Разработка и исследование элементов системы управления сварочным инвертором с низкой чувствительностью к параметрическим изменениям Мишин Алексей Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Обзор существующих устройств и их основных звеньев 11

1.1 Понятие адаптации 11

1.2 Источники сварочной дуги 16

1.3 Человек как элемент системы автоматического управления 27

Выводы по главе 1 32

ГЛАВА 2. Анализ основных элементов и устройств системы 33

2.1 Сварочная дуга – природа, условия возникновения и существования, основные соотношения 33

2.2 Математическое описание и модель. Связь основных параметров дуги с внешними воздействиями 37

2.3 Источник сварочного тока – требования, варианты конструкции 43

2.4 Особенности работы высокочастотного трансформатора 49

2.5 Основание применения адаптивного регулятора. 61

Выводы по главе 2 66

ГЛАВА 3. Синтез системы управления инвертором тока 68

3.1 Синтез системы управления с низкой чувствительностью 68

3.2 Синтез системы с учетом оператора 75

3.3 Синтез структуры вычислителя параметров случайного сигнала 83

3.4 Синтез структуры адаптивного регулятора, алгоритм работы, конструкция, методика настройки 85

Выводы по главе 3 91

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования 92

4.1 Описание экспериментальной установки 92

4.2 Моделирование электродуговой сварки 103

4.3 Моделирование работы адаптивного регулятора 126

4.4 Сравнительный анализ результатов натурных экспериментов и моделирования 134

Выводы по главе 4 140

Заключение 141

Список литературы

• Человек как элемент системы автоматического управления
• Математическое описание и модель. Связь основных параметров дуги с внешними воздействиями
• Синтез системы с учетом оператора
• Моделирование работы адаптивного регулятора

Введение к работе

Актуальность работы. Сварочные инверторы положительно зарекомендовали себя среди потребителей. Хорошая управляемость, возможность работы в различных режимах, компактность, экономичность выгодно отличают их от классических сварочных устройств. Однако в работе с такими аппаратами требуются определенные навыки, отсутствие которых не исправляется качеством используемого оборудования.

Это связано с тем, что в процессе ручной электродуговой сварки человек является звеном технологического процесса – обеспечивает стабильность горения дуги (поддерживает длину дугового промежутка в допустимых пределах). Таким образом, человек оказывается включенным в контур управления и его параметры влияют на показатели сварки: производительность, качество шва и т.д.

В области теории и разработки сварочного электрооборудования (в том числе на основе инверторных схем) можно выделить работы следующих ученых: В.Г. Геворкяна¹, И.М. Готтлиба, Б.Е. Патона³, С.А. Эраносяна, Г.С. Зиновьева.

Ряд исследователей ^6,, с различных позиций рассматривали человека – оператора как звено системы автоматического управления. В этом случае динамические характеристики системы будут зависеть от его возможностей с точки зрения восприятия, переработки и использования поступившей информации. Усталость и другие причины негативно сказываются на психофизиологическом состоянии человека. Это отражается на его биологических функциях – изменение поведенческих способностей, торможение моторных функций и т.д. Поэтому можно считать, что ручная электродуговая сварка представляет систему с переменными параметрами.

Длина сварочной дуги, определяющая ток, мощность, качество шва и ряд других показателей технологического процесса, содержит случайную составляющую, которая зависит от оператора и состояния кромок свариваемых деталей. Кроме этого в процессе сварки могут изменяться параметры системы. Для сохранения качественных показателей в таких случаях используют адаптивные системы.

¹ Геворкян, В. Г. Основы сварочного дела : Учебник для строит. спец. техникумов / В. Г. Геворкян. – М. : Высш. шк., 1985. – 168 с.

² Готтлиб, И. М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы / И. М. Готтлиб ;
пер. с англ. под ред. С. А. Лужанского. – М. : Постмаркет, 2000. – 552 с.

³ Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет : К. В. Фролов (пред.) [и др.]. М. : Машиностроение. Оборудование для
сварки. Т. IV-6 / В. К. Лебедев [и др.] ; под. ред. Б. Е. Патона. 1999. – 496 с.

⁴ Эраносян, С.А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями / С. А. Эраносян. – Л. : Энергоатом-
издат. Ленигр. отд-ние, 1991. – 176 с.

⁵ Зиновьев, Г.С. Основы силовой электроники / Г. С. Зиновьев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. – 664 с.

⁶ Цибулевский, И. Е. Человек как звено следящей системы / И. Е. Цибулевский. – М. : Главная редакция физико-
математической литературы, 1981. – 288 с.

⁷ Абашин, В.Г. Автоматизация процесса определения психофизического состояния оператора автоматизированного
рабочего места в АСУТП : автореферат дис. ... канд. техн. наук ; Изд-во: Орел ГТУ, 2008. – 18 с.

⁸ Шишмарев, В.Ю. Теория автоматического управления: учебник для студ. учреждений высш. проф. Образования /
В.Ю. Шишмарев. – М. : издательский центр «Академия», 2012. – 312 с. – (сер. Бакалавриат).

Вопросами исследования адаптивных систем, математическим описанием и принципами их построения занимались такие исследователи как В.А. Бесекерский⁹, А.С. Клюев, А.А. Воронов, А.А. Красовский, Н.Д. Егупов, В.Г. Каширских, Л.А. Растригин, М.В. Никитина¹⁶, А.В. Мамонов, К.Ю. Мальчиков и многие др.

Все это усложняет создание эффективной системы управления сварочным инвертором. Задача может быть решена с помощью:

синтеза системы с низкой чувствительностью к параметрическим изменениям;

создания адаптивной системы управления. Это позволит улучшить характеристики процесса сварки, уменьшить количество

обрывов сварочной дуги и технологических коротких замыканий.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка элементов системы управления сварочными инверторами для снижения дисперсии сварочного тока и синтеза системы управления с учетом человека-оператора как звена системы.

Задачи научного исследования:

1. Провести анализ существующих систем управления и методов построения ин-верторных систем, в том числе и систем с низкой чувствительностью.

2. Определить пути снижения чувствительности к параметрическим изменениям с сохранением основных качественных характеристик за счет более полного использования информации о процессе и звеньях системы.

3. Разработать элементы системы управления, а именно: вычислитель параметров случайного сигнала и адаптивный регулятор.

4. Провести синтез системы управления процессом сварки с низкой чувствительностью к параметрическим изменениям.

⁹ Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. – изд. 4-е, перераб.
и доп. – СПб. : Изд-во «Профессия», 2004. – 752 с. – (Серия: Специалист).

¹⁰ Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие / под ред. А.С. Клюе
ва. – изд. 2-е перераб. и доп. – М. : Энергоатомиздат, 1989. – 368 с.

¹¹ Теория автоматического управления: Учеб. для вузов для спец. «Автоматика и телемеханика». В 2-х ч. Ч. II. Теория
нелинейных и специальных систем автоматического управления / А. А. Воронов, Д. П. Ким, В. М. Лохин и др.; под
ред. А. А. Воронова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Высш. шк., 1986 – 504 с.

¹² Красовский, А. А. Основы автоматики и технической кибернетики / А. А. Красовский, Г. С. Поспелов. – М. : Гос-
энергоиздат, 1962. – 600 с.

¹³ Методы классической и современной теории автоматического управления: учебник в 3-х т. / под ред. Н. Д. Егупова. - М. :
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана.

¹⁴ Каширских, В. Г. Теория автоматического управления : В 2 ч. Ч. 2. Нелинейные и специальные системы : Учеб. по
собие / В. Г. Каширских. – Кемерово, 2004. – 98 с.

¹⁵ Растригин, Л.А. Системы экстремального управления / Л. А. Растригин. – М. : Изд-во «Наука», 1974. – 632 с.

¹⁶ Никитина, М.В. Импульсные усилительно-преобразовательные устройства в адаптивных системах управления : дис.
… канд. техн. наук : 05.13.05 / М. В. Никитина ; Санкт-Петерб. гос. ун-т информационных технологий, механики и
оптики. – СПб., 2006 – 170 с.

¹⁷ Мамонов, А. В. Устройства для построения помехозащищенных контуров управления объектами с запаздыванием :
дис. … канд. техн. наук : 05.13.05 / А. В. Мамонов ; Харьковский политехн. ин-т. – Харьков, 1984 – 218 с.

¹⁸ Мальчиков, К. Ю. Расширение динамического диапазона датчиков встроенного контроля параметров дисперсной
фазы рабочей жидкости : дис. … канд. техн. наук : 05.13.05 / К. Ю. Мальчиков; Самарский гос. аэрокосм. ун-т им.
акад. С.П. Королева. – Самара, 2009 – 130 с.

Научная новизна работы заключается в следующем:

5. Предложено использовать упреждающую коррекцию в системе управления сварочным инвертором для снижения чувствительности к вариациям параметров объекта;

6. Предложено использовать адаптивный регулятор в системе с целью снижения дисперсии сварочного тока;

7. Разработана модель системы управления процессом сварки, учитывающая влияние человека-оператора как звена системы автоматического регулирования.

Основные положения, выносимые на защиту следующие:

8. Модель системы управления сварочным инвертором, включающая новые элементы – упреждающую коррекцию и адаптивный регулятор в контуре регулирования, позволяющие снизить чувствительность системы к параметрическим изменениям и влияние человека-оператора на ее динамику.

9. Результаты синтеза новых элементов системы управления сварочным инвертором (вычислителя параметров случайного сигнала, адаптивного регулятора тока), обеспечивающих его более высокие технические показатели.

10. Результаты теоретических исследований и моделирования системы управления сварочным инвертором, включающей новые элементы, показывающие ее низкую чувствительность к параметрическим изменениям при влиянии случайных сигналов.

11. Сравнительный анализ результатов моделирования процесса сварки с результатами экспериментальных исследований на макете, подтверждающий их согласованность и достижение более высоких технических показателей – снижение дисперсии сварочного тока в пределах 3035 %.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

12. Разработана новая структурная схема системы управления сварочным инвертором.

13. Разработаны элементы системы управления, а именно вычислитель параметров случайного сигнала и адаптивный регулятор тока.

14. Снижена дисперсия сварочного тока, что обеспечивает более высокое качество технологического процесса, снижение энергопотребление, снижение количества обрывов дуги и технологических коротких замыканий, стабильность работы сварочных инверторов.

Методы исследования заключаются в использовании математического моделирования с применением ЭВМ, применении аппарата интегрального и дифференциального исчисления, теории электродуговых процессов. Анализ системы проведен на ЭВМ с применением программного комплекса МВТУ 4.0.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих НТК:

Международная научно-технической конференция «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах», г. Севастополь, 2012 г.;

VII Международная (XVIII Всероссийская) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012», г. Иваново, 2012 г.;

XVII Всеукраинская студенческая научно-техническая конференция «Электротехнические и электромеханические системы», г. Севастополь, 2013 г.;

VIII Международная (XIX Всероссийская) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2014», г. Саранск, 2014 г.;

ХХ Крымская студенческая научно-техническая конференция «Электротехнические и электромеханические системы», г. Севастополь, 2015 г.;

молодежные инновационные форумы приволжского федерального округа, г. Ульяновск, 2009-2011 г.;

внутривузовские научно-технические конференции УлГТУ, г. Ульяновск, 2009-2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, включая 5 статей из перечня ВАК, 1 патент на полезную модель, 2 патента на изобретение, 2 свидетельства о регистрации программно-информационного продукта.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы, включающего 123 наименования, заключения и приложения. Общий объем диссертации 159 страниц машинописного текста, включающего 85 рисунков и 19 таблиц.

Человек как элемент системы автоматического управления

Адаптивные системы могут применяться для работы в условиях с изменяющимися в широких пределах внешними возмущающими воздействиями и наличие объекта с переменными или неизвестными параметрами. В последнем случае блок адаптации может использоваться в системе только для настройки ее управляющего устройства.

Блок адаптации играет роль внешнего управляющего устройства основной системы, состоящей из объекта управления (ОУ) и управляющего устройства (УУ), связанных отрицательной обратной связью. При этом блок адаптации воздействует на основное управляющее устройство, изменяя его оператор. Сигнал на выходе блока адаптации формируется в результате вычислительной процедуры, определяющей отклонение текущего значения критерия качества, получаемого на основе измеренных значений величин G, U, У, F, от его заданного значения, и воздействует на управляющее устройство таким образом, чтобы устранить это отклонение [98-101].

В настоящее время адаптивные системы делятся на следующие виды [48]: системы с адаптацией в особых фазовых состояниях, самонастраивающиеся системы и обучающиеся системы.

Класс самонастраивающихся (экстремальных) систем автоматического управления [17-19] имеет широкое распространение за счет достаточно простой технической реализации. Системы такого рода характеризуется тем, что ряд объектов управления обладают экстремальными зависимостями (минимум или максимум) рабочего параметра от управляющих воздействий. В общем можно сказать, что существует экстремум, а при каких значениях управляющего воздействия он достигается – неизвестно. Здесь система автоматического управления должна формировать управляющее воздействие, которое приводит объект в экстремальное положение, и удерживать его в этом состоянии. Управляющее устройство при этом является экстремальным регулятором.

На практике большое распространение получила структура самонастраивающихся САУ с эталонной моделью, которая имеет динамические характеристики, являющиеся эталонными для настраиваемой под нее системы [62-64].

Зависимость J(Z) для трех последовательных моментов времени показана на рисунке 1.2 в виде кривых 1, 2, 3. Изменение свойств объекта управления вызывает смещение экстремума J, и система самонастройки изменяет значение настроечного параметра Z таким образом, чтобы критерий J снова стремился к экстремуму.

Среди самонастраивающихся САУ существуют беспоисковые или аналитические самонастраивающиеся САУ, работа которых основана на знании и использовании оператора объекта управления. Определение оптимальной настройки системы в этом случае производится аналитически. В случае изменяющегося в процессе работы оператора объекта управления необходимо предварительно производить оперативную идентификацию объекта, т.е. определение его оператора (например, с помощью пробных сигналов) в реальном времени. J

Под реальным временем имеется ввиду то, что продолжительность процесса идентификации позволяет отслеживать требуемое изменение контролируемых параметров объекта. Поиск оптимальной настройки может также осуществляться на модели, и найденная настройка затем переносится на основную часть САУ.

Адаптивные системы, в которых при адаптации происходит изменение структуры управляющего устройства, называются самоорганизующимися [62-64]. В таких системах сигнал Z дискретный и каждому его значению соответствует определенный оператор УУ. Изменение структуры УУ может осуществляться релейными элементами, включающими различные корректирующие звенья по сигналам блока адаптации.

Наибольший эффект достигается в системах, которые сочетают качества самонастраивающихся и самоорганизующихся систем, а к наивысшему уровню управляемых систем относятся самообучающиеся адаптивные системы, в которых могут реализовываться процессы самоусовершенствования алгоритма работы, а так же критерия качества управления. 1.2 Источники сварочной дуги

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы [46].

Вопросами сварки занимались такие учены как Н.Н. Бенардос, Н.Г. Славя-нов, Б.Е. Патон, В.П. Никитин, К.К. Хренов, Н.Н. Рыкалин, Г.А. Николаев и многие другие.

Физическая сущность сварочного процесса состоит в получении на поверхностях соединяемых металлов прочные молекулярные связи.

По физическим принципам все существующие виды сварки принято классифицировать следующим образом: термический, термомеханический и механический классы.

К термическому классу относятся те виды сварки, которые осуществляются плавлением с использованием тепловой энергии (плазменная, электроннолучевая, дуговая, лазерная, электрошлаковая, газовая и др.) [81].

Дуга – мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла, покрытий, флюса. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги чаще всего можно разделить на три этапа [81]: - короткое замыкание электрода на заготовку; - отвод электрода на расстояние 3-6 мм; - возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание выполняется для разогрева торца электрода и заготовки в зоне контакта с электродом. После отвода электрода с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду элек 17 тронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации. По мере разогрева столба дуги и повышение кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда [2, 4, 14, 34].

Источником тепла при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки [5, 20, 22, 44]: а) сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом, дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла, либо с применением присадочного металла. б) сварка плавящимся (металлическим) электродом, дугой прямого дейст вия, с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом. в) сварка косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящи мися электродами – основной металл нагревается и расплавляется теплотой стол ба дуги. г) сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

Математическое описание и модель. Связь основных параметров дуги с внешними воздействиями

Сварочная дуга (дуговой разряд) является основным звеном рассматриваемой системы и представляет собой длительный электрический разряд, происходящий при атмосферном давлении в газовом промежутке между двумя электродами [22].

Впервые дуговой разряд был описан В.В. Петровым в 1802 г. Дуговые разряды широко используются в различных областях – они могут быть источниками света, в специальных лампах сверхвысокого давления СВД, использоваться в газотронах, тиратронах и т.д. Особенно широкое применение электрическая дуга получила в металлургии и сварочной технике для нагрева и плавления металлов.

В большинстве видов и способах сварки чаще всего используется дуга прямого действия (рисунок 2.1, а), горящая между электродами, одним из которых является стержень (металлический или угольный), а другим – свариваемый металл [22, 52].

Дуга косвенного действия (рисунок 2.1, б) образуется между двумя электродами (угольными или вольфрамовыми), расположенными под углом друг к другу. Эта дуга менее удобна для сварки и поэтому используется только при некоторых способах сварки, например при атомно-водородной сварке применяют дугу косвенного действия, горящую в атмосфере водорода между двумя вольфрамовыми электродами [20, 22, 52].

Схема дуги прямого действия постоянного тока, горящей между металлическим электродом 1 и свариваемым металлом 4, показана на рисунке 2.1, а. Дуга состоит из столба 3, основание которого расположено в углублении (кратере) 7, образующемся на поверхности ванны 6 расплавленного металла. Столб дуги имеет цилиндрическую или слегка коническую форму. Верхняя часть столба соприкасается с сильно раскаленной поверхностью электрода 1 в области 8, называемой катодным пятном. Основание столба расположено на свариваемом металле и ограничивается областью 5, называемой анодным пятном [22].

В столбе сосредоточено основное количество энергии дуги, вследствие этого в его осевой части расположена зона наиболее высоких температур, достигающих значений 55007800 C. Чем выше плотность тока в дуге, тем выше температура ее столба. Снаружи столб окружен ореолом пламени 2 из нагретых паров и газов, имеющих более низкую температуру [22].

Процесс возникновения дуги при сварке можно описать следующим образом [22]: при касании концом электрода свариваемого металла происходит короткое замыкание сварочной цепи (рисунок 2.2, а). Ток мгновенно расплавляет электрод и свариваемый металл, вследствие чего между электродом и металлом образуется прослойка жидкого металла (рисунок 2.2, б). В следующий момент времени сварщик несколько отводит электрод, и в жидком металле образуется шейка (рисунок 2.2, в), где плотность тока и температура металла возрастают. Затем вследствие испарения расплавленного металла шейка разрывается, и в ионизированном промежутке газов и паров между электродом и металлом образуется сварочная дуга (рисунок 2.2, г).

Термо- и автоэлектронная эмиссия электронов катодом создает условия для дальнейшего устойчивого горения дуги при токе и напряжении сварочной цепи [22].

Схема возникновения дуги между металлическим электродом и металлом: а – короткое замыкание, б – образование прослойки из жидкого металла, в – образование шейки, г – возникновение дуги, 1 – электрод, 2 – металл, 3 – дуга Напряжение дуги – напряжение между свариваемым металлом и электродом, зависящее от длины дуги. Чем короче дуга, тем более низкий уровень напряжения при постоянном (неизменном) токе дуги. Это объясняется следующим образом: при достаточно длинной дуге имеет место большое сопротивление газового промежутка, т.е. с ростом сопротивления газового промежутка должно расти напряжение для того, чтобы обеспечить постоянство тока в этой цепи.

Электрическая дуга как элемент цепи тока обладает ярко выраженной нелинейностью, т.е. между ее током / и напряжением [/нет пропорциональной связи. Зависимости U=f(I) при прочих неизменных условиях для таких элементов изображаются в виде кривых - вольт-амперных характеристик. Обычно с изменени 37 ем тока меняются скорости струй паров, истекающих из активных пятен электродов, расположение пятен на поверхности последних, размеры областей столба, затененных электродами от воздействия струй защитных газов, давление газа в полости закрытых дуг и т.д. Поэтому в чистом виде зависимости Uд = f (Iд) для сварочных дуг построить практически не удается.

Наиболее простой зависимостью Uд от Iд характеризуются свободные дуги с неплавящимися электродами. Как показывают многочисленные измерения [28, 52], эти зависимости являются падающими (рисунок 2.4).

Характерной особенностью дуги, отличающей ее от других видов разряда, является то обстоятельство, что нескомпенсированные пространственные заряды сосредоточены в приэлектродных областях – у катода положительный, у анода отрицательный. Поступление зарядов в столб дуги обеспечивается эмиссией электронов с катода и процессами ионизации в промежутке.

Плавка металла осуществляется за счет энергии электрической дуги. Регулирование электрического режима осуществляется изменением длины дуги посредством перемещения электрода и регулирования тока. Из-за наличия в при-электродных областях пространственных зарядов возникают приэлектродные падения потенциала. Приэлектродные процессы вызывают неравномерное распре 38 деление потенциала по длине дуги. Из-за небольшой протяженности приэлек-тродных областей катодное и анодное падения потенциала могут быть представлены в виде скачков напряжения. Ввиду отсутствия в столбе дуги нескомпенсиро-ванных объемных зарядов напряжение по длине столба меняется монотонно примерно по линейному закону [31-33].

Синтез системы с учетом оператора

Анализ основных звеньев сварочного процесса показывает, что система является существенно нелинейной из-за особенностей существования (горения) дуги. Это приводит к возникновению технологических коротких замыканий и обрывов дуги. Кроме того участие человека в процессе сварки вносит случайную со 67 ставляющую и неопределенность в рассматриваемую систему. Применение высокочастотного инвертора требует учета ряда зависимостей усложняющих его описание.

Эффективность сварочного процесса в основном определяется стабильностью горения сварочной дуги. Поэтому для уменьшения дисперсии силового тока, снижающей КПД, необходимо использовать различные пути: - выполнить синтез системы с низкой чувствительностью; - учесть оператора в работе системы; - создать адаптивную систему, минимизирующую дисперсию силового тока.

В настоящее время все большую долю рынка сварочного оборудования занимают устройства на основе инверторов, благодаря высокой энергоэффективности, функциональности, улучшенных весогабаритных показателей и других характеристик.

При модернизации и создании нового электрооборудования актуальными являются вопросы энергоэффективности и компактности. Поскольку работа инвертора часто происходит при резком колебании тока нагрузки в широком диапазоне, то современные устройства на основе инверторов тока являются достаточно сложными с возможностью регулирования режимов работы. Поэтому основное внимание при синтезе и анализе устройств на основе инвертора целесообразно уделить возможности регулирования режимов работы, а так же построения систем управления с низкой чувствительностью к колебаниям нагрузки.

Функциональная схема устройства на основе инвертора тока, а так же сравнение различных вариантов построения инверторных схем, работа силового трансформатора с выводом передаточных функций приведены в параграфе 2.3.

Для полного контроля выходных параметров устройства используются датчики тока (ДТ) и напряжения (ДН) с гальваническим или потенциальным разделением входных и выходных сигналов. Регуляторы координат позволяют формировать требуемую выходную вольтамперную характеристику. Для широтно-импульсной модуляции используется контроллер с настраиваемой временной задержкой между сигналами верхних и нижних ключей. В некоторых схемах изменяется частота модуляции.

Структурная схема системы, где Wрт – передаточная функция регулятора тока; Wрн – передаточная функция регулятора напряжения; Wпр – передаточная функция преобразователя; Wтр – передаточная функция трансформатора; Wоб – передаточная функция модели дуги в номинальном режиме; Wмод – передаточная функция модели дуги; Kосн – коэффициент передачи датчика напряжения; Kост – коэффициент передачи датчика тока; коэффициент дифференциального сигнала. V Проведем анализ чувствительности инверторной схемы к параметрическим возмущениям, в частности к колебаниям сопротивления нагрузки. Для снижения чувствительности схемы к изменениям параметров объекта целесообразнее всего использовать упреждающую коррекцию.

Включение преобразователя снижает жесткость выходных характеристик, особенно на малых токах нагрузки. Для повышения жесткости в схеме введена обратная связь по напряжению. Проведем расчет регулятора напряжения системы WРН(p).

Выходное напряжение трансформатора выпрямляется, вследствие чего его передаточная функция принимает вид: w . KНАГ(TтрlP + l)KТР где Wпр=Kпр - передаточная функция преобразователя на основе полумостовой инверторной схемы, Косн - коэффициент обратной связи по напряжению. С учетом того, что при работе RH R2 (R2 - сопротивление вторичной обмотки трансформатора), получаем передаточную функцию контура напряжения

Для получения требуемой внешней характеристики устройства введем обратную связь по току нагрузки и настроим контур тока так же на технический оптимум. Передаточная функция замкнутого контура тока WKT (р) принимает вид WKT(p) , ] КСТ , (3.4) 2аТ р2+2аТнр + 1 где a = RH/RHPAC. Проведем анализ выражения (3.3) по чувствительности показателя колебательности М к а. Выражение для показателя колебательности следующее [98, 104] М- Л , (3.5) А(со = 0) где А(а)Р) - значение амплитудной характеристики системы на резонансной частоте. Для системы, настраиваемой на технический оптимум, передаточная функция будет иметь вид (3.3). Приведем ее к нормированной форме записи [50]

Из выражения (3.12) видно, что значение колебательности М изменяется в широких пределах в зависимости от а. Для устранения этого недостатка используем упреждающую коррекцию [9, 10]. Формирование корректирующего сигнала показано на рисунке 3.1. Сигнал с датчика напряжения поступает на звено модели 1МОД (р), параметры которого выбираются из условия WМОД(p) = WОБ(p)НОМ, (3.13) где WОБ(р)НОМ - передаточная функция объекта в номинальном режиме. Для рассматриваемого случая WМОД(p)= 7 R HPAC . (3.14) рТРАс+1 Сигнал с выхода звена модели сравнивается с сигналом обратной связи по току, в результате чего формируется дифференциальный сигнал, который с коэффициентом у поступает на регулятор тока. Упрощенная передаточная функция замкнутого контура тока с упреждающей коррекцией WКТУ(p) имеет вид

Моделирование работы адаптивного регулятора

В соответствии с формулой дисперсии необходимо исключить постоянную составляющую во входном сигнале, что выполняется с помощью реального звена дифференцирования с параметрами Кд, Тд [33]. На следующем этапе полученный переменный сигнал выпрямляется и сглаживается фильтром с параметрами Кф, Тф.

Сигнал с блока определения уровня дисперсии поступает на вход адаптивного регулятора (рисунок 3.13). Адаптивный регулятор состоит из следующих элементов: звена выборки-хранения, запоминающего уровень входного сигнала дисперсии, схемы запуска, генератора тактовых импульсов, компаратора, реверсивного счетчика, делителя и двух сумматоров. При отсутствии /д сигнал Uдис=0 и схема запуска удерживает адаптивный регулятор в состоянии Т]=Т10, Т2=Т2о, где Т10 и Т20 начальные значения постоянных времени регулятора, заданные в середине диапазона регулирования, что позволяет изменять их в сторону уменьшения или увеличения. При появлении тока /д сигнал Uдис0, срабатывает схема запуска, которая включает в работу генератор тактовых импульсов. Звено выборки хранения обеспечивает временную задержку сигнала, поэтому на вход компаратора поступают дисперсии текущего (Ь) и предшествующего (а) такта. На выходе компаратора формируются два сигнала, условно (+) и (-) в зависимости от соотношения дисперсий на контролируемых тактах. Это позволяет управлять реверсивным счетчиком [78].

Выход счетчика коммутируется сигналом делителя импульсов. По этому первые n тактов реверсивного счетчика управляют изменением (настройкой) постоянной времени Т1, последующие m тактов – настройкой постоянной времени T2. Затем цикл повторяется. Это позволяет выполнить (реализовать) непрерывную адаптивную схемы по текущим значениям дисперсии. Алгоритм работы адаптивного регулятора представлен на рисунке 3.14.

Данный алгоритм может быть реализован при помощи использования микроконтроллера ATmega8535.

Согласно описанию, приведенному в документации, ATmega8535 является КМОП 8-битным микроконтроллером, построенным на расширенной AVR RISC архитектуре. Используя команды, исполняемые за один машинный такт, контроллер достигает производительности в 1 MIPS на рабочей частоте 1 МГц, что позволяет разработчику эффективно оптимизировать потребление энергии за счт выбора оптимальной производительности.

AVR ядро сочетает расширенный набор команд с 32 рабочими регистрами общего назначения. Все 32 регистра соединены с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам на время исполнения команды за один машинный такт. Благодаря выбранной архитектуре достигнута наивысшая скорость кода и соответственно высокая производительность в 10 раз превосходящая скорость соответствующего CISC микроконтроллера. Начало

Алгоритм снижения уровня дисперсии На рисунке 3.15 приведена принципиальная схема адаптивного регулятора, выполненного на микроконтроллере ATmega8535. На вход (40) микроконтроллера поступает сигнал с датчика тока дуги, на вход (39) поступает сигнал задания тока с сопротивления R6. После вычисления адаптации сигналы поступают на порт В (1-8) и порт С (22-29). Контроллер обеспечивает адаптацию по двум параметрам, поэтому используется два порта. С портов В и С сигналы поступают на ЦАП1 и ЦАП2. аналоговые сигналы с них поступают через R1 и R2 на вход сумматора, выполненного на операционном усилителе. С помощью R3 и R5 обеспечивается балансировка схемы. Сопротивления R4 обеспечивают фильтрацию пульсаций при работе ЦАП.

Листинг программы адаптивного регулятора представлен в приложении 1. Разработанная программа оптимизации предназначена для вычисления сигнала оптимизации в контуре поиска экстремума (минимума) дисперсии сварочного тока [90, 91]. Она содержит следующие модули: - вычислителя текущего значения дисперсии (МВТД); - управления поиском экстремума (МУП); - настройки управляемого параметра (МНП); - изменение управляемого параметра (МИП).

МВТД определяет текущее значение дисперсии. Сигнал с датчика сварочного тока поступает на АЦП. В процессе вычисления определяется его производная с последующим усреднением за интервал времени вычисления. Полученное значение запоминается, и цикл вычисления повторяется. В МУП сравниваются значения сигналов двух тактов работы МВТД. Если новое значение дисперсии выше предшествующего, то формируется сигнал «1», если ниже, то «0». МНП изменяет управляемый параметр в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от сигналов поступающих с МУП. Настройка одного параметра проходит в пределах десяти тактов. После этого МИП изменяет настраиваемый параметр на другой, и следующие десять тактов происходит его настройка. За тем МИП возвращает схему к настройке предыдущего параметра и так далее.