода анализа систем управления совокупностью свойств соединения

Экспериментально-теоретическая модель стойкости труб из стали 12Х18Н10Т против межкристаллитной коррозии (МКК) по степени стабилизации металла шва титаном (Ti) была получена путем решения системы двух дифференциальных уравнений: уравнения поглощения азота жидким металлом сварочной ванны , где х - объем жидкого металла, С^N- текущая концентрация азота, в' и в'' - коэффициенты массопереноса азота соответственно при абсорбции и десорбции, F и F' - соответственно площадь абсорбции и площадь десорбции, S₁ и S₂ -соответственно концентрация азота на поверхности жидкого металла и концентрация насыщения; и уравнения образования нитридов титана , где k^TiN- константа скорости реакции образования нитридов титана (TiN), С₀^N, С₀^Ti и С₀^TiN- соответственно общая, концентрации азота и титана и текущая концентрация TiN. Отклонение экспериментальных точек по концентрации нитридов титана в шве от расчетных зависимостей (рисунок 5) составило не более 10%, что свидетельствует о применимости предложенной модели для определения стойкости соединений против МКК.

Рисунок 5 - Концентрации нитридов титана (TiN) в металле шва(1,1'), стойкости против МКК (2,2')

Математические модели остальных, используемых в работе показателей качества, были построены путем обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании технологических процессов сварки тонколистовых сильфонов, труб из стали 12Х18Н10Т, наплавки рабочего слоя прокатных валков и других процессов. Некоторые математические модели заимствованы из литературных источников.

Рисунок 6 - Диапазоны качественных режимов сварки сильфонов

Уравнения показателей качества использовались при построении .Так, например, были установлены допустимые диапазоны изменения сварочного тока для аргонодуговой и микроплазменной сварки торцевых соединений сильфонов (рисунок 6) и показана невозможность сварки свободной дугой металла толщиной менее 0,07 мм. Для автоматизации расчета вне зависимости от количества показателей качества и параметров режима была разработана формализованная процедура и реализующая процедуру программа ANALWP, имеющая модульную структуру и состоящая из ряда подпрограмм. Преимущество предложенного метода расчета - его не итерационный характер. Метод применим к мультипликативным моделям после их логарифмирования. Так, по мультипликативным моделям и данным Кривошеи В.Е. была построена область для процесса автоматической сварки под флюсом стыковых соединений без скоса кромок стальных (Ст3) пластин. Пример построения по нелинейной модели был выполнен для электронно-лучевой сварки и данным Рыкалина Н.Н. и Зуева И.В.

В работе проведено исследование влияния возмущений на характеристики рабочей области ?_р и выбор рабочей точки и показано, что влияние возмущений на параметры ?_р может быть весьма существенным.

сварка электрод управление измерительный

Рисунок 7 - Области состояния процесса сварки погруженной дугой

Так например, при уровне возмущений по напряжению на дуге в 2В площадь ?_р процесса сварки погруженной дугой меньше площади в 2,5 раза, а при уровне возмущений в 7В - соответственно в 8-мь раз (рисунок 7).

Основная трудность при определении оптимальной рабочей точки заключается в выборе функционала оптимизации. Формирование функционала зависит от требований к конкретному сварному соединению и особенностей конкретного технологического процесса. В работе рассмотрено четыре варианта формирования функционала. Для ответственных изделий, когда множество ?_р пустое, целесообразна оптимизация по статистическому критерию - максимизации нахождения точки, отображающей состояние процесса, в . Учитывая, что любая гиперплоскость, проходящая через грань множества в может быть представлена алгебраической суммой гиперплоскостей пересекающихся по этой грани, то для случая, когда ограничения наложены только на два показателя y₁ и y₂, и, когда, например, дисперсия по одному из показателей меньше, чем дисперсия по другому, но больше последней, умноженной на косинус угла между ними, то соответствующий оптимальной плоскости коэффициент г_l находится из выражения.

Отметим, что уравнения при других соотношениях дисперсии показателей могут быть приведены относительно г_l к такому же виду. При введении нормирующих множителей з_i = y_i/D(y_i) решение задачи минимума риска несоблюдения технологии сводится к поиску центра “тяжести” многомерной области ?_р. При существовании ?_р (малом уровне возмущений) частным критерием оптимизации может служить любой показатель качества соединения, любой параметр режима или их свертка. В случае, когда число управляющих воздействий меньше числа регулируемых показателей, текущую оптимальную рабочую точку в работе предложено формировать по минимуму взвешенного среднеквадратического отклонения показателей качества

Ј=,

где и - соответственно оптимальное текущее и оптимальное исходное значение показателя. Продифференцировав функционал по каждой из н управляющих переменных и приравняв производные к нулю, получим систему уравнений, в результате решения которой находим оптимальное текущее значение каждого регулирующего воздействия



Учитывая, что неконтролируемые возмущения могут привести к разрыву производной функционала, рассмотрен вариант с функционалом модульного типа . В этом случае для решения задачи поиска оптимума был использован метод Розенброка (один из методов прямого поиска оптимума) с перестройкой системы координат и введением не связанной никакими ограничениями присоединенной функции J(x^k, u), эквивалентной введению в целевой функционал штрафных функций, задающих ограничения. Для реализации метода Розенброка была написана программа ROZEN.

Вычисленная по модели и измеренная в визируемой точке очага плавления температура по впервые предложенному методу используется для адаптации технологических процессов дуговой сварки к действию неконтролируемых возмущений. Поэтому, учитывая, что точное измерение температуры является необходимым условием управления совокупностью свойств сварных соединений, в работе было проведено исследование сопутствующих различным процессам дуговой сварки электромагнитных излучений в инфракрасной области спектра. Исследование характеристик излучений проводилось как в статическом, так и динамическом режимах с учетом состояния поверхности очага плавления и наличия возмущающих, не связанных с температурой излучений.

В результате этих исследований был построен спектрально-энергетический портрет процессов сварки (рисунок 8) и обоснованы спектральные диапазоны измерения температуры с максимальной разрешающей способностью и минимальной погрешностью.

Четвертая глава “Исследование управления свойствами соединения при дуговой сварке” посвящена вопросам расширения области существования нестационарного процесса с периодическими короткими замыканиями и построения математической модели взаимодействия оператора с технологическим процессом.

Рисунок 8 - Спектрально-энергетический портрет процессов сварки.

Нестабильность элементов технологического процесса наиболее существенно сказывается на устойчивости нестационарного процесса сварки с периодическими короткими замыканиями при использовании тиристорных источников питания. Так, например, при отклонении скорости подачи проволоки всего на ± 2% от номинала процесс исчерпывал свои возможности саморегулирования за счет изменения частоты коротких замыканий и терял устойчивость. К потере устойчивости приводило и несогласованное взаимодействие элементов сварочного оборудования при различных стадиях и условиях процесса.

Для исследования проблемы обеспечения устойчивости процесса дуговой сварки с периодическими короткими замыканиями был разработан специальный экспериментальный стенд. За основу распределения информационных функций были взяты технологические функции элементов. Микроконтроллеры элементов обеспечивали поддержание параметров сварки независимо от внешних условий. Для управления стендом была разработана специальная программа, которая позволяла тестировать оборудование, задавать параметры работы всех элементов оборудования и изменять их во время сварки. Регуляторы стенда были реализованы на базе восьмиразрядного микроконтроллера семейства Atmel. Для согласованной работы регуляторов, с учетом специфики сварки с периодическими короткими замыканиями, был разработан специальный протокол обмена данными “ПАРС”.

При разработке стенда также решались задачи снижения уровня возмущений по скорости подачи проволоки и по характеристикам источника питания. Был разработан механизм подачи с цифровой системой управления. Механизм позволил обеспечить стабильность скорости подачи не хуже ± 1% при расстоянии между источником питания и механизмом более 50 метров.

Для управления источником питания ВДУ-506 была разработана цифровая система управления, которая позволила формировать любую статическую вольтамперную характеристику (ВАХ). Регулирование динамических характеристик осуществлялось за счет подстройки скорости отработки ошибки по напряжению на дуге. Оптимальные значения коэффициента усиления К_у ошибки по напряжению (рисунок 9) были определены экспериментально из условия обеспечения максимальной стабильности частоты коротких замыканий при различных диаметрах и скоростях подачи проволоки.

...