автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Синтез дискретно-непрерывных систем автоматического управления процессом электросварки в среде защитных газов

На правах рукописи

ОМЕЛЬЯНЕНКО Константин Николаевич

СИНТЕЗ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОСВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 с - г 2013

Оренбург-2013

005536079

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Самарский государственный технический университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Вохрышев Валерий Евгеньевич

Официальные оппоненты: Пищухин Александр Михайлович,

доктор технических наук, профессор, декан факультета информационных технологий ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»;

Лысов Владимир Ефимович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электропривода и промышленной автоматики ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)»

Защита состоится 22 ноября 2013 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.181.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан 21 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.И. Рассоха

Общая характеристика работы Актуальность темы. Автоматизированные технологические процессы электрической дуговой сварки в среде защитных газов широко распространены в технике.

Изучением технологии и разработкой автоматических систем управления в области дуговой сварки занимались многие выдающиеся специалисты (Б.Е. Патон, В.К. Лебедев, В.П. Никитин, В.И. Дятлов, К.Х. Хренов, И.Я. Рабинович, Г.М. Кас-пражак, Л.Е. Алекин, В.М. Щитова, И.Л. Бринберг, Ш.А. Вайнер, Н.С. Львов, Л.К. Дедков, В.В. Смирнов, P.M. Широковский, В.Ф. Трефилов, Э.А. Гладков, Я.Б. Ландо, М.Л. Лифшиц, Д.Д. Никифоров и др.), в работах которых получен целый ряд научных и практических результатов, способствующих уменьшению дефектов сварного шва, и, как следствие, повышающих производительность труда и экономию трудовых ресурсов. Вместе с тем, существующие резервы в отрасли построения систем управления процессом электросварки далеко не исчерпаны. В частности, реально существующая в практике неопределенность параметров свариваемых объектов и среды, а также несовершенство применяемых алгоритмов и систем автоматического управления процессом сварки являются одной из причин значительного процента брака свариваемых изделий в виде прожогов, непроваров, появления трещин, и т.п. Между тем, синтезу автоматических систем управления, работающих в условиях параметрических и «больших» сигнальных возмущений, разработке и исследованиям новых алгоритмов управления процессом сварки уделяется недостаточно внимания, или эти задачи оказываются на периферии исследований. В связи с этим, проблема поиска простых и практически эффективных законов управления, алгоритмов и структур систем автоматического управления сваркой, создания устройств, реализующих эти алгоритмы, и их исследования в условиях технологических и конструктивных возмущений сохраняет свою актуальность.

Диссертационная работа посвящена анализу технологического процесса сварки в среде защитных газов как объекта автоматизации, разработке законов управления, алгоритмов, программных средств, а также структурному синтезу и технической реализации систем управления процессом дуговой электрической сварки и направлена на решение проблемы повышения качества сварки и снижения брака.

Диссертация выполнена в рамках программы Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Участник молодежного научно-

инновационного конкурса» (проект №13166).

Объект исследования - технологический процесс дуговой сварки в среде защитных газов и системы его автоматизации.

Предмет исследования - законы и алгоритмы управления дуговой сваркой изделий в среде защитных газов.

Цель работы - разработка алгоритмов и систем управления процессом дуговой сварки в среде защитных газов, обеспечивающих повышение качества сварки, заданные точность геометрических размеров сварочного шва и его термический цикл в условиях действия технологических и конструктивных возмущений.

Задачи исследований:

1. Провести анализ технологического процесса электрической дуговой сварки в среде защитных газов и уровня развития существующих систем автоматического управления процессом.

2. Построить математическую модель автоматизированного сварочного процесса в среде защитных газов и исследовать его методом компьютерного моделирования в условиях неопределенности параметров свариваемых объектов и среды.

3. На основе результатов моделирования разработать системы автоматического управления дуговой электросваркой, обеспечивающие заданные показатели качества сварочного шва и его термический цикл в условиях действия технологических и конструктивных возмущений.

4. Исследовать на действующем оборудовании качество управления и качество сварки в среде защитных газов с использованием разработанных систем.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались методы теории автоматического управления: метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов, идентификации объектов управления, анализа и синтеза релейных и непрерывных систем автоматического регулирования, методы компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились на действующем сварочном оборудовании с использованием разработанных аппаратных и программных средств.

В диссертации получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Обоснование целесообразности применения дискретно-непрерывного

управления процессом дуговой сварки в среде защитных газов как нового подхода для решения проблемы повышения качества сварного шва.

2. Методика синтеза дискретно-непрерывного, субоптимального по совокупности критериев качества управления процессом сварки, отличающаяся от известных последовательным применением методов аналитического конструирования регуляторов на базе сопровождающего функционала при «больших» отклонениях регулируемой координаты от заданного значения и квадратичного критерия - при «малых» отклонениях.

3. Разработанные, исследованные и внедренные на действующем оборудовании новые дискретно-непрерывные устройства и автоматические системы управления сварочным процессом, отличающиеся от известных повышенной динамической точностью за счет способности изменять свою структуру в условиях неопределенности параметров свариваемых объектов и среды и обеспечивающие заданные показатели качества сварочного шва и его термического цикла.

Практическая значимость диссертации определяется следующими результатами:

- разработано специальное математическое, алгоритмическое, программное обеспечение для моделирования, анализа, синтеза и технической реализации систем управления технологическим процессом электросварки;

- разработаны эффективные и технически простые дискретно-непрерывные системы управления, субоптимальные по совокупности критериев оптимальности, которые могут применяться для модернизации сварочных автоматов;

- разработано устройство управления технологическим процессом электросварки, технически реализующее разработанные алгоритмы и защищенное патентом на изобретение;

- экспериментально подтверждена эффективность разработанной системы и ее алгоритмов в системах управления электросваркой в среде защитных газов, обеспечивающих необходимое быстродействие отработки возмущающих воздействий, точность стабилизации процесса, повышение качества сварки и производительности труда.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа процесса сварки в среде защитных газов как объекта ав-

томатизации и существующих систем его управления.

2. Результаты идентификации и исследования технологического процесса сварки в среде защитных газов и их анализ, структурные схемы и компьютерная модель системы управления сваркой.

3. Новые алгоритмы, их программная и техническая реализация в дискретно-непрерывной системе управления процессом сварки в среде защитных газов.

4. Результаты исследования разработанной и внедренной системы управления, защищенной патентом на изобретение.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы на авиастроительном предприятии ОАО «Авиакор - авиационный завод» (г. Самара) при разработке системы автоматической стабилизации процесса аргонодуговой сварки на установке типа УСК-22М, предназначенной для сварки кольцевых швов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на международных научных конференциях «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010); «Естественные науки: достижения нового века» (Тюмень, 2012) и «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, 2012); на всероссийских научных конференциях «Вузовская научная конференция студентов и магистров» (Самара, 2009, 2010); «Информационные технологии и математическое моделирование» (Томск, 2009); «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009); «Взаимосвязь теории и практики в повышении качества профессионального образования» (Бузулук, 2009); «Металлургия и новые материалы» (Самара, 2010); «Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области математических наук» (Ульяновск, 2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах из Перечня ВАК, и получен патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 144 страницы, включая 4 таблицы, 65 рисунков, список цитируемой литературы из 108 наименований и 4 приложения.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, задачи исследования, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен аналитический обзор технологии сварки, требований к качеству сварного шва, существующих систем автоматизации процесса сварки и реализованных в них законов управления, а также анализ проблем, возникающих в практике применения автоматизированной электросварки. Здесь же приведены данные лаборатории неразрушающего контроля цеха сварки завода ОАО «Авиакор -авиационный завод», показывающие значительный процент брака при автоматической сварке однотипных изделий в среде защитных газов. Показаны результаты анализа технологического процесса дуговой сварки как объекта автоматизации, который позволил определить направление и стратегию исследования как самого процесса, так и систем его управления с целью их совершенствования.

Требуемые показатели сварки определяются совокупностью параметров, в качестве которых выступают геометрические размеры шва и такие параметры, как стойкость против возникновения трещин и межкристаллической коррозии, заданные структуры шва, околошовной зоны и другие.

Величины этих параметров и предельные значения их отклонений так же, как и механические и физико-химические характеристики шва, не контролируются в процессе сварки, ограничиваются для конкретных изделий технологическим регламентом и могут быть проверены тем или иным способом лишь после ее завершения. Это обусловлено тем, что в настоящее время отсутствуют точные и надежные автоматические устройства контроля как геометрических, так и качественных показателей шва в процессе сварки, что ограничивает или делает невозможным построение систем автоматического управления с обратной связью по отклонению этих показателей. Поэтому качество сварки и безаварийная работа оборудования в значительной степени зависят от надежной и качественной работы систем стабилизации косвенных параметров процесса сварки.

В качестве таких параметров выступают: ток сварки и его напряжение, температура сварного шва, скорость сварки, длина дуги и другие. Предполагается, что их стабилизация при использовании высококачественных сварочных и свариваемых материалов приводит к обеспечению надежного воспроизведения требуемого уровня

качества шва при сварке однотипных изделий.

На рис. 1 представлены косвенные параметры технологического процесса сварки (температуры сварного шва Т, длины дуги ¿, скорости сварки V ) как объектов управления. Здесь: F2, Рз - неконтролируемые возмущающие воздействия, вызванные особенностями конструкции свариваемых изделий, колебаниями в источниках нагрева и электропитания, сварочной ванне, а также другими причинами; контролируемые входные воздействия: Ь - длина дуги (расстояние от свариваемой детали до электрода), / - ток сварки, 1\ - ток электродвигателя, обеспечивающего перемещение сварочного электрода в вертикальной плоскости, 1г - ток электродвигателя, обеспечивающего перемещение сварочного электрода в горизонтальной плоскости.

Рисунок 1 - Технологический процесс сварки как объект автоматизации

Из рис. 1 видно, что изменение температуры сварного шва возможно тремя входными величинами Ь, V и /, одна из которых может быть использована как управляющая в системе стабилизации. Если в качестве управляющего параметра выбрать скорость сварки V, то длина дуги Ь и ток сварки /, которые приводят к изменению температуры сварного шва, будут выступать в качестве контролируемых возмущающих воздействий для температуры сварного шва Т. Токи 1\, 1г так же, как и напряжение дуги и, являются контролируемыми входными воздействиями.

В настоящее время в системах автоматического управления процессом сварки обычно используются астатические законы управления, включающие в себя интегральные составляющие, что улучшает их точностные свойства в установившемся режиме движения. Эти законы реализуются в виде ПИ и ПИД - регуляторов, широко распространенных в системах регулирования, что объясняется обширным опытом успешного их применения для обеспечения первичных показателей качества управления в режимах малых отклонений регулируемых координат, когда модель объекта линейна. Однако в режимах больших отклонений, характерных и для процесса сварки, которые вызываются реально существующей в практике неопределенностью параметров свариваемых объектов и среды, конструктивными и технологическими воз-

мущениями, указанные законы оказываются малоэффективными, что является одной из причин появления брака. Между тем, современные микропроцессорные средства позволяют реализовать и другие достаточно сложные законы управления, что позволяет получить новые качественные свойства замкнутых систем.

На основе анализа процесса сварки как объекта автоматизации намечена стратегия дальнейших исследований технологии сварки и систем ее управления.

Вторая глава посвящена идентификации и описанию математических моделей связи геометрических характеристик сварного шва с параметрами процесса сварки, а также анализу известных алгоритмов и систем стабилизации параметров процесса и их исследованию методом компьютерного моделирования в различных режимах работы. В качестве одного из примеров на рис. 2 приведена осциллограмма, снятая с фотоэлектрического датчика, измеряющего величину проплавления в условиях заданных параметров режима сварки. Максимальное отклонение величины проплавления от номинального значения составило без автоматической стабилизации процесса более 2 мм по ширине шва (2,2 вольта на осциллограмме), что превышает норму на

12,5 % и подтверждается ид,в| при последующем внешнем

осмотре вооруженным глазом (с 4-х кратным увеличением).

Приведены также результаты экспериментальных исследований динами-

0 5 10 15 20 25 30 35 10 45 i с

Рисунок 2 - Сигнал с выхода измерительной схемы датчика проплавления стыка

ческих характеристик систем управления процесса сварки в среде защитных газов на действующем оборудовании. На рис. 3 представлены осциллограммы результатов испытаний системы автоматического регулирования напряжения дуги (АРНД) на установке УСК-22М при сварке алюминиевых труб толщиной 1,5 мм. Установлено, что основным недостатком существующих алгоритмов автоматического управления формообразованием сварного шва является низкое быстродействие подобных систем вследствие использования непрерывного, импульсного и цифрового типа регулирования, которые представляют собой в режиме стабилизации коэффициент усиления и ориентированы на применение П, ПИ и ПИД - регуляторов.

<5 {.С

10 15 2.3 25 3.0 3.5

а б

Рисунок 3 - Переходный процесс и процесс стабилизации длины дуги

1,с

Осциллограммы сняты в стандартных режимах автоматической аргонодуговой сварки соединения встык без присадки: переменный сварочный ток - 80 А, скорость сварки - 20 м/ч, длина дуги - 1 мм и расход аргона - 4 л/мин. При испытаниях импульсного управления двигателем время регулирования составило —1,5 с (рис. 3, а) и погрешность стабилизации напряжения дуги более ±0,4 В (0,4 мм) (рис. 3, б), что не соответствует требованиям регламента (ПИ 1.4.1555-2000).

На основе анализа литературных данных и экспериментальных исследований сварочного процесса в диссертации найдены связи геометрических параметров сварного шва с параметрами режима сварки. При построении систем управления была применена модель процесса сварки в представлении Лапласа (1), поскольку она в разумной степени точна и учитывает конструктивные и технологические возмущающие воздействия, непосредственно измеряемые из сварочной ванны:

1 ^ . . „ .........ч - (1)

Пр)-

-(Кт ■ 1(р) + Кд ■ Цр) - Кс ■ У(р))+ р),

7> + Г

где р - оператор Лапласа; Т - параметр сварного шва, температура; Ь - длина дуги; I - ток дуги; V - скорости сварки; Т„ - постоянная времени проплавления изделия; Кт - коэффициент провара по току дуги; Кд - коэффициент провара по длине дуги; Кс - коэффициент провара по скорости сварки; Г, - конструктивные и технологические возмущения, действующие на сварочную ванну.

Математические модели параметров изменения температуры сварочного шва получены в операторной форме в изображениях по Лапласу в следующем виде:

:"■(/>+ + >.(,) + Ц(р), (2>

Цр)--

р(т,р + Ш,„р + Ъ р{т,р + ШзмР + \)

где С/1 - напряжение на якоре электродвигателя, обеспечивающего перемещение сварочного электрода в вертикальной плоскости; Мс - момент сопротивления; '¡\ - электромагнитная постоянная времени; Т^ - электромеханическая постоянная времени;

км - коэффициент передачи механизма вертикального перемещения сварочного элек-

трода; к\ов = 1 /Се, к2Л1 = /Сг2, - сопротивление обмотки якоря, С,- скоростной коэффициент двигателя; Тм - возмущения по длине дуги;

„ , . . к„,-к2,ЛТ,Р + \) ,, , ч . ч (3)

(р)++^ (р) ,

(7> + 1)(7'„,р + 1) (7> +1)(7> + 1)

где С/г - напряжение на якоре электродвигателя, обеспечивающего перемещение сварочного электрода в горизонтальной плоскости; кт - коэффициент передачи редуктора; .Рз - возмущения по скорости сварки.

V, м/мин

Подре

С /Г Прож Избыточная

I, А

На базе полученных результатов разработаны компьютерные модели процесса сварки, проверены их адекватность результатам экспериментальных данных и осуществлены исследования систем управления в различных режимах и условиях неопределенности параметров объекта и среды, показывающие необходимость поиска новых алгоритмов управления. Выявлены области качествен-

Рисунок 4 - Области качествен ных режимов сварки

ных режимов сварки, в соответствии с которыми должны строиться системы управления. На рис. 4 приведен пример таких областей в координатах «скорость сварки-ток» (РТ - рабочая точка).

Третья глава посвящена разработке предложенных новых дискретно-непрерывных законов и структур систем управления сваркой в среде защитных газов, субоптимальных по совокупности критериев качества, исследованию их методом компьютерного моделирования, технической реализации систем и их испытаниям на действующем оборудовании.

Основными требованиями, предъявляемыми к качеству процесса управления сваркой в области малых отклонений, являются высокая точность, малая чувствительность к изменениям параметров объекта и среды, а также к действующим возмущениям, асимптотическая устойчивость движения. Для этой области разработаны эффективные методы синтеза, в частности метод, основанный на использовании квадратичного критерия:

J = |(s2(t) + Tí2¿2(t))dt.

В случае, когда регулируемая координата системы находится в области больших отклонений достаточно удаленной от заданного значения, наиболее распространенным требованием к качеству движения является минимум времени регулируемой координаты до попадания в область малых отклонений, т. е. обеспечение перехода ее через область больших отклонений при минимизации критерия быстродействия:

Сложность реализации подобной стратегии обусловлена трудностями обеспечения совместимости законов управления, синтезированных на основе критериев (4) и (5), на границе областей, которые во многих практических случаях оказываются непреодолимыми (A.A. Колесников, Т.К. Сиразетдинов, А.Н. Воронин, А.Г. Гельфгат и др.).

Постановка задачи и ее решение.

Для решения задачи синтеза управления процессами стабилизации длины дуги и температуры сварочного шва, обеспечивающих формирование заданных геометрических размеров и термический цикл, в данной работе при больших отклонениях управления использовался метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР), разработанный A.A. Колесниковым, на основе сопровождающего функционала, имеющего синергетическую интерпретацию. Сопровождающие функционалы выступают в роли вспомогательного средства для образования конкретных критериев качества в режимах больших и малых отклонений и имеют переменную в пространстве состояний структуру.

Функционал имеет вид:

где ^(х1,х2,...,хп) - агрегированная макропеременная, представляющая собой произвольную дифференцируемую функцию фазовых координат х¡, выполняющая роль притягивающего многообразия; ф(ц/) - также некоторая функция (непрерывная или релейная), удовлетворяющая условию (р(ц/) •(//>() при любых у/ о 0; с и т - постоянные коэффициенты.

Регулярная процедура синтеза управления методом АКАР предполагает необходимость неформального выбора макропеременных в виде линейной или нелиней-

(5)

(6)

О

ной комбинаций фазовых координат, от вида которых зависит результат синтеза

управления. Если объект описывается системой дифференциальных уравнений вида:

*Л0 = >•••>*„)> ' = 1. 2,...,п-1, *„{') = /я^,...,хп) + и,

то процедура синтеза управления методом АКАР приводит к выражению:

, 1 (7)

ах„ дх1 Т

где Т=с/т.

Управление (7) обеспечивает перевод объекта из произвольного начального состояния в окрестность притягивающего многообразия ц/(х1,хг,...,хп) = 0 и устойчивое движение в предписанное конечное состояние вдоль него. Управление (7) может обеспечить самодвижение объекта (с одновременным «силовым» воздействием на него при соответствующем выборе функций у/, <р(у/)). Данная работа, включаясь в контекст этого направления, предлагает синтез управления процессов сварки, основанный на сочетании метода АКАР на базе сопровождающего функционала (6) при «больших» отклонениях и квадратичного критерия — при «малых» отклонениях соответственно, что позволяет ускорить гашение переходного процесса в системе при «больших» отклонениях и необходимую точность - при «малых», и тем самым уменьшить вероятность появления прожогов и непроваров изделий, «прилипания» электрода и гашения дуги при сварке.

Задача синтеза управления процессами стабилизации длины дуги и температуры сварочного шва, обеспечивающие формирование заданных геометрических размеров шва и термический цикл, формулируется следующим образом: для произвольных входных воздействий на объект (из допустимой области) необходимо для заданного объекта найти управление и(1), ограниченное по модулю и минимизирующее функционал (4) при «малых» и функционал (5) — при «больших» отклонениях.

Решение задачи имеет следующий вид:

и\, при хВ<х^хх <хН (8)

и = ,

и2, при хН < х, л х, <хВ

где С = хВ- хН - зона малых отклонений; хН = х€ - А, хВ = х0 + А, А - половина величины зоны малых отклонений, в этой зоне обеспечивается устойчивое горение дуги; х,,х0 - текущее и заданное значения регулируемой координаты; v и а - знаки

дизъюнкции и конъюнкции соответственно; и\, и2 - управления, действующие соответственно вне зоны «малых» отклонений регулируемой координаты и в зоне «малых» отклонений Д, на управление и наложено ограничение \и\< В.

В работе управление и\ формируется в соответствии с выражением (7) с назначением в качестве макропеременной ху и (р{у/) следующих соотношений:

<р(у) = В ■ signiy/), (9)

Vi- (10>

где к, - постоянные коэффициенты; х- переменные состояния объекта; sign - знаковая функция, принимающая значение +1 или -1 в зависимости от знака функции у/ (для контура стабилизации длины дуги) и +1 или 0 (для контура стабилизации скорости сварки).

В соответствии с уравнением (7), синтезированное управление имеет вид:

«1 = -(1 • В■ sign(±к, ■ х,) + ±к, ■ /,) ■ к.. (П)

1 i-l ы

Управление (11) является дискретно-непрерывным: при «больших» отклонениях — релейным, а вблизи зоны «малых» отклонений - близким к непрерывному, которое плавно, без скачков, переводит объект в зону «малых» отклонений. Процедура синтеза управления и2 по критерию (4) приводит к соотношению:

W (р) =-i-=

Trp-w0(p) и2(р)

где IVp.: (p), W0(p) - передаточные функции соответственно регулятора и объекта, или полагая р =

и2 = ^b^, + 6, • fx,dt,

(12)

где Ь|- постоянные коэффициенты.

Таким образом, при «больших» отклонениях действует дискретно-непрерывное управление, длительность действия которого зависит от величины отклонения, а при «малых» - управление, синтезированное по критерию (4).

Конкретный вид управлений (11) и (12) определяется видом математического описания процессов сварки, которое по каналам Ь-Ь и Ь- V получено аналитически, а

г

по каналу У-Т- экспериментально. Математические модели по этим каналам аппроксимируются передаточными функциями и дифференциальными уравнениями второго порядка, коэффициенты которых определяются электромеханическими постоянными электродвигателей установки (вертикального перемещения сварочного электрода и вращения заготовки) и переходной характеристикой температуры сварного шва. Уравнения (11) и (12) в этом случае имеют вид соответственно:

u\ = -{B\■sign{x1 +к\х^) + кЪхг + к2х1)к1, (13)

и2 = Ь,(х0 -*,)+ Ь2.хг +Ьг ■ |(х0 -Х\)Ж, где В\ - реально существующие на установке ограничения на величины управляющих воздействий, а коэффициенты к\ ,к2,кЪ,кг,Ь^ г = 1,3 - положительные вещественные числа; - температура сварочного шва или длина дуги;х2 - скорость изменениях,.

Исследованием методом компьютерного моделирования управления (13) в системах стабилизации длины дуги и скорости сварки установлено, что, по сравнению с существующими системами управления, время регулирования сократилось на 33%, а количественные характеристики параметров сварного шва и его температурного режима не выходят за допустимые пределы.

В третьей главе также приведена и исследована компьютерная модель многосвязной системы управления, которая рассматривается как перспективная. Ее практическая реализация требует существенного изменения конструкции оборудования и соответствующей измерительной техники.

Четвертая глава посвящена технической реализации разработанных систем и их исследованию на действующем оборудовании.

Управления (13) реализованы в устройстве на базе микроконтроллера фирмы А(хпе1 и внедрены в производство. На рис. 5 приведена фотография устройства для стабилизации длины дуги при электросварке (патент РФ на изобретение № 2440220).

На рис. 6 приведен один из примеров осциллограмм переходного процесса и процесса изменения длины дуги после внедрения системы стабилизации длины дуги с управлением (13) при сварке труб. Время переходного

процесса при ступенчатом воздействии уменьшилось более, чем на 0,5 сек, а качественные характеристики стабилизации улучшились примерно в 4 раза по сравнению с результатами рис. 3.

Для выявления степени влияния систем на качество свариваемых изделий были исследованы данные о количестве брака по данным лаборатории технического контроля однотипных изделий до и после внедрения разработанных систем с законами управления (13). Обработка результатов путем сравнения статистических рядов в течение одного года показала снижение брака на 13 %. Разница оказалась статистически значимой с достоверностью выводов более 0,99.

Основные результаты работы и выводы:

1. На основе анализа физических закономерностей, протекающих в процессах дуговой сварки в среде защитных газов, изучения существующих систем управления и идентификации процессов на действующем оборудовании разработаны математическая и компьютерная модели технологического процесса сварки в среде защитных газов как объекта управления. Доказана адекватность моделей реальному объекту.

2. Компьютерным моделированием выявлены области качественных режимов сварки и показано, что в условиях неопределенности параметров объекта и среды количественные характеристики сварного шва выходят за рамки допустимых ограничений. Этот результат обусловлен низким быстродействием существующих систем управления.

3. По результатам компьютерного моделирования синтезированы и исследованы новые дискретно-непрерывные законы, алгоритмы и системы автоматического управления дуговой электросваркой, обеспечивающие повышение быстродействия на 33 % за счет действия релейного управления в области больших отклонений регулируемых координат.

4. Системы управления процессом сварки с дискретно-непрерывными алгоритмами внедрены на действующем производстве, и их эффективность, выраженная

снижением брака при сварке изделий на 13%, подтверждена результатами длительной эксплуатации.

Публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Омельяненко, К.Н. Субоптимальный по совокупности критериев качества самонастраивающийся алгоритм управления динамическими объектами / В.Е. Вохрышев, К.Н. Омельяненко, И.Л. Ерофеев, Д.А. Рагазин // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. Сер. техн. науки. -2010. -№ 2. - С. 32-36.

2. Омельяненко, К.Н. Система управления технологическим процессом электросварки / К.Н. Омельяненко // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. Сер. техн. науки -2012. - № 1.

- С. 235-239.

3. Омельяненко, К.Н. Дискретно-непрерывная система автоматического управления технологическим процессом сварки / В.Е. Вохрышев, К.Н. Омельяненко // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. -2013. - Том 15, № 4. - С. 267-270.

4. Патент № 2440220 Российская Федерация, В 23 К 9/095. Устройство для автоматического регулирования длины дуги при электросварке / Вохрышев В.Е., Омельяненко К.Н.

- Заявл. 06.04.2010, опубл. 20.01.2012, Бюл. №2.-8 с.

Статьи в сборниках научных трудов и в материалах конференций:

5. Омельяненко, К.Н. Система автоматического управления аргонодуговой сваркой трубопроводов / К.Н. Омельяненко // Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2009): материалы VII всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Томск: ТГУ, 2009. - С. 146-152.

6. Омельяненко, К.Н. Автоматическая аргонодуговая сварка трубопроводов / К.Н. Омельяненко // Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург: ОГУ, 2009. - С. 2924-2929.

7. Омельяненко, К.Н. Автоматическая аргонодуговая сварка трубопроводов / К.Н. Омельяненко // Взаимосвязь теории и практики в повышении качества профессионального образования: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Бузулук: БГТИ, 2009.-С. 21-28.

8. Омельяненко, К.Н. Автоматическая система управления электросваркой / К.Н. Омельяненко // Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации: материалы международной научной конференции. - Оренбург: ОГУ, 2010. - С. 71-74.

9. Омельяненко, К.Н. Система автоматического управления электросваркой / К.Н. Омельяненко // Всероссийская (инновационная) молодежная научная конференция: материалы докладов конференции и конкурса программы У.М.Н.И.К. - Самара: СГАУ, 2010. -С. 74-75.

10. Омельяненко, К.Н. Разработка и исследование дискретно-непрерывного закона и алгоритма управления процессом электросварки изделий / К.Н. Омельяненко // Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области математических наук. - Ульяновск: УлГУ, 2012. - С. 131-134.

11. Омельяненко К.Н. Многосвязная система управления дуговой сварки в среде защитных газов / К.Н. Омельяненко // Естественные науки: достижения нового века: материалы II научно-практической конференции с международным участием // Академический журнал Западной Сибири. - Тюмень: ООО «М-центр», 2012. - № 4. - С. 70.

12. Омельяненко К.Н. Субоптимальная по совокупности критериев качества система стабилизации геометрии проплавления при дуговой сварке изделий в среде защитных газов / К.Н. Омельяненко // Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: труды одиннадцатой международной межвузовской научно-практической конференции. - Самара: Изд-во Самар. гос. техн. ун-т, 2012. - С. 126-128.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.181.02 ФГБОУ ВПО Оренбургский государственный университет

(протокол № 215 от_.10.2013 г.)

Заказ №_. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе. ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244

Самарский государственный технический университет

На правахрукописи

ОМЕЛЬЯНЕНКО Константин Николаевич

СИНТЕЗ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОСВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

СМ

Диссертация на соискание ученой степени

СО ^

ч"г г-ч кандидата технических наук

со

сч

СМ 00 сд

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Вохрышев Валерий Евгеньевич

Самара - 2013

Оглавление

Введение......................................................................................4

1 Технологический процесс дуговой сварки в защитных газах как объект автоматизации............................................................................10

1.1 Критерии качества управления процессом электросварки................10

1.2 Представление процесса сварки как объекта автоматизации..........11

1.3 Функциональная схема системы управления процессом дуговой сварки в защитных газах..............................................................................17

1.4 Выводы....................................................................................................19

2 Идентификация процесса сварки и анализ существующих алгоритмов и систем управления формированием сварочного шва..................... 21

2.1 Математическая модель связи геометрических характеристик сварочного шва с параметрами режима сварки.........................................21

2.2 Математические модели исполнительных механизмов процесса сварки.............................................................................................................33

2.2.1 Описание исполнительной части сварочной установки...........33

2.2.2 Механизм вертикального перемещения горелки.......................38

2.2.3 Электродвигатель механизма вертикального перемещения горелки.....................................................................................................39

2.3 Математическое описание процесса сварки как объекта автоматизации................................................................................................54

2.4 Сравнительный анализ управлений формообразованием сварочного шва..................................................................................................................56

2.5 Компьютерная модель системы автоматического регулирования

напряжения дуги сварочной установки......................................................64

2.5 Выводы....................................................................................................67

3 Разработка и исследование дискретно-непрерывных законов и структур систем управления сваркой..............................................69

3.1 Анализ многокритериальных систем автоматического управления процессом сварки..........................................................................................69

3.2 Постановка задачи и ее решение..........................................................71

3.3 Компьютерная модель дискретно-непрерывной системы автоматического регулирования длины дуги.............................................88

3.4 Компьютерная модель многосвязной системы автоматического управления технологическим процессом дуговой сварки и ее исследование методом компьютерного моделирования...........................92

3.5 Выводы..................................................................................................104

4 Аппаратурный синтез системы управления процессом дуговой сварки и ее исследование на действующем оборудовании.............................105

4.1 Назначение и функциональные возможности системы управления 105

4.2 Техническая реализация системы управления...................................107

4.3 Результаты испытаний устройства управления на производстве.... 119

4.4 Выводы...................................................................................................122

Заключение.................................................................................124

Список использованных источников..................................................125

Приложение 1 (Программа дискретно-непрерывного управления процессом

электросварки для микроконтроллера)..............................................136

Приложение 2 (Электрическая схема устройства управления

электросваркой)...........................................................................142

Приложение 3 (Акт испытаний устройства для автоматического

регулирования длины дуги при электросварке)....................................143

Приложение 4 (Акт приемки в эксплуатацию системы стабилизации длины дуги при электросварке изделий в среде защитных газов)........................................................................................144

Введение

Технологический процесс электрической дуговой сварки в среде защитных газов широко распространен в промышленности при изготовлении металлургического, кузнечно-прессового, химического и энергетического оборудования, трубопроводов, строительных и других конструкций. Качество сварки определяется качеством сварного шва, которое регламентируется для каждого вида свариваемых изделий производственными инструкциями и техническими условиями и которое оказывается наилучшим, при прочих равных условиях, если сварка ведется в среде защитных газов. В производственных условиях на процесс сварки действуют технологические, конструктивные, термодеформационные и другие возмущения, вызывающие отклонения параметров шва от их номинальных значений, появление трещин, подрезов, несплавлений, непроваров и прожогов изделий. Возникает актуальная проблема повышения качества сварных соединений и его стабилизации в пределах партии однотипных изделий. С целью получения сварных соединений с требуемыми свойствами в сварочном производстве широко применяются системы стабилизации параметров режима сварки с изменением их по заданному закону, автоматические системы регулирования проплавлением с использованием обратной связи по некоторому обобщенному технологическому параметру, а также другие системы и устройства для автоматического, в том числе программного управления процессом электросварки.

Изучением технологии и разработкой автоматических систем управления в области дуговой сварки занимались многие специалисты (Б.Е. Патон, В.К. Лебедев, В.П. Никитин, В.И. Дятлов, К.Х. Хренов, И.Я. Рабинович, Г.М. Каспражак, JI.E. Алекин, В.М. Щитова, И.Л. Бринберг, Ш.А. Вайнер, Н.С. Львов, Л.К. Дедков, В.В. Смирнов, P.M. Широковский, В.Ф. Трефилов, Э.А. Гладков, Я.Б. Ландо, М.Л. Лифшиц, Д.Д. Никифоров и др.), в работах которых получен целый ряд научных и практических

результатов, способствующих уменьшению дефектов сварного шва, и, как следствие, повышающих производительность труда и экономию трудовых ресурсов. Несмотря на известные достижения в области разработки систем автоматического управления технологическим процессом электросварки, задача поиска простых и практически эффективных законов и алгоритмов управления в условиях технологических и конструктивных возмущений сохраняет свою актуальность.

Более того, существующие резервы в отрасли построения систем управления процессом электросварки, работающих в условиях неопределенности параметров среды, далеко не исчерпаны.

Настоящая диссертационная работа посвящена анализу, разработке эффективных законов, алгоритмов, программных средств, а также структурному синтезу и технической реализации систем управления процессом дуговой электрической сварки в среде защитных газов и направлена на решение проблемы повышения качества сварки и снижения брака.

Диссертация выполнена в рамках программы Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (проект №13166).

Объект исследования - технологический процесс электрической дуговой сварки и системы его автоматизации.

Предмет исследования - законы и алгоритмы управления электрической дуговой сваркой изделий в среде защитных газов.

Цель работы - разработка алгоритмов и систем управления процессом дуговой сварки в среде защитных газов, обеспечивающих повышение качества сварки, заданные точность геометрических размеров сварочного шва и его термический цикл в условиях действия технологических и конструктивных возмущений.

Задачи исследований:

1. Провести анализ технологического процесса электрической дуговой сварки в среде защитных газов и уровня развития существующих систем автоматического управления процессом.

2. Построить математическую модель автоматизированного сварочного процесса в среде защитных газов и исследовать его методом компьютерного моделирования в условиях неопределенности параметров свариваемых объектов и среды.

3. На основе результатов моделирования разработать системы автоматического управления дуговой электросваркой, обеспечивающие заданные показатели качества сварочного шва и его термический цикл в условиях действия технологических и конструктивных возмущений.

4. Исследовать на действующем оборудовании качество управления и качество сварки в среде защитных газов с использованием разработанных систем.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались методы теории автоматического управления: метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов, идентификации объектов управления, анализа и синтеза релейных и непрерывных систем автоматического регулирования, методы компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились на действующем сварочном оборудовании с использованием разработанных аппаратных и программных средств.

В диссертации получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Обоснование целесообразности применения дискретно-непрерывного управления процессом дуговой сварки в среде защитных газов как нового подхода для решения проблемы повышения качества сварного шва.

2. Методика синтеза дискретно-непрерывного, субоптимального по совокупности критериев качества управления процессом сварки, отличающаяся от известных последовательным применением методов аналитического конструирования регуляторов на базе сопровождающего функционала при «больших» отклонениях регулируемой координаты от заданного значения и квадратичного критерия - при «малых» отклонениях.

3. Разработанные, исследованные и внедренные на действующем оборудовании новые дискретно-непрерывные устройства и автоматические системы управления сварочным процессом, отличающиеся от известных повышенной динамической точностью за счет способности изменять свою структуру в условиях неопределенности параметров свариваемых объектов и среды и обеспечивающие заданные показатели качества сварочного шва и его термического цикла.

Практическая полезность диссертационных исследований определяется следующими результатами:

разработано специальное математическое, алгоритмическое, программное обеспечение для моделирования, анализа, синтеза и технической реализации систем управления технологическим процессом электросварки;

разработаны эффективные и технически простые дискретно-непрерывные системы управления, субоптимальные по совокупности критериев оптимальности, которые могут применяться для модернизации сварочных автоматов;

разработано устройство управления технологическим процессом электросварки, технически реализующее разработанные алгоритмы и защищенное патентом на изобретение;

экспериментально подтверждена эффективность разработанной системы и ее алгоритмов в системах управления электросваркой в среде защитных газов, обеспечивающих необходимое быстродействие отработки

возмущающих воздействий, точность стабилизации процесса, повышение качества сварки и производительности труда.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа процесса сварки в среде защитных газов как объекта автоматизации и существующих систем его управления.

2. Результаты идентификации и исследования технологического процесса сварки в среде защитных газов и их анализ, структурные схемы и компьютерная модель системы управления сваркой.

3. Новые алгоритмы, их программная и техническая реализация в дискретно-непрерывной системе управления процессом сварки в среде защитных газов.

4. Результаты исследования разработанной и внедренной системы управления, защищенной патентом на изобретение.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы на авиастроительном предприятии ОАО «Авиакор - авиационный завод» (г. Самара) при разработке системы автоматической стабилизации процесса аргонодуговой сварки на установке типа УСК-22М, предназначенной для сварки кольцевых швов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на международных научных конференциях «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010); «Естественные науки: достижения нового века» (Тюмень, 2012) и «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, 2012); на всероссийских научных конференциях «Вузовская научная конференция студентов и магистров» (Самара, 2009, 2010); «Информационные технологии и математическое моделирование» (Томск, 2009); «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009); «Взаимосвязь теории и практики в повышении качества профессионального образования» (Бузулук, 2009); «Металлургия и новые материалы» (Самара, 2010); «Всероссийский конкурс

научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области математических наук» (Ульяновск, 2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах из Перечня ВАК, и получен патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 144 страницы, включая 4 таблицы, 65 рисунков, списка цитируемой литературы из 108 наименований и 4 приложения.

1 Технологический процесс дуговой сварки в защитных газах как объект автоматизации

1.1 Критерии качества управления процессом электросварки

Технологический процесс дуговой сварки в среде защитных газов достаточно хорошо изучен и для стандартных изделий определены оптимальные режимы сварки, позволяющие получить качественное формирование сварного шва [2, 77, 91]. Однако в производственных условиях, при действии различных возмущений, сварочный шов может формироваться с дефектами, большая часть из которых является недопустимыми для изделий различного назначения. Так, на предприятии ОАО «Авиакор - авиационный завод» (г. Самара) при кольцевой сварке партии (из 54 изделий) баллонов огнетушителей из материала алюминий АМгЗ размером 90x2x146 мм на установке УСК-22М возникают дефекты с общим браком - 31,5 %: из них непроваров - 9,3 %, прожогов - 5,5 %, не металлических включений - 14,8 % и трещин - 1,9 %. Качество сварного шва определяется по производственным инструкциям (например, по инструкции для авиационной промышленности ПИ 1.4.1555-2000 [76]), в которых задаются допустимые границы геометрических параметров шва и требования отсутствия дефектов. В таблице 1.1 приведены примеры требований из производственной инструкции «Сварка дуговая алюминиевых и магниевых сплавов в среде защитных газов» (ПИ 1.4.1555-2000) для сварки стыковых соединений из алюминиевых сплавов толщиной материала 2 мм.

Анализ литературы показал [21, 59], что стабилизация геометрических размеров шва, приведенных в таблице 1.1, способствует повышению качества сварного соединения. Но не во всех случаях это условие можно считать единственным критерием качества. Например, при сварке материалов, склонных к закаливанию или образованию горячих или холодных трещин, важным фактором является также поддержание заданного термического цикла в процессе сварки, обеспечивающего необходимую

скорость охлаждения металла. Только при этом условии можно получить требуемую структуру сварного шва и околошовный зоны.

Таблица 1.1 - Геометрические размеры стыковых сварных соединений при автоматической дуговой сварке в аргоне неплавящимся электродом с присадочной проволокой

Толщина свариваемого материала, мм

Условные обозначения

Минимальные размеры сварочного шва, мм

Максимальные размеры сварочного шва, мм

1

2,0

Стыковое соединение

Вм

£

вш

ч

ъ

1

&

4,0 0,5 3,0 0,6

8,0 1,2 6,0 1,4

Поэтому нами для построения системы автоматического управления за основные параметры качества приняты термический цикл и геометрические размеры шва. Дефекты, источником появления которых в основном является грубое нарушение технологии подготовки и сварки, не рассматриваются в диссертационной работе (смещение кромок, отслоения, наплывы, брызги металла, неметаллические включения, поры [24, 59]).

1.2 Представление процесса сварки как объекта автоматизации

Проблему повышения качества технологического процесса сварки изделий связывают с его автоматизацией [21]. Совершенствование и

создание эффективных автоматических систем управления технологическим процессом электросварки, обеспечивающих заданные характеристики сварного шва и его качество, требует, прежде всего, представления процесса сварки как объекта автоматизации и последующей разработки на этой базе оптимальных или субоптимальных в некотором смысле законов и алгоритмов управления.

Известно, ч