Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АБУ РАЙХАНА БЕРУНИ

Конспект лекций по дисциплине: «Автоматизация сварочных процессов» для подготовки магистров по специальности 5А522702 - «Технология и оборудование сварочного производства»

Абралов М.М., Дуняшин Н.С.

Редактор: Ахметжанова Г.М.

Ташкент _ 2006

УДК 621.791.1

Конспект лекций по дисциплине «Автоматизация сварочных процессов» для подготовки магистров по специальности 5А522702 «Технология и оборудование сварочного производства»/ ТашГТУ; Абралов М.М., Дуняшин Н.С. Ташкент, 2006. 69 с.

Курс «Автоматизация сварочных процессов» по учебному плану читается во 2 семестре. В этом конспекте изложены основные вопросы теории автоматики, технические средства автоматизации сварочных процессов в объеме, необходимом для изучения студентами высшего учебного заведения по специальности магистратуры 5А522702 «Технология и оборудование сварочного производства»

Кафедра «Машины и технология сварочного производства»

Печатается по решению научно-методического совета Ташкентского государственного технического университета

Рецензенты: ст. преп. Абдуллаев М.А. (ТашГТУ) к.т.н. Лихачев Р.Б. (ГАО ТАПОиЧ)

© Ташкентский государственный технический университет, 2006

Содержание

Введение

1. Основы теории автоматического регулирования и управления сварочными процессами

1.1 Общая характеристика объекта регулирования и управления

1.2 Системы автоматики

1.3 Автоматическое регулирование

1.4 Регулирование по отклонению и по возмущению регулируемой величины

1.5 Статическое и астатическое регулирование

1.6 Прямое и непрямое регулирование

2. Свойства систем автоматического регулирования

2.1 Уравнения звеньев и систем автоматического регулирования

2.2 Передаточные функции и структурные схемы

2.3 Эквивалентные преобразования структурных схем

2.4 Частотные характеристики

2.5 Типовые звенья

2.6 Переходная функция

3. Устойчивость, качество и надежность систем автоматического регулирования

3.1 Устойчивость систем

3.2 Качество систем

4. Повышение точности и качества систем автоматического регулирования

4.1 Анализ систем автоматического регулирования

4.2 Методы улучшения точности и качества

5. Анализ условий автоматизации

5.1 Автоматизация сварочных процессов как часть комплексной механизации и автоматизации сварочного производства

5.2 Анализ возмущающих воздействий при сварке

5.3 Характеристики объектов регулирования при различных способах сварки

6. Разомкнутые системы автоматического управления

6.1 Системы управления сварочными источниками питания дуги

6.2 Системы управления параметрами процесса при контактной сварке

7. Системы автоматической стабилизации сварочных процессов

7.1. Системы автоматического регулирования энергетических параметров дуги при сварке плавящимся электродом

7.2 Системы автоматического регулирования параметров дуги при сварке неплавящимся электродом

7.3 Системы автоматического регулирования контактной сварки

8. Системы программного управления

8.1 Системы программного управления при дуговой сварке неплавящимся электродом

8.2 Системы программного управления при дуговой сварке плавящимся электродом

8.3 Программное управление процессами контактной сварки

9. Системы пространственной ориентации рабочего органа при сварке и резке

9.1 Системы ориентации электрода по стыку при аргонодуговой сварке криволинейных поверхностей

9.2 Системы ориентации рабочего органа при сварке криволинейного плоского стыка

10. Кибернетические системы управления

10.1 Самонастраивающиеся и экстремальные системы

10.2 Промышленные роботы в сварке

Литература

Введение

Сварку используют в различных отраслях машиностроения, в строительстве, на транспорте, в энергетике, разрабатываются новые и совершенствуются старые методы сварки. В условиях производства без широкого применения автоматики, теории и техники автоматического регулирования невозможно получение сварных соединений высокого качества. Особое значение автоматизация имеет в атомной, авиаракетной, энергетической, судостроительной промышленности, в производстве химической аппаратуры, где необходимо получать сварные соединения высокого качества.

Сварка -- прогрессивный метод создания неразъемных соединений металлов, сплавов и различных материалов. Современное сварочное оборудование имеет высокую производительность. Уровень механизации сварочных работ оценивают при наличии экономии затрат труда во время изготовления сварных конструкций.

Большие перспективы в развитии сварочного производства открывает автоматизация процесса сварки. В решении задачи автоматизации необходим комплексный подход к проблеме. Это означает, что подлинный прогресс сварочного производства возможен только в том случае, если при использовании автоматики будет решен весь комплекс задач по автоматизации основных, заготовительных, транспортных, сварочных и отделочных операций.

Автоматика увеличивает производительность труда, повышает эффективность технологических процессов, улучшает качество продукции, повышает точность, сокращает численность обслуживающего персонала. Труд рабочего в условиях механизированного и автоматизированного производства более содержательный и творческий.

Автоматизация процесса сварки означает полный перевод сварочного оборудования на автоматический режим работы, внедрение в производство устройств, действующих частично или полностью без участия человека.

При механизированном процессе независимо от степени его механизации рабочий частично или полностью освобождается лишь от выполнения мускульных усилий, но полностью остается его участие в процессе из-за сохранения за ним функций контроля и управления.

Автоматизация -- высшая форма механизации. Она характеризуется освобождением человека частично или полностью также и от оперативного управления механизмами, от постоянного его участия в процессе.

В Узбекистане автоматизация сварочных процессов широко применяется на Ташкентском авиационном производственном объединении им. В.П. Чкалова и автомобилестроительном заводе «УзДэуавто».

1. Основы теории автоматического регулирования и управления сварочными процессами

1.1 Общая характеристика объекта регулирования и управления

Объект управления или регулирования - это устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими или регулирующими воздействиями, которые формируются управляющим устройством или регулятором.

Режим работы, состояние объекта характеризуются совокупностью физических показателей (параметров) и определяются текущими внутренними процессами, на характер которых влияют внешние и внутренние воздействия.

В автоматической системе часть входных воздействий, предоставляющих ей информацию о задачах управления, называются управляющими воздействиями g_i(t). Они либо задаются человеком, либо вырабатываются управляющим устройством.

Рис. 1.1. Объект управления

Другие воздействия на объект, не связанные с задачами и результатами управления, называются возмущениями f_n(t). Из-за существования возмущений возникает необходимость регулирования.

К возмущениям можно отнести и помехи -- ненужные, вредные составляющие информации, содержащиеся в задающем воздействии и возникающие вследствие субъективных ошибок человека при управлении объектом, либо из-за погрешностей задающего устройства.

Входное (управляющее) воздействие или любые возмущения вызывают изменение всех или части выходных или регулируемых величин V_z(t).

Если объект имеет всего одну управляющую и одну управляемую величину, то его относят к простым или одномерным (односвязным). При наличии нескольких выходных координат объект называют многомерным.

Описать свойства объекта можно различными способами: схемами (функционирования, принципиальной, блок-схемой) с пояснительными текстами, графическими зависимостями и параметрами, логическими зависимостями, экспериментальными характеристиками и математическими уравнениями (дифференциальными или разностными).

В зависимости от вида системы дифференциальных уравнений объекта его называют линейным (если система представлена линейными дифференциальными уравнениями или может быть сведена к ним) или нелинейным.

Существуют два состояния объекта -- статическое и динамическое. Статическое характеризуется независимостью управляемых величин от внешних воздействий по времени:

x=F₁(g_i,f_n)

В динамическом состоянии соответствующие характеристики объекта рассматривают во времени, при изменениях внешних воздействий

x(t)=F₁(g_i(t), f_n(t))

1.2 Системы автоматики

Системы автоматической блокировки имеют два назначения: защита оборудования от неправильных действий обслуживающего персонала и обеспечение заданной последовательности действия оборудования или включение резервного оборудования при выходе из строя основного. Примером соответственно может служить система обеспечения строгой очередности зажигания игнитронов с помощью схемы управления в источниках сварочного тока машин контактной сварки.

Рис. 1.2. Системы автоматического контроля (а), управления (б) и регулирования (в)

Системы автоматического контроля делят на три группы: измерения, сигнализации и регистрации.

1)Системы автоматического измерения контролируют параметры объекта, процесса и выдают результаты в абсолютных значениях во всем диапазоне изменения. Например, при дуговой сварке контролируют ток и напряжение дуги, скорость сварки.

2) Системы автоматической сигнализации применяют в тех случаях, 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.

3) Системы автоматической регистрации контролируемых параметров состоят из соответствующих датчиков и самопишущих приборов или осциллографов, записывающих изменения параметров объекта на каком-либо носителе.

Системы автоматического управления предназначены для автоматического пуска, торможения и реверсирования электродвигателей, для управления приводами и сварочным оборудованием с помощью какого-либо управляющего устройства.

Системы автоматического регулирования - системы, в которых объект регулирования и регулятор связаны замкнутым контуром. По одной из связей контура к регулятору поступает информация о состоянии объекта, о ходе происходящего в нем процесса. Регулятор на основании полученной информации и заданного закона регулирования анализирует состояние объекта и формирует соответствующее регулирующее воздействие РВ, которое посылает по второй линии связи на объект. Так продолжается до тех пор, пока объект не достигнет заданного состояния. Примером может служить система автоматического регулирования напряжения на дуге в сварочном аппарате АДС-1000.

1.3 Автоматическое регулирование

Автоматическое регулирование -- это автоматическое поддержание заданной регулируемой величины (переменной состояния) объекта путем постоянного контроля его состояния и действующих на него возмущений, а также регулирующего воздействия (при необходимости) на его регулирующий орган.

Система автоматического регулирования -- замкнутая автоматическая система, основанная на принципе обратной связи --управлении объектом с использованием информации о результатах управления. Обратная связь должна быть отрицательной, т.к. в этом случае происходят измерение и сравнение фактического контролируемого параметра объекта х(t) с заданным на данный момент времени g (t), в результате чего выявляется ошибка (рассогласование)

е(t)=x(t)-g(t),

на основе которой формируется регулирующее воздействие у(t) .

Система автоматического регулирования противодействует возмущениям, компенсирует, нейтрализует или ослабляет их вырабатываемыми встречными регулирующими воздействиями, обеспечивая заданное на каждый момент времени состояние объекта. Регулирование продолжается до тех пор, пока ошибка не становится меньше порога чувствительности системы.

Рис. 1.3. Функциональная схема системы автоматического регулирования.

Функциональная схема состоит из устройств, узлов, элементов, каждый из которых исполняет свою функцию в системе и графически изображается прямоугольниками, а также из связей между ними, изображаемых стрелками, указывающими направление прохождения сигналов (информации).

1. Датчик или измерительное устройство (элемент) ИЭ измеряет действительную регулируемую величину х(t) и преобразует ее в сигнал x₁(t), удобный для дальнейшего использования (чаще всего в ток или напряжение).

2. Задатчик или задающее устройство ЗУ формирует требуемое на каждый момент времени задающее воздействие g (t) в удобном для сравнения с x₁(t) виде, имитирующее заданное значение регулируемой величины х(t).

3. Сравнивающее устройство (элемент) СЭ выявляет и измеряет разность х₁(t)-g(t) и дает на выходе сигнал ошибки е(t), пропорциональный отклонению действительной регулируемой величины Дх(t) от заданного на данный момент значения.

4. Усилитель или усилитель-преобразователь УП усиливает и преобразует сигнал ошибки до у₁(t), достаточный для управления исполнительным устройством

5. Исполнительное устройство ИУ под воздействием y₁(t) вырабатывает регулирующее воздействие у(t), поступающее на регулирующий орган объекта управления.

6. Корректирующие устройства КУ включают последовательно или параллельно для улучшения качества регулирования объекта с помощью формирующихся в них дополнительных воздействий г(t).

1.4 Регулирование по отклонению и по возмущению регулируемой величины

Все системы регулирования можно разделить на две группы в зависимости от места приложения регулирующего воздействия.

Рис. 1.4. Функциональная схема систем автоматического регулирования по отклонению (а), возмущению (б), комбинированная (в).

Оно может быть направлено либо на компенсацию отклонения регулируемой величины, либо на ликвидацию возмущения, которое вызвало это отклонение.

Большая часть систем автоматического регулирования построена по контролю отклонения регулируемой величины от заданной (компенсационный принцип Ползунова--Уатта). В таких системах контролируется регулируемая величина х(t); она сравнивается с заданным для данного момента управляющим воздействием g(t), в результате чего выявляется ошибка е(t)=х(t)-g(t).

При регулировании по возмущению из всех возможных возмущений, которые могут действовать на систему и вызывать отклонение регулируемой величины, выбирается какое-то одно, основное f_i(t), которое в данных условиях работы оказывает решающее влияние на состояние объекта.

В комбинированной системе регулирования контролируются одновременно регулируемая величина и основное возмущение

1.5 Статическое и астатическое регулирование

Системы автоматического регулирования можно разделить на статические и астатические, если за основу классификации принять характеристику регулирования х(f_n) -- зависимость установившихся значений регулируемой величины и внешнего возмущающего воздействия f_n.

При постоянном входном воздействии по окончании переходного процесса на выходе статической системы устанавливается постоянная, зависящая от воздействия и параметров системы.

При постоянном входном воздействии по окончании переходного процесса на выходе астатической системы в установившемся режиме отклонение регулируемой величины стремится к нулю независимо от воздействия. В зависимости от точки приложения воздействия одна и та же система может быть как статической, так и астатической.

1.6 Прямое и непрямое регулирование

Системы автоматического регулирования можно классифицировать по способу воздействия чувствительного элемента системы на регулирующий орган.

В системах прямого регулирования чувствительный элемент (датчик) непосредственно воздействует на регулирующий орган, сам поставляя ему необходимую энергию.

В системе непрямого регулирования энергия, необходимая для перемещения регулирующего элемента, поступает от вспомогательного источника. Чувствительный элемент только выявляет отклонения регулируемой величины (рассогласования). Датчик действует уже не на регулирующий орган, а на усилитель или преобразователь, который воздействует на регулирующий орган с необходимой для этого мощностью.

Рис. 1.5. Функциональные схемы систем прямого (а) и непрямого (б) регулирования: СЭ - сравнивающий элемент; РО - регулирующий орган; УП - усилитель.

Контрольные вопросы

1. Почему возникает необходимость регулирования?

2. Охарактеризуйте статическое и динамическое состояние объекта регулирования.

3. Приведите классификацию систем автоматического контроля.

4. Что такое система автоматического регулирования?

5. Охарактеризуйте системы прямого и непрямого регулирования.

2. Свойства систем автоматического регулирования

2.1 Уравнения звеньев и систем автоматического регулирования

Установившееся состояние или состояние равновесия системы характеризуется установившимися значениями всех воздействий, на нее и всех переменных. При этом состояние системы описывается уравнением статики. При нескольких воздействиях система описывается семейством статических характеристик.

При последовательном соединении звеньев, описываемых уравнениями у₁ =F₁(х); y₂=F₂ (x); y₃ =F₃(x), общее уравнение статики всей системы имеет вид

y=F₃(F₂(F₁(х))).

При параллельном соединении звеньев общее уравнение статики имеет вид

Состояние системы в неустановившемся состоянии, когда все или некоторые воздействия и переменные изменяются во времени, описывается уравнением переходного процесса или уравнением динамики. Динамическое состояние системы можно представить в виде совокупности дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы -- механические, электрические, электромагнитные и др., -- происходящие в элементах (звеньях) системы

Для исследования же системы удобнее иметь одно общее дифференциальное уравнение, составленное на основе уравнений каждого из входящих в нее отдельных звеньев путем исключения промежуточных переменных, при этом за входную и выходную величины каждого из них необходимо принимать те, которые указаны в функциональной схеме исследуемой системы:

,

где -- управляемая переменная и ее производные (обобщенные выходные координаты); -- входные переменные (задающие или управляющие воздействия) и их производные (обобщенные входные координаты); -- возмущающее воздействие и его производные (обобщенные координаты возмущающего воздействия).

Если система линейна (см. ниже), то для нее справедлив принцип суперпозиции, т. е., если к линейной системе приложено несколько управляющих и возмущающих воздействий, то эффект их совместного действия таков же, как сумма эффектов от каждого в отдельности.

При исследовании САР часто используют линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами. Для их решения удобно использовать операторный метод, при котором функции времени по определенным правилам заменяются соответствующими им операторными изображениями; по ним проводят решение, а затем переходят от изображений к самим величинам.

Приведем несколько часто встречающихся функций времени и соответствующих изображений в операторной форме по Лапласу:

; ; ; ;

;

Символ р можно рассматривать не только как упрощенное обозначение операции дифференцирования, но и как число, которое можно подвергнуть алгебраическим действиям.

2.2 Передаточные функции и структурные схемы

Передаточной функцией системы или звена (элемента) называют отношение изображения Лапласа для выходной и входной величин при их начальных нулевых условиях и при отсутствии других воздействий

W(р) = Y(р)/Х (р).

При составлении передаточной функции для системы применяют определенные правила в зависимости от способов соединения входящих в нее звеньев.

Рис. 2.1. Основные эквивалентные преобразования структурных схем САР

2.3 Эквивалентные преобразования структурных схем

Структурная схема САР дает графическое и математическое представление о ее свойствах. В САР обычно содержится несколько звеньев. Звенья между собой соединяются последовательно, параллельно, смешанным и перекрестным способами, в результате чего структурная схема САР может оказаться неудобной для исследования.

При переносе точек суммирования (сумматоров) через узлы разветвления (точки съема) сигналов учитывается направление относительного перемещения.

Рис. 2.2. Эквивалентные преобразования структурных схем САР

2.4 Частотные характеристики

Если на вход звена или линейной системы, состоящей из ряда последовательно соединенных звеньев, в разомкнутом состоянии подать гармоническое воздействие постоянной амплитуды Х частоты щ, то после затухания переходного процесса на выходе установится гармоническое изменение выходной величины с той же частотой, которую имеет входная величина, но с амплитудой У и с отставанием по фазе на угол ц;

х(t) = Х sinщt,

у (t) = У sin (щt +ц).

Частотные характеристики наглядно показывают, как изменяются амплитуда и фаза сигнала от его частоты при прохождении через систему (звено).

Рис. 2.3. Амплитудно-фазовая частотная характеристика.

2.5 Типовые звенья

Динамические звенья САР по их реакции на типовые входные воздействия можно разделить на:

1) Позиционные или статические - звенья с линейной зависимостью выходной величины от входной в установившемся режиме.

а) Идеальное звено: y(t)=kx(t); W(p)=k

- датчики, звено САР, связывающее глубину проплавления шва с длиной дуги, механический редуктор.

б) Апериодическое звено 1-го порядка:

- термопара, генератор постоянного тока, электродвигатель, если входной величиной служит ток якоря, а выходной - угловая скорость вала, звено, связывающее длину дуги или глубину проплавления шва с напряжением на ней.

Таблица 2.1. Типовые звенья САР

в) Апериодическое звено 2-го порядка: ;

- электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением при учете индуктивности якоря.

г) Колебательное звено: ;

- электрический контур машины для контактной сварки; звено, описывающее гидродинамические процессы в сварочной ванне.

д) Консервативное звено:;

- электродвигатель постоянного тока, если не учитывать активного сопротивления его якоря; механическая передача при отсутствии трения.

2) Дифференцирующие звенья реагируют на скорость изменения входного воздействия. У них в установившемся состоянии выходная величина пропорциональна производной по времени от входной величины.

а) Идеальное (безынерционное) дифференцирующее звено: ; W(p)=kp.

- тахогенератор постоянного тока при холостом ходе или в режиме, близком к нему, используемый в системах регулирования скорости подачи электродной проволоки, системах, следящих за ориентацией электрода относительно изделия, или в системах автоматической стабилизации скорости поворота изделия во вращателях.

б) Реальное (инерционное) дифференцирующее звено: ;

- пассивная КС-цепочка и дифференцирующий трансформатор, используемые в САР сварочных процессов для повышения их качества.

в) Форсирующее звено - звено, у которого, сигнал на его выходе пропорционален не только входному воздействию, но и его производной:

- звено, связывающее ток с напряжением в сварочном генераторе с самовозбуждением.

3) Интегрирующие звенья - звенья, в которых в установившемся режиме выходная величина пропорциональна интегралу по времени от входной величины. В отличие от позиционных звеньев интегрирующие звенья не приходят к установившемуся новому состоянию, а их выходная величина имеет тенденцию к неограниченному увеличению.

а) Идеальное интегрирующее: ;

- исполнительный гидромеханизм машин контактной сварки, электродвигатель при пренебрежении электромеханической постоянной времени, звено, связывающее длину дуги со скоростью подачи проволоки при сварке плавящимся электродом.

б) Реальное (инерционное) интегрирующее звено:

;

- электродвигатель, если учитывать только одну наибольшую постоянную времени его и за входное воздействие считать напряжение на якоре, а за выходное - угол поворота якоря.

2.6 Переходная функция

Внешние воздействия на систему регулирования могут иметь самый разнообразный характер -- это может быть скачок, кратковременное импульсное возмущение, монотонно изменяющееся возмущение, гармоническое, произвольное. Для системы одним из наиболее «неприятных» является возмущение типа скачка. И хотя такой вид возмущения в реальных условиях встречается реже других, именно его чаще используют в качестве типового при исследовании систем автоматического регулирования.

Рис. 2.4. Переходная функция и ее составляющие.

Контрольные вопросы

1. Как рассчитывается общее уравнение статики системы при последовательном и параллельном соединении звеньев?

2. Как описывается динамическое состояние системы?

3. Что называют передаточной функцией?

4. Приведите классификацию позиционных звеньев.

5. Приведите примеры дифференцирующих звеньев.

3. Устойчивость, качество и надежность систем автоматического регулирования

3.1 Устойчивость систем

Пока не меняется заданный регулируемый параметр или отсутствуют внешние и внутренние возмущения, система автоматического регулирования находится в установившемся состоянии покоя или в состоянии движения с постоянной скоростью. Если после возмущающего воздействия управляемая переменная все более отклоняется от установившегося значения, т. е. система не может восстановить равновесия, ее называют неустойчивой. Если в ответ на возмущение в системе устанавливается незатухающий колебательный процесс, то такая система находится на границе асимптотической устойчивости. У устойчивой системы переходный процесс сходящийся к установившемуся состоянию в прежнем или новом заданном положении.

Устойчивость системы необходимо исследовать в следующих случаях: при определении устойчивости системы определенной структуры при определенных ее параметрах; при выборе настройки параметров, обеспечивающей устойчивый режим работы, при определении допустимых пределов изменения параметров.

Свободное движение системы описывается характеристическим уравнением:

а₀рⁿ +a₁р^n-1…+… а_n-1p + а_n = 0,

где a₀ > 0; р -- комплексное число.

Критерий устойчивости позволяет не только определить -- устойчива или неустойчива система, но и исследовать влияние ряда параметров и структурных изменений в ней на устойчивость.

Критерий устойчивости движения, установленный А. М. Ляпуновым, основан на анализе распределения на плоскости комплексных чисел корней характеристического уравнения, составленного для линеаризованной системы. Этот метод определения устойчивости имеет ограниченное применение, так как трудоемок.

Алгебраический критерий И. А. Вышнеградского применим для систем до третьего порядка. Используя этот критерий, можно построить область устойчивых режимов работы системы с выделением зон с апериодическим, колебательным и монотонным переходными процессами.

Алгебраический критерий Е. Рауса позволяет судить об устойчивости замкнутой системы высокого порядка (h>5) по коэффициентам характеристического уравнения (особенно в тех случаях, если они заданы численно), сведенным в таблицу. При составлении таблицы в первую строку записывают коэффициенты с четными индексами а₀, а₂, а₄, ..., во вторую--с нечетными a₁, a₃, ..., последующие строки получают путем деления разностей перекрестных произведений коэффициентов двух предыдущих строк на коэффициент первого столбца предыдущей строки.

Для устойчивой системы необходимо и достаточно, чтобы при a₀ > 0 коэффициенты первого столбца таблицы были положительны, т. е.

а₀>0; a₁>0; а₂-(a₀a₃)/a₁=b₁>0; а₃-(a₁b₂)/b₁>0 ...

Алгебраический критерий А. Гурвица в аналитической форме связывает условия устойчивости системы с ее параметрами и позволяет выделить область устойчивости. Критерий основан в вычислении так называемых определителей Гурвица по коэффициентам характеристического уравнения.

Главный определитель Гурвица состоит из h строк и n столбцов и включает коэффициенты характеристического уравнения, располагающиеся следующим образом (строки с нечетными и четными индексами чередуются, при отсутствии какого-либо коэффициента пишется 0 и пр.): |

Другие определители (диагональные миноры) имеют вид

; ; и т.д.

По Гурвицу для устойчивой системы необходимо и достаточно, чтобы при а_n > 0 все n определителей, составленных по указанной схеме, были положительны, т. е. Д₁ > 0; Д₂ > 0; Д₃> 0. Необходимым и достаточным условием устойчивости является для систем:

первого и второго порядка a₀>0; a₁>0; a₂>0;

третьего порядка (а₁a₂ - a₀a₃) > 0;

четвертого порядка [a₃(а₁a₂ - a₀a₃)-a₁²a₄] > 0.

Приравнивая нулю последний и предпоследний миноры (Д_n и Д_n-1), можно построить в области параметров системы границы ее колебательной и асимптотической устойчивости.

В случае неустойчивого состояния системы эта характеристика показывает, какие вариации параметров позволяют перевести ее в область устойчивых состояний.

3.2 Качество систем

Качество системы имеет смысл выяснять только после установления, что она устойчива. Наглядное представление о динамических свойствах САР, ее качестве, качестве регулирования дает переходная функция.

Рис. 3.1. Переходная функция и показатели качества

Качество системы характеризуется следующим: как быстро система реагирует на возмущения и как сильно их подавляет, каким путем она приходит в установившееся состояние и насколько точно воспроизводятся системой полезные сигналы после того, как установившееся состояние достигнуто.

В устойчивой системе переходный процесс заканчивается на некотором установившемся уровне, а характер его может быть монотонным (отклонение только уменьшается), апериодическим (имеется только один выброс отклонения) или колебательным (управляемая переменная несколько раз переходит через уровень установившегося значения).

К основным показателям качества САР относятся время регулирования, перерегулирование, колебательность, статическая и динамическая точность, добротность системы.

Основным показателем статического режима является статическая точность, характеризуемая статической ошибкой в установившемся состоянии.

Если система астатического типа, то эта ошибка теоретически равна нулю.

Поскольку коэффициент передачи системы определяет ее свойства и в статике, и в динамике, его относят к показателям качества и называют добротностью системы. Различают при этом добротность позиционную (или по положению) D₀, скоростную D_ск и по ускорению D_уск. Добротность дает представление одновременно и о быстроте реакции системы, и о ее точности:

; ;

Динамическая ошибка -- это отклонение регулируемой величины во время переходного процесса от заданного значения. Если, до подхода к положению равновесия ошибка отрицательна, то выход из него (выброс) дает ошибку положительную, обратный ход -- вновь отрицательную, но уже меньшую, и т. д.

Перерегулирование - относительная величина максимального отклонения (выброса) регулируемой величины от ее нового установившегося значения:

,

где -- установившееся значение регулируемой величины; x_max --максимальное ее значение.

Считают допустимым перерегулирование до у = 20--30 %, при этом запас устойчивости оказывается достаточным.

Время регулирования Т_р --это промежуток времени от момента приложения ступенчатого воздействия до того момента, когда текущее отклонение регулируемой величины становится меньше или равным заданной допустимой ошибке, за которую принимают зону нечувствительности системы и ограничивают ее пределами ±Д=5 %:

Можно считать переходный процесс закончившимся, когда переходная функция в последний раз входит в зону нечувствительности выходного параметра, ограниченную полосой с пределами ±Д.

По значению Т_р оценивают быстродействие системы -- чем быстрее заканчивается переходный процесс, тем выше качество системы. Максимальное допустимое время регулирования задают, исходя из свойств конкретного объекта и реальных возможностей системы.

Быстродействие САР характеризуется также временем нарастания выходной координаты или первого согласования t_н, или временем достижения характеристикой первого максимума, временем установления t_mах.

Степень колебательности м обычно определяют по числу переходов через положение равновесия за время регулирования. В большинстве случаев допускается м=2--3.

Контрольные вопросы

1. В каких случаях необходимо исследовать устойчивость системы?

2. Перечислите критерии устойчивости систем.

3. Приведите основные параметры качества САР.

4. Что такое статическая и динамическая точность системы?

5. Как определяется перерегулирование системы?

4. Повышение точности и качества систем автоматического регулирования

4.1 Анализ систем автоматического регулирования

Нередко систему автоматического регулирования создают чисто экспериментально на базе имеющихся элементов и на основе лишь опыта и интуиции конструкторов. В этом случае возникает необходимость исследования системы для более полного определения ее свойств. Анализ системы проводят в следующей последовательности:

1. Статический расчет звеньев системы. Передаточные коэффициенты и постоянные времени их могут быть найдены в справочниках, на основе расчета по каталожным данным, либо экспериментально -- по статическим характеристикам выход-вход и осциллограммам переходных процессов.

2. Определение передаточных функций и структурной схемы системы. Для каждого реального элемента системы подбирают типовое звено или их комбинацию, проводят анализ полученных передаточных функций и упрощают их. Затем составляют структурную схему системы. После этого составляют общую передаточную функцию всей| системы в разомкнутом состоянии, упрощают ее.

3. Построение частотных характеристик системы.

4. Анализ устойчивости системы.

6. Построение кривой переходного процесса.

7. Определение точности и показателей качества системы.

4.2 Методы улучшения точности и качества

Спроектированная САР не всегда удовлетворяет поставленным требованиям, что можно объяснить отсутствием у разработчиков исчерпывающих сведений об используемых в системе элементах и недооценкой необходимости тщательного их исследования.

Результаты анализа спроектированной и реализованной системы показывают обычно, что либо не все показатели ее оказываются желаемыми, либо резервы повышения качества остаются неиспользованными.

Система автоматического регулирования, содержащая лишь самые необходимые функциональные элементы, возможностями улучшения ее качества не обладает, ибо параметры и характеристики этих элементов определенны и неизменяемы. Усложнение ее структуры путем добавления дополнительных связей и корректирующих устройств позволяет синтезировать систему с заданным качеством.

Цель синтеза -- отыскание структуры системы, оптимальной по отношению к каким-либо показателям качества. Такую систему трудно реализовать, поэтому обычно оптимальной считают систему, отвечающую некоторому заданному критерию оптимизации, обеспечивающему заданные статические и динамические характеристики.

Задача улучшения свойств САР заключается в отыскании и выборе способов и технических средств, обеспечивающих повышение статической и динамической точности системы при уменьшении времени регулирования, перерегулирования, колебательности до заданных значений. Если эти устройства вводят с целью обеспечения необходимых запасов устойчивости, то их называют еще и стабилизирующими.

Увеличение точности САР наиболее просто достигается повышением общего коэффициента передачи системы, так как он входит в качестве делителя во все коэффициенты ошибок.

Делается это путем введения в прямую цепь системы дополнительного усилителя либо повышением чувствительности датчика, уменьшением коэффициента передачи редуктора и т. п. Однако этот метод дает и отрицательный эффект, ибо с увеличением k снижается запас устойчивости и повышается колебательность системы. Разрешить это противоречие можно только с помощью вводимых в систему одновременно с повышением k корректирующих устройств.

Когда управляющее воздействие имеет малый уровень помех, хорошим способом повышения точности его воспроизведения может быть введение на вход системы, до сравнивающего элемента, входного фильтра W_ф(р) -- форсирующего звена (рис. 4.1, а). Оно не влияет на устойчивость системы и косвенно повышает ее астатизм.

С целью уменьшения (исключения ошибки в системе используют также неединичную главную обратную связь (рис 4.1, б). Для статической системы целесообразно введение W_о.с(р) = 1--1/k

Рис. 4.1. Структурные схемы скорректированных систем

Существенно сказывается на качественных показателях системы включения в прямую цепь ее последовательно корректирующего звена W_кл(р), позволяющего регулировать по интегралу и производным от ошибки (рис. 4.1, в). Включение последовательных звеньев в исходную нескорректированную систему с передаточной функцией W_н.с(р) дает скорректированную систему:

W_с(р)= W_н.с(р) W_кл(р)

Интегрирующие корректирующие звенья в такой системе, повышая порядок астатизма, устраняют установившиеся ошибки, в том числе и при движении с постоянной скоростью либо с постоянным ускорением. Однако интегрирующие звенья существенно сдвигают фазу сигнала. Поэтому одновременно с ними приходится включать в систему другие корректирующие звенья, компенсирующие вызванное ими понижение устойчивости.

Дифференцирующие последовательные корректирующие звенья, во-первых, повышают запас устойчивости системы, а во-вторых, позволяют повысить ее точность без увеличения общего коэффициента усиления. Система, реагирующая на производные от ошибки, чувствительна также и к тенденции изменения ее величины. Она быстрее реагирует на управляющие и возмущающие воздействия.

Корректирующие звенья W_к.п(р) можно включать и параллельно, охватывая ими звенья прямой цепи не скорректированной системы. При этом передаточная функция разомкнутой скорректированной системы:

W_с(р)=(W_о(р)+ W_к.п(р)) W_н(р),

где W_о(р) и W_н(р)-- передаточные функции охваченного и неохваченного корректирующим звеном участков прямой цепи системы.

Если необходимо получить одинаковый эффект от введения параллельного иди последовательного корректирующих звеньев, то можно рассматривать W_о(р)+ W_к.п(р)= W_кл(р) как последовательное корректирующее звено, в котором используется часть звеньев нескорректированной системы. Этому способу коррекции, таким образом, присущи все преимущества и недостатки последовательной коррекции. Основной же смысл параллельной коррекции заключается в возможности реализации сложного закона регулирования с введением производных и интеграла от сигнала ошибки.

Наилучших результатов можно достичь при использовании местных или внутренних корректирующих обратных связей, охватывающих часть звеньев прямой цепи системы. В этом случае (рис. 4.1, д)

Корректирующие обратные связи при соответствующем выборе W_о.с(р) оказывают наиболее сильное влияние на охваченный ими комплекс звеньев корректируемой системы.

Контрольные вопросы

1. Приведите последовательность этапов анализа САР.

2. Как повышают точность САР?

3. Какова задача улучшения свойств САР?

5. Анализ условий автоматизации

5.1 Автоматизация сварочных процессов как часть комплексной механизации и автоматизации сварочного производства

Комплексную автоматизацию сварки в общем случае можно рассматривать как совокупность решения двух задач: I -- ориентированного движения рабочего органа (электродов, дуги, луча) по заданной пространственной траектории, обеспечения требуемого цикла сварки и закона управления технологическими параметрами (скоростью сварки, силой тока, напряжением на электродах, скоростью подачи проволоки и т. д.) в функции различных технологических возмущений; II -- механизации и автоматизации подготовительных сварочных и транспортных операций.

Особенности I-ой задачи: необходимость изучения свойств технологического объекта регулирования каждого способа сварки с целью построения расчетных моделей; определение критериальных физических и геометрических параметров объекта, наиболее полно характеризующих качество сварного соединения, разработка способов измерения критериальных параметров в процессе сварки; исследование на моделях сварочного контура совместно с источником питания; разработка замкнутых систем автоматического регулирования различных критериальных параметров объекта.

Сложность решения задачи I обусловлена необходимостью учета при построении расчетных моделей физических процессов, происходящих в сварочном контуре (электрических, электромагнитных, тепловых, механических, гидродинамических, радиационных). Из-за изменения параметров процесса во времени и физических констант от внешних условий, нелинейности характеристик процесса не всегда удается описать его простыми дифференциальными уравнениями

Конечной целью решения задачи I является построение системы автоматического регулирования или управления параметрами процесса сварки. Эффективность работы этих систем зависит от уровня механизации и автоматизации подготовительных, сборочных и транспортных операций (задача II). Таким образом, решение задачи II полностью связано с решением задачи I. Оно позволяет улучшить качество сборки стыка под сварку, повысить точность позиционирования детали под электродами, а следовательно, снизить уровень возмущений в сварочном контуре.

5.2 Анализ возмущающих воздействий при сварке

Процесс сварки, как и любой другой процесс, протекает в тесной взаимосвязи с окружающей средой. Изменения в окружающей среде вызывают изменения в характере процесса сварки. В автоматике такой процесс называют возмущенным. Возмущения могут привести к отклонению свойств сварного соединения от требуемых, т. е. к появлению недопустимых дефектов в сварном шве.

Различные по физической природе возмущения приложены в разных точках сварочного контура источник -- дуга --изделие, поэтому влияние одних возмущений на процесс сварки может быть ослаблено или относительно легко устранено путем их измерения и компенсации, устранение других --связано с определенными трудностями.

Например, влияние возмущений, воздействующих на цепь источник--сварочная дуга (колебания напряжения питающей сети, изменение длины дуги и т. д.), сравнительно просто устранить с помощью систем автоматической стабилизации параметров режима сварки: сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки, скорости подачи плавящегося электрода (присадочной проволоки) и т. д.

Значительно сложнее компенсировать влияние возмущений, приложенных к цепи электрод--деталь. Влияние их не ослабляется с помощью систем автоматической стабилизации параметров режима сварки.

С некоторыми допущениями эти возмущения условно можно разделить на две группы: конструктивные и технологические.

Конструктивные возмущения обусловлены конструктивными особенностями сварного соединения. Они возникают при расположении отверстий или приливов в непосредственной близости стыка, изменении толщины свариваемого металла, разностенности детали и т. д. Влияние конструктивных возмущений выражается в изменении условий теплопередачи и перераспределении тепловой мощности сварочной дуги между деталью и окружающей средой.

Технологические возмущения возникают в основном при неточностях в сборке стыка, приводящих к изменению зазора между свариваемыми кромками, формы и размеров разделки кромок, смещению кромок, изменению степени прилегания формирующей подкладки по длине стыка. Кроме того, к этим возмущениям можно отнести эрозию электрода, изменение структурной и химической однородности свариваемого материала, изменение качества защитной среды, наличие технологических прихваток по длине стыка. Технологические возмущения в основном имеют случайный характер. Они чаще всего появляются из-за несовершенства сборочных приспособлений и технологической оснастки.

Конструктивные и технологические возмущения трудно контролировать в процессе сварки. Для измерения их требуются специальные датчики, работающие по различным физическим принципам.

Классификация основных возмущений, действующих в сварочном контуре, приведена на рис. 5.1. В ней учтены точка приложения возмущений в сварочном контуре, физическая природа возмущения.

Рис. 5.1. Классификация возмущений в сварочном контуре

5.3 Характеристики объектов регулирования при различных способах сварки

Контактная сварка. Физическая природа образования сварного соединения при контактной сварке определяется способом сварки. Различают два основных способа нагрева металла при контактной сварке: сопротивлением (стыковая сварка сопротивлением) и оплавлением (стыковая сварка оплавлением). При сварке сопротивлением ток проходит через плотно сжатые детали в месте будущего сварного соединения. В каждом элементарном объеме металла выделяется теплота, количество которой пропорционально квадрату плотности тока, удельному сопротивлению мегалла и времени протекания тока. При сварке оплавлением детали плотно не сжимаются, а лишь доводятся до соприкосновения. Благодаря большой плотности тока в местах соприкосновения металл быстро нагревается, элементарные контакты между деталями превращаются в жидкие перемычки, которые под действием электродинамических сил или в результате перегрева разрушаются. Необходимый для сварки разогрев деталей можно получить, перемещая их навстречу друг другу так, чтобы процесс возникновения и разрушения элементарных контактов был непрерывным.

При стыковой сварке сопротивлением основной регулируемой переменной, наиболее полно характеризующей качество сварного соединения, является размер литого ядра. Так как непосредственное измерение размеров ядра в процессе сварки затруднительно, возможно измерение косвенных параметров процесса, функционально связанных с изменением размеров ядра. К таким параметрам относятся: температура вблизи зоны сварного соединения, сопротивление между электродами, перемещение электродов при сварке. Основными регулирующими параметрами процесса можно считать силу сварочного тока и его форму, усилие на электродах.

При стыковой сварке оплавлением оценочным параметром качества процесса можно считать частоту разрыва жидких перемычек сварочного контакта. Стабильность частоты разрыва перемычек в зоне контакта является необходимым и достаточным условием устойчивости оплавления. В момент разрыва перемычки в контакте наблюдаются пульсации сварочного тока. Поэтому измеряя пульсации сварочного тока, можно получить информацию о качестве процесса оплавления сварочного контакта. При этом способе не исключается также контроль за качеством протекания оплавления по температуре вблизи зоны контакта, по полному сопротивлению между электродами и по напряжению между электродами,

Основные регулирующие параметры процесса: непрерывное, импульсное или колебательное перемещение подвижной плиты детали, напряжение между электродами, комбинации обоих параметров.

Дуговая сварка. При дуговой сварке для нагрева и плавления металла используют тепловую энергию дуги. Сварочный контур (рис. 5.2) при дуговой сварке включает источник питания, дугу, сварочную ванну. Все элементы контура с учетом функциональной связи между ними образуют двухконтурную электрогидродинамическую систему. Воздействие на систему по любому из указанных на схеме возмущений вызывает одновременное изменение параметров во всех элементах контура.

Рис. 5.2. Структура сварочного контура: ИП -- источник питания; Д -- дуга; СВ -- сварочная ванна; - возмущения, действующие на элементы контура.

Например, изменение в процессе сварки длины дуги вызывает изменение ее динамического сопротивления, силы тока, напряжения в источнике питания и, как следствие, энергетического и силового воздействия дуги на сварочную ванну. Временной характер изменения параметров в системе существенно зависит от статических и динамических свойств источника питания. При некотором сочетании параметров источника питания и дуги контур I может потерять устойчивость, а в контуре II могут появиться незатухающие автоколебания.

Обеспечение условий стабильного горения дуги в электрогидродинамической системе является одним из основных условий протекания процесса сварки в требуемом режиме.

Под стабильным горением дуги понимается возможность ее длительного горения в прерывистом и непрерывном режимах в условиях действующих на нее возмущений.

Свойства сварочной дуги, кроме параметров источника питания, зависят от рода тока, среды, в которой горит дуга, и материала электродов. По роду тока различают дуги постоянного и переменного тока.

В зависимости от материала электродов дуги бывают с плавящимся и неплавящимся электродами. По характеру защитной среды в зоне дуги различают следующие способы дуговой сварки: плавящимся электродом под флюсом; плавящимся электродом в среде защитного газа; плавящимся электродом со специальным покрытием или наполнением; неплавящимся электродом в среде защитного газа.

Существенное влияние на процесс сварки могут оказать следующие возмущения: в контуре I:

а) изменения длины дуги, вызываемые неровностями на поверхности изделия, капельным переносом металла и другими причинами;

б) изменения «вылета» электрода вследствие возможных колебаний расстояния между токоподводящим мундштуком и изделием;

...