Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом
Рассматривается один из подходов к снижению влияния внешних возмущений на параметры режима дуговой сварки, основанный на использовании принципа поглощения. Изложена процедура структурного синтеза компенсирующей обратной связи. Приведены результаты математического моделирования. The paper deals with...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99378 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 4 (648). — С. 7-10. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859665150339973120 |
|---|---|
| author | Цыбулькин, Г.А. |
| author_facet | Цыбулькин, Г.А. |
| citation_txt | Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 4 (648). — С. 7-10. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Рассматривается один из подходов к снижению влияния внешних возмущений на параметры режима дуговой сварки, основанный на использовании принципа поглощения. Изложена процедура структурного синтеза компенсирующей обратной связи. Приведены результаты математического моделирования.
The paper deals with one of the approaches to lowering the influence of external disturbances on the arc welding mode parameters, based on application of the absorption principle. The procedure of structural synthesis of compensating feedback is described. Results of mathematical simulation are given.
|
| first_indexed | 2025-11-30T11:02:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.753
КОМПЕНСАЦИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ ВОЗМУЩЕНИЙ
НА РЕЖИМ ДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
Г. А. ЦЫБУЛЬКИН, д-р техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассматривается один из подходов к снижению влияния внешних возмущений на параметры режима дуговой
сварки, основанный на использовании принципа поглощения. Изложена процедура структурного синтеза ком-
пенсирующей обратной связи. Приведены результаты математического моделирования.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, стабилизация режи-
ма, принцип поглощения, компенсация возмущений, струк-
турный синтез, внутренние модели
Проблема стабилизации режима автоматической
дуговой сварки плавящимся электродом давно об-
суждается в литературе [1–5]. Эта проблема, как
известно, связана с существенным влиянием на
процесс дуговой сварки различного рода некон-
тролируемых возмущений, приводящих в итоге
к снижению качества сварного соединения. Ос-
новная трудность при построении систем стаби-
лизации состоит в том, что сварочный контур с
плавящимся электродом как объект автоматичес-
кого управления сам по себе уже представляет
систему с естественной обратной связью, обес-
печивающей саморегулирование длины дуги [6].
Поэтому простое введение в сварочный контур
дополнительных обратных связей для стабили-
зации режима сварки не всегда приводит к же-
лаемому эффекту.
Между тем, существует и иная возможность
устранения влияния возмущений, основанная на
использовании так называемого принципа погло-
щения [7], в основе которого лежит синтез внут-
ренней модели внешнего возмущения с введением
компенсирующей связи. Несмотря на возросший
в последнее время интерес к системам этого клас-
са [7–11], указанный принцип пока еще не по-
лучил должного развития в системах управления
сварочными процессами.
В настоящей работе рассматривается задача
синтеза структуры компенсирующего устройства
(КУ), обеспечивающего в некоторых случаях сни-
жение влияния внешних воздействий на парамет-
ры режима дуговой сварки.
Рассмотрим структурную схему сварочного
контура (рис. 1), составленную на основании урав-
нений [12]:
(LD + S)i = u∗ – us; us – ua = Ri; ua = u0 + El;
l = H – h; h = 1
D(ve – vm); vm = Mi, (1)
где L — индуктивность источника сварочного то-
ка; R — суммарное сопротивление подводящих
проводов, вылета электрода h и скользящего кон-
такта в мундштуке горелки; us — напряжение на
выходных клеммах источника сварочного тока;
u* — напряжение холостого хода; ua — напря-
жение на дуге; u0 — сумма приэлектродных па-
дений напряжений; i — ток сварки; l — длина
дугового промежутка; E ≡ ∂ua
⁄ ∂l — напряжен-
ность электрического поля в столбе дуги;
S ≡ ∂us
⁄ ∂i — крутизна вольт-амперной характе-
ристики источника сварочного тока при номи-
нальном значении тока iном; H — расстояние меж-
ду торцом токоподводящего мундштука и сво-
бодной поверхностью сварочной ванны; ve — ско-
рость движения (скорость подачи) плавящегося
электрода относительно сопла горелки; vm — ско-
рость плавления электрода; M ≡ ∂vm
⁄ ∂i — крутизна
характеристики плавления электрода при номиналь-
ных значениях сварочного тока iном и вылета элек-
трода hном; D = d ⁄ dt — оператор дифференцирова-
ния; t — время.
Из рис. 1 видно, что внешние возмущения,
действующие на напряжение u*, скорость ve и рас-
стояние H, могут привести к изменению номи-
нальных значений сварочного тока iном и напря-
жения на дуге ua ном. Рассмотрим для определен-
ности случай, когда возмущение номинального ре-
жима дуговой сварки вызвано кратковременным
изменением H. При этом прежде всего произойдет
изменение (возмущение) напряжения на дуге ua(t).
Представим ua(t) в виде суммы
ua(t) = ua ном + ξ(t), (2)
где ξ(t) — результирующее возмущение.
Ясно, что для компенсации возмущения ξ(t)
необходимо его измерить. Но поскольку непос-
редственное измерение ua(t) практически невоз-
можно, то попытаемся оценить ξ(t) косвенным пу-
тем, введя в структуру системы двухвходовую
внутреннюю модель внешнего возмущения. Идея
косвенной оценки заключается в следующем. Ес-© Г. А. Цыбулькин, 2007
4/2007 7
ли две координаты в цепи из детектирующих
звеньев выбраны так, что элемент, на который
воздействует возмущение ξ(t), находится между
ними, то разность выбранных координат будет
функцией этого возмущения. При определенном
подборе операторов внутренней модели некоторая
переменная δ(t) будет пропорциональна или равна
возмущению ξ(t). Следует заметить, что идея кос-
венного измерения возмущений впервые была
высказана, по-видимому, А. Г. Ивахненко [13] и
получила дальнейшее развитие в работах [14–17].
Структура КУ, включающая двухвходовую
внутреннюю модель внешнего возмущения и ком-
пенсирующую связь, представлена на рис. 2, где
для удобства рассмотрения показан лишь тот учас-
ток сварочного контура, элементы которого ис-
пользуются в дальнейших расчетах. На основании
внутренней модели (иногда ее называют диффе-
ренциальной вилкой [15, 17]) можно записать
y = (1 – W1W0)us – W1W0ua, (3)
где через W0 обозначен оператор
W0 = 1/R, (4)
а через W1 — неизвестный пока оператор.
Если измерительные связи выполнены так, что
W1W0 ≡ 1, (5)
то из выражения (3) следует тождество
y ≡ ua, (6)
которое означает, что в каждый момент времени
t сигнал y(t) численно равен напряжению на дуге
ua(t). Это является важным, поскольку тогда, сог-
ласно структурной схеме, представленной на
рис. 2, и с учетом соотношений (2) и (6) получим
равенство δ = ua ном – y = ua ном – ua ном – ξ =
= – ξ. Отсюда следует, что сигнал δ(t), создава-
емый измерительными связями, не зависит ни от
тока сварки i, ни от напряжения на дуге ua(t), а
зависит лишь от возмущения ξ(t).
Теперь воспользуемся принципом поглощения
[7], в силу которого инвариантность напряжения
ua относительно возмущения ξ(t) может быть
обеспечена подавлением его компенсирующим
воздействием z1(t). Поскольку в данной схеме
(рис. 2) компенсирующее воздействие направлено
по цепи управления напряжением u*, то указанная
инвариантность означает, что z1 ≡ W2δ ≡ ξ. Сле-
довательно, для компенсации ξ(t) необходимо
обеспечить выполнение тождества W2 ≡ 1.
На практике закон управления u* = u*(δ), осу-
ществляющий текущую компенсацию возмуще-
ния, целесообразно строить исходя из условия ас-
татизма, т. е. в интегральной форме
u∗ = u∗ ном + z1; z1 = K1 ∫
0
t
δ(t)dt,
где u* ном — номинальное значение напряжения
холостого хода; K1 — положительный коэффи-
циент.
При этом оператор W2 будет иметь вид
W2 =
K1
D . (7)
Итак, для компенсации (поглощения) возму-
щения ξ необходимо обеспечить согласно (4), (5)
и (7) выполнение двух условий:
W1 ≡ 1
W0
= R; W2 =
K1
D . (8)
Выбором операторов W1 и W2 синтез модели
поглощения, включающей двухвходовую модель
внешнего воздействия и компенсирующую обрат-
Рис. 1. Структурная схема сварочного контура (здесь и на
рис. 2, 3 см. обозначения в тексте)
Рис. 2. Структурная схема КУ с компенсирующим воздейс-
твием на напряжение холостого хода
8 4/2007
ную связь, завершается. В результате получаем
КУ с весьма ценным свойством — оно создает
сигнал z1(t), существенно подавляющий внешнее
возмущение, поступающее на тот участок цепи,
который охватывается двухвходовой моделью.
Тем самым обеспечивается стабилизация напря-
жения на дуге на уровне заданного номинального
значения ua ном.
В тех случаях, когда важнее обеспечивать не-
зависимость сварочного тока i от возмущения ξ(t),
компенсирующую обратную связь следует завести
на параметрический вход звена с передаточной
функцией (LD + S), как показано на рис. 3. Закон
управления, осуществляющий текущую компен-
сацию возмущения, в этом случае будем строить
в виде
S = Sном + z2; z2 = K2 ∫
0
t
δ(t)dt,
где Sном — номинальное значение крутизны вольт-
амперной характеристики источника сварочного
тока, а K2 = const > 0.
Рис. 3. Структурная схема КУ с компенсирующим воздейс-
твием на крутизну вольт-амперной характеристики источни-
ка сварочного тока
Рис. 4. График функции a(t)
Рис. 5. Графики функций i(t) (а, в, д) и ua(t) (б, г, е), построенные по результатам моделирования (а– е — см. в тексте)
4/2007 9
Для проверки эффективности введения КУ в
сварочный контур с помощью ЭВМ проводили
моделирование динамики процессов, протекаю-
щих в контуре при дуговой сварке.
Взяты следующие параметры контура и режи-
ма сварки: L = 4⋅10–4 Гн; R = 0,02 Ом; S = – 0,02
В/А; u* = 30 В; u0 = 12 В; ua ном = 24 В; ve = 50 мм/с;
Hном = 17 мм. Расчетные значения коэффициен-
тов КУ K1 и K2 составили K1 = 50 с–1 и K2 =
= 0,01 (А⋅с)–1.
В качестве возмущения рассматривалось из-
менение расстояния H(t), вызванное «прихваткой»
на осевой линии свариваемых соединений. Закон
изменения H(t) задавался зависимостью H(t) =
= [17 – a(t)] мм, где a(t) = 5e– n(t − 1,5)2 мм, n =
= 2с–2. График функции a(t) показан на рис. 4.
Результаты моделирования представлены на
рис. 5 в виде кривых i(t) и ua(t) в контуре без
(рис. 5, а, б) и с компенсирующей связью (рис. 5,
в–е). При сравнении кривых можно увидеть, что
в контуре без КУ возмущение по расстоянию при-
водит к изменению сварочного тока i(t) и нап-
ряжения на дуге ua(t) (рис. 5, а, б). В контуре с
КУ дело обстоит иначе. В том случае, когда ком-
пенсирующий сигнал z1(t) воздействует на нап-
ряжение холостого хода u* (см. рис. 2), напря-
жение на дуге ua(t) становится независимым от
возмущения и равным ua ном (рис. 5, г). При этом
отклонение сварочного тока i(t) от его номиналь-
ного значения iном остается практически не ском-
пенсированным (рис. 5, в). В случае, когда ком-
пенсирующий сигнал z2(t) воздействует на крутизну
S вольт-амперной характеристики источника сва-
рочного тока (см. рис. 3), инвариантным по отно-
шению к возмущению становится ток сварки i(t),
а изменение напряжения на дуге uа(t) при этом даже
несколько увеличивается по сравнению с аналогич-
ными показателями в схеме без КУ.
Таким образом, результаты численного моде-
лирования показали, что введение в систему уп-
равления процессом дуговой сварки с плавящимся
электродом компенсирующих связей позволяет
реализовать идею поглощения вредных воздейс-
твий. Однако стабилизировать при этом удается
лишь один из основных параметров режима (или
сварочный ток, или напряжение на дуге). Тем не
менее, высокая эффективность введения компен-
сирующей связи дает основание ожидать, что с
использованием принципа поглощения возмуще-
ний при разработке сварочного оборудования от-
крывается еще один путь к улучшению качества
сварных соединений.
1. Патон Б. Е. Некоторые задачи в области автоматическо-
го регулирования сварочных процессов // Автомат. свар-
ка. — 1958. — № 4. — С. 3–9.
2. Гладков Э. А. Автоматизация сварочных процессов. —
М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1976. — 176 с.
3. Автоматизация сварочных процессов / Под ред. В. К.
Лебедева, В. П. Черныша. — Киев: Вищ. шк., 1986. —
296 с.
4. Лебедев А. В. Эффективность стабилизации среднего
значения тока при полуавтоматической сварке //Авто-
мат. сварка. — 1978. — № 10. — С. 37–41.
5. Стабилизация процесса импульсно-дуговой сварки пла-
вящимся электродом / Б. Е. Патон, П. П. Шейко, А. М.
Жерносеков, Ю. О. Шимановский // Там же. — 2003. —
№ 8. — С. 3–6.
6. Патон Б. Е. Саморегулирование дуги при сварке пла-
вящимся электродом // Там же. — 1952. — № 1 —
С. 38–45.
7. Clarke D. W., Montadi C., Tuffs P. S. Generatized predictive
control. Pt. 1: The basic algorithm // Automatica. — 1987.
— 27, № 2. — P. 137–148.
8. Tomizuka M., Tsao T., Chew K. Analysis and synthesis of
discrete-time repetitive controllers // ASME J. of Dynamic
Systems, Measurement and Control. — 1989. — 111, № 3.
— P. 357–359.
9. Гудвин Г., Цыпкин Я. З. Робастные системы управления с
внутренней моделью // Докл. АН Украины. — 1992. —
323, № 4. — С. 640–644.
10. Цыпкин Я. З. Синтез структуры стабилизирующих и ин-
вариантных регуляторов // Там же. — 1996. — 347, № 5.
— С. 607–609.
11. Цыбулькин Г. А. О компенсации влияния нестабильности
режима сварки на оценку отклонения электрода от
линии соединения свариваемых деталей // Автомат. свар-
ка. — 1998. — № 4.— С. 50–52.
12. Цыбулькин Г. А. К вопросу об устойчивости процесса ду-
говой сварки плавящимся электродом // Там же. — 2002.
— № 5. — С. 17–19.
13. Ивахненко А. Г. Связь теории инвариантности с теорией
дифференциальных регуляторов // Автоматика. —1961.
— № 1. — С. 3–25.
14. Менский Б. М. К вопросу о реализации принципа инва-
риантности // Изв. АН СССР. Энергетика и автоматика.
— 1961. — № 5. — С. 80–86.
15. Кухтенко А. И. Проблема инвариантности в автоматике.
— Киев: Гостехиздат, 1963. — 376 с.
16. Зайцев Г. Ф., Стеклов В. К. Автоматические системы с
дифференциальными связями. — Киев: Техника, 1984.
— 167 с.
17. Цыпкин Я. З. Стохастические дискретные системы с
внутренними моделями // Пробл. управления и информа-
тики. — 1996. — № 1/2. — С. 21–26.
The paper deals with one of the approaches to lowering the influence of external disturbances on the arc welding mode
parameters, based on application of the absorption principle. The procedure of structural synthesis of compensating
feedback is described. Results of mathematical simulation are given.
Поступила в редакцию 22.03.2006
10 4/2007
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99378 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T11:02:47Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Цыбулькин, Г.А. 2016-04-27T19:07:55Z 2016-04-27T19:07:55Z 2007 Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 4 (648). — С. 7-10. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99378 621.791.753 Рассматривается один из подходов к снижению влияния внешних возмущений на параметры режима дуговой сварки, основанный на использовании принципа поглощения. Изложена процедура структурного синтеза компенсирующей обратной связи. Приведены результаты математического моделирования. The paper deals with one of the approaches to lowering the influence of external disturbances on the arc welding mode parameters, based on application of the absorption principle. The procedure of structural synthesis of compensating feedback is described. Results of mathematical simulation are given. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом Compensation of effect of external disturbances on consumable electrode arc welding conditions Article published earlier |
| spellingShingle | Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом Цыбулькин, Г.А. Научно-технический раздел |
| title | Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом |
| title_alt | Compensation of effect of external disturbances on consumable electrode arc welding conditions |
| title_full | Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом |
| title_fullStr | Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом |
| title_full_unstemmed | Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом |
| title_short | Компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом |
| title_sort | компенсация воздействия внешних возмущений на режим дуговой сварки плавящимся электродом |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99378 |
| work_keys_str_mv | AT cybulʹkinga kompensaciâvozdeistviâvnešnihvozmuŝeniinarežimdugovoisvarkiplavâŝimsâélektrodom AT cybulʹkinga compensationofeffectofexternaldisturbancesonconsumableelectrodearcweldingconditions |