Системы управления с математической моделью

Современный уровень требований, предъявляемых к сварным соединениям, может быть удовлетворен лишь при оптимальном управлении сварочным процессом, с прогнозированием качества сварного соединения. Должно быть обеспечено такое сочетание параметров режима сварки и их изменение во времени с учетом действующих ограничений, при котором получается максимальное значение критерия оптимизации (например, диаметра ядра сварной точки при контактной сварке, глубины проплавления стыка при дуговой, электронно-лучевой или лазерной сварке).

Для успешного решения задачи оптимизации недостаточно стабилизировать какой-либо параметр режима или изменять его по заданной программе при помощи автоматического регулятора. При оптимальном управлении необходимо использовать количественные зависимости между параметрами режима и выходными показателями качества сварки с тем, чтобы обеспечить протекание сварочного процесса в соответствии с выбранным заранее критерием оптимизации. Для этого необходимо формализовать задачу, т.е. описать процесс сварки достаточно точными математическими зависимостями. При этом объект управления заменяется математической моделью, описывающей те особенности процесса, ко­торые существенны для управления им, и вводятся ограничения, обусловленные технологическими, экономическими и другими причинами.

Используя модель процесса сварки на основе информации о параметрах режима, размерах и форме шва, можно управлять режимом сварки с целью обеспечить заданное качество шва, либо обнаружить места, где произошли недопустимые изменения параметров режима. Системы управления на базе микроЭВМ с математической моделью в контуре управления могут быть созданы для машин контактной, электронно-лучевой и дуговой сварки.

По сравнению с традиционной аппаратурой и методами уп­равления применение микроЭВМ позволяет сократить сроки проектирования новых систем, наряду со снижением стоимости аппаратуры, повысить ее надежность, уменьшить размеры и потреб­ляемую мощность. При этом можно расширить функции систем управления благодаря тому, что микроЭВМ в состоянии выполнить большой объем вычислительных операций. Логические операции по включению или отключению различных элементов сварочного оборудования микроЭВМ осуществляет по программе, введенной в оперативную память машины. Эти операции легко наменять или корректировать в процессе сварки в зависимости от полученных результатов вычислений ЭВМ в реальном времени на основании измерения текущих параметров режима. Все эти операции практически невозможно выполнить в аппаратуре, реализованной на дискретных элементах. Наличие памяти в системе позволяет собирать данные о процессе сварки, выполнять их первичную обработку и накапливать. Эти данные после окончания сварки либо рабочей смены могут быть выданы на печать в виде паспорта технологического процесса или в форме отчета за смену. Становятся возможными проверка исправности системы управления, контроль и прогнозирование состояния сварочного оборудования, разработка и практическое использование в аппаратуре различных математических моделей процесса сварки. Применяя их, можно управлять процессом по обобщенному критерию качества, затрагивающему многие эксплуатационные характеристики изделия: механическую и технологическую прочность, коррозионную стойкость.

Функциональная схема адаптивной системы стабилизации обобщенного критерия качества сварки приведена на рисунок 5.15, где х — вектор входных возмущений (по технологическим параметрам изделия, электрическим параметрам сварочного контура, взаимному расположению электрода и стыка и т.д.); и — скалярное управление (по току и длине дуги, току и скорости сварки и др.); у — вектор выходной оценки качества сварки (заданная ширина обратного валика при сварке со сквозным проплавлением и др.); W_х*— изменяемая оценка (модель) передаточной функции управляющего устройства; у* — предсказанный по модели вектор выходной оценки качества, вычисляемый в блоке «Идентификатор».

Рисунок 5.15 – Функциональная схема адаптивной системы стабилизации обобщенного критерия качества сварки

Передаточная функция реального объекта (сварочной ванны) может быть представлена в виде двух передаточных функций — матричной W_x по каналам возмущений и скалярной W_uпо каналу управления. Звенья W_х* и W_pпредставляют собой регулятор.

Идентификатор (блок вычисления текущей модели объекта и требуемой модели регулятора на основе обработки входных и выходных данных реального объекта) за все время управления уточняет модель регулятора по каналам возмущений. По построенной модели объекта предсказывается у*, который поступает на вход управляющего устройства. На выходе W_рвырабатывается сигнал управления и, компенсирующий влияние возмущений.

В ряде случаев модель объекта W*_x может быть получена в режиме активной идентификации с использованием методов факторного анализа и в дальнейшем не требует уточнения в ходе технологичес­кого процесса. Процесс управления в этом случае можно вести по принципу эталонной модели без адаптации ее структуры.

Примером такой системы может служить САУ глубиной противления при сварке труб на станах аргонодуговой сварки с наружным оптическим датчиком температуры сварочной ванны (рисунок 5.16).

ЭМ — эталонная модель; БВО — блок вычисления ошибки; Р — регулятор; О — объект регулирования; b, b₃, b* — ширина обратного валика, его задан­ное значение и модельная оценка; Т_в — температура наружной поверхности сварочной ванны; Δb, ε — рассогласование и ошибка параметра b, x — вектор входных возмущений; и — сигнал управления

Рисунок 5.16 – Функциональная схема системы управления глубиной проплавления стыка с эталонной моделью