專利名稱：焊管溫度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊管溫度控制系統(tǒng)。
包括直縫焊管和螺旋焊管的焊接溫度可采用焊接功率或焊接速度來控制。焊接功率控制方案，設(shè)備復(fù)雜，投資大。采用焊接速度控制方案投資少，易于實現(xiàn)，特別適合我國國情。1989年12期《冶金自動化》(中國)雜志所刊登的《高頻焊管的微機恒溫控制系統(tǒng)》，采用優(yōu)化曲線來構(gòu)造控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接溫度不易調(diào)整和穩(wěn)定，系統(tǒng)的適應(yīng)能力低，其原因在于沒有解決焊接過程的數(shù)學(xué)模型，穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方法，目前生產(chǎn)上人們大量采用手動調(diào)節(jié)焊接速度來控制焊接溫度，嚴重影響焊管的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)效益。
本發(fā)明的目的是在焊接過程控制機理及由其建立的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提供一種由焊接速度控制焊接溫度的溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)及該系統(tǒng)的溫度校正參數(shù)，使焊接過程實現(xiàn)穩(wěn)定的自動控制。
一個由焊接速度來控制焊接溫度的控制系統(tǒng)，通常由三個閉環(huán)構(gòu)成，溫度環(huán)為外環(huán)，中環(huán)為速度環(huán)或焊管拖動電機電壓環(huán)，拖動電機的電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，構(gòu)成串級控制。還可以輔以高頻焊接電流的前饋補償調(diào)節(jié)和手動切換電路。本發(fā)明提供的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計為在所述的串級控制系統(tǒng)的中環(huán)或外環(huán)的通道中設(shè)有倒數(shù)或近似倒數(shù)函數(shù)處理器。
所述系統(tǒng)的外環(huán)溫度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)還需設(shè)有PI串聯(lián)校正，其積分常數(shù)TI和比例系數(shù)KP按以下經(jīng)驗公式選擇TI＝ (h)/(ωcn)KP= ((h+1)αnvωcn)/(2hαTKT) r式中h-中頻寬，ωcn-中環(huán)截止角頻率，αnv-焊接速度與其反饋量的變換系數(shù)，αT-焊接溫度與其反饋量的變換系數(shù)，r-修正系數(shù)，KT= (K)/(V1) e (V1)/(V2-V1) lnV2V1V2-焊接速度上限，V1-焊接速度下限，K-焊接機理公式T= (η·I2·ρ)/(4α·Cr·h02) (e (4αL1)/(△2V) -1)按臺勞級數(shù)展開后一次項的系數(shù)，即K= (η·I2·ρ·L1)/(△2·Cr·h02)
式中α-溫度擴散率，L1-加熱區(qū)長度，V-焊接速度，△-電流滲透深度，Cr-熱容量η-效率ρ-電阻率，h0-I/i0i0-表面電流密度，I-焊接電流這一環(huán)節(jié)可以采用PI或PID溫度調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，還可以用計算機程序?qū)崿F(xiàn)。
中環(huán)(即速度環(huán)或電壓環(huán))應(yīng)具有典Ⅰ特性，才能保證整個控制系統(tǒng)的抗擾性能和動態(tài)穩(wěn)定性，當(dāng)中環(huán)其響應(yīng)近似為典Ⅰ或按典Ⅰ校正時，其閉環(huán)等效為一階慣性。其閉環(huán)等效傳函為
S-拉氏算子當(dāng)中環(huán)按典型Ⅱ型校正，不能直接轉(zhuǎn)化為典Ⅰ，因此需要在中環(huán)的速度調(diào)節(jié)器中加入微分并聯(lián)校正，采用PID調(diào)節(jié)，由于截止角頻率ωcn校正為ωcn＝ (h+1)/(2h·T∑n)T∑n-中環(huán)等效小時間常數(shù)所以閉環(huán)后等效傳函
倒數(shù)函數(shù)處理在自控系統(tǒng)的具體設(shè)置方案主要有以下幾種1、將倒數(shù)或近似倒數(shù)處理器串接于外環(huán)主通道;
2、將2個倒數(shù)或近似倒數(shù)處理器分別串接于中環(huán)主通道和反饋通道;
3、將2個倒數(shù)或近似倒數(shù)處理器分別串接于溫度設(shè)定通道和外環(huán)反饋通道。
在所述串接通道內(nèi)，倒數(shù)處理器的設(shè)置位置可以與其他部件互換，如設(shè)在外環(huán)主通道中的倒數(shù)處理器可與溫度調(diào)節(jié)器互換。
所述倒數(shù)處理器可采用除法器如集成電路除法器或除法電路，還可以采用恒值電壓與正斜率函數(shù)發(fā)生電路反相疊加所構(gòu)造的近似倒數(shù)函數(shù)處理電路。
另一種方案是在外環(huán)中設(shè)置微機控制系統(tǒng)，包括溫度設(shè)定值和反饋值采樣，溫度調(diào)節(jié)PID運算程序和除法程序以及輸出信號的D/A轉(zhuǎn)換，溫度設(shè)定值采樣和反饋值采樣器分別設(shè)在溫度設(shè)定值和溫度檢測器輸出端，該系統(tǒng)輸出信號加至中環(huán)疊加點。
這一自控系統(tǒng)的主要設(shè)計依據(jù)在于焊接溫度與焊接速度之間的關(guān)系可由機理公式T= (ηI2ρ)/(4αCrh02) (e (4αL1)/(△2V) -1)(1)表達，式(1)經(jīng)臺勞級數(shù)展開并作近似處理后可得T=K/VK= (ηI2ρL1)/(Crh02△2) (2)式(2)說明焊接溫度與焊接速度之間為倒數(shù)關(guān)系。為得到低階傳遞函數(shù)，可由指數(shù)曲線T=KTe-TTV----------------------------------------------(3)式中TT(lnV2/V1)/(V2-V1)KT= (K)/(V1) e (V1)/(V2-V1) lnv2/v1來近似倒數(shù)曲線(2)，采用這一指數(shù)建模法，不但適應(yīng)控制系統(tǒng)需要，而且精度較高。
根據(jù)式(3)，可得在高頻電流恒定條件下，焊接溫度與焊接速度間的傳遞函數(shù)(T(S))/(V(S)) = (KT)/(S+TT) -----------------(4)為一階慣性環(huán)節(jié)，進一步將此慣性環(huán)節(jié)簡化為積分環(huán)節(jié)(T(S))/(V(S)) = (KT)/(S) -------------------(5)
本發(fā)明的技術(shù)進步實質(zhì)性特點在于1、在上述焊接過程控制機理和數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上提出了溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和溫度調(diào)節(jié)的參數(shù)選擇，2、這一溫度控制系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性良好，抗擾能力強，易于調(diào)整，3、結(jié)構(gòu)簡單，投資少，較焊接功率控制裝置單臺成本可節(jié)省5-10萬元。
下面就附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。


圖1是本發(fā)明一種典型系統(tǒng)框圖。
圖2和圖3是倒數(shù)處理器另外兩種設(shè)置方案。
圖4是采用正斜率曲線構(gòu)造近似倒數(shù)曲線的倒數(shù)處理器電路框圖。
圖5是圖4的一種電路圖。
圖6是外環(huán)的微機控制系統(tǒng)框圖。
圖7是微機控制系統(tǒng)的PID運算程序。
圖8是一種手動切換電路圖。
圖1中電流調(diào)節(jié)器1和電流反饋電路2構(gòu)成拖動電機3的控制內(nèi)環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器4和電壓反饋電路5構(gòu)成控制中環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器4向內(nèi)環(huán)疊加點6輸送電流設(shè)定值U1。外環(huán)主通道中溫度調(diào)節(jié)器7和除法器8串接，向中環(huán)疊加點9輸送電壓(或速度)設(shè)定值U2，溫度檢測器10采集焊管溫度信號Tf，向外環(huán)疊加點11輸送負反饋信號，溫度設(shè)定器12向外環(huán)疊加點11輸送溫度設(shè)定值U3，所述除法器8還具有一個可調(diào)恒值信號輸入端A。溫度調(diào)節(jié)器7采用PI或PID調(diào)節(jié)，其積分常數(shù)和比例系數(shù)按所述公式選擇，TI可取0.1-1秒，KP可取1-50倍。中環(huán)若按其典型Ⅱ校正時，速度調(diào)節(jié)器4應(yīng)采用PID并聯(lián)校正。
這一三環(huán)串級控制系統(tǒng)還可輔以高頻電流的前饋補償調(diào)節(jié)，使高頻電流變化時能較快地調(diào)節(jié)焊接速度，并能補償高頻電流對焊接過程傳遞函數(shù)參數(shù)的影響。方法是采用一個PD調(diào)節(jié)器13作為前饋補償調(diào)節(jié)器，直接或間接采集的焊接電信號B輸入該調(diào)節(jié)器13，經(jīng)PD調(diào)節(jié)后向中環(huán)疊加點9輸送補償信號U4。
圖2中兩個倒數(shù)處理器14、15分別設(shè)在中環(huán)主通道和反饋通道之中，圖3中兩個倒處理器14、15分別設(shè)在溫度設(shè)定器12和溫度檢測器10至外環(huán)疊加點11之間。以上兩個方案均能起到溫度控制信號的倒數(shù)轉(zhuǎn)換。
上述除法器或倒數(shù)處理器還可采用正斜率曲線發(fā)生器來實現(xiàn)，如圖4所示，一個正斜率曲線發(fā)生電路16與恒值電壓C反相疊加，得到近似倒數(shù)關(guān)系變換。
圖5給出圖4一個實施例，運算放大器LM與電阻、二極管組成的反饋網(wǎng)絡(luò)17構(gòu)成一個由若干折線形成的正斜率曲線發(fā)生器，電路18和19分別調(diào)節(jié)該曲線的下限和上限，恒值電壓發(fā)生電路20輸出的恒值電壓信號與運放器LM輸出的正斜率曲線信號反相疊加，得到近似倒數(shù)關(guān)系變換，變換后的信號加至速度調(diào)節(jié)運放器ST的反相輸入端E。D端接溫度調(diào)節(jié)器輸出端。
外環(huán)的溫度調(diào)節(jié)和倒數(shù)轉(zhuǎn)換還可用微機實現(xiàn)，如圖6所示。微系統(tǒng)21設(shè)有溫度設(shè)定r(e)采樣器22和反饋值Y(e)采樣器23，分別從溫度設(shè)定器12和溫度檢測器10采樣，然后進行溫度調(diào)節(jié)的PID運算和除法處理，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，向拖動控制級輸出速度設(shè)定值信號U2。
圖7為微機系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)PID程序框圖，采樣后可獲得誤差量e(K)和△e(K)，然后計算溫度調(diào)節(jié)的比例，積分和微分量KP、KI和KD，可得到控制量△U(K)和U(K)。將控制量U(K)經(jīng)除法程序處理后，得到倒數(shù)關(guān)系變換，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換再用于拖動系統(tǒng)控制。
圖8為手動切換部分電路圖，在速度調(diào)節(jié)器ST的輸入通道中加入切換電路24，該電路設(shè)有速度給定值積分器25，經(jīng)常閉開關(guān)KⅡ接速度調(diào)節(jié)器ST輸入端，來自外環(huán)的速度設(shè)定值U2和焊接電流前饋外償信號U4則經(jīng)常開開關(guān)KⅠ接速度調(diào)節(jié)器ST輸入端，改變聯(lián)動開關(guān)KⅠ-KⅡ的狀態(tài)，即可使系統(tǒng)處于自動或手動控制狀態(tài)。手動控溫在倒車檢修時是十分需要的。
權(quán)利要求
1.一種焊管溫度控制系統(tǒng)，包括三個串級閉環(huán)控制，一個拖動電機電流控制內(nèi)環(huán)，一個拖動電機電壓控制中環(huán)和一個溫度外環(huán)；外環(huán)反饋回路設(shè)有焊管溫度檢測器，一個溫度設(shè)定器向外環(huán)輸出溫度設(shè)定信號；其特征是在所述外環(huán)或中環(huán)的通道中設(shè)有倒數(shù)或近似倒數(shù)函數(shù)處理器。
2.按權(quán)利要求1所述的焊管溫度控制系統(tǒng)，其特征是所述的外環(huán)的溫度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)設(shè)有比例積分校正，其積分常數(shù)TI和比例系數(shù)KP按以下公式選擇TI＝ (h)/(ωcn)KP= ((h+1)αnvωcn)/(2hαTKT) r
3.按權(quán)利要求2所述的焊管溫度控制系統(tǒng)，其特征是當(dāng)所述中環(huán)按典型Ⅱ型校正時，其速度調(diào)節(jié)器中加入微分并聯(lián)校正。
4.按權(quán)利要求2或3所述的焊管溫度控制系統(tǒng)，其特征是所述的倒數(shù)或近似倒數(shù)函數(shù)處理器串接在外環(huán)主通道中。
5.按權(quán)利要求2、或3所述的焊管溫度控制系統(tǒng)，其特征是在中環(huán)主通道和反饋通道中各串接一個倒數(shù)或近似倒數(shù)函數(shù)處理器。
6.按權(quán)利要求2或3所述的焊管溫度控制系統(tǒng)，其特征是在溫度設(shè)定器至外環(huán)疊加點之間和外環(huán)反饋通道中各串接一個倒數(shù)或近似倒數(shù)函數(shù)處理器。
7.按權(quán)利要求4、5、6所述的焊管溫度控制系統(tǒng)，其特征是所述倒數(shù)或近似倒數(shù)函數(shù)處理器是除法器。
8.按權(quán)利要求4、5或6所述的焊管溫度控制系統(tǒng)，其特征是所述倒數(shù)或近似倒數(shù)函數(shù)處理器由恒值電壓與正斜率曲線發(fā)生器反相疊加構(gòu)成。
9.按權(quán)利要求2或3所述的焊管溫度控制系統(tǒng)，其特征是所述外環(huán)中設(shè)有一微機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括溫度設(shè)定值和溫度反饋值采樣，溫度調(diào)節(jié)的PID運算程序和除法程序以及輸出信號的D/A轉(zhuǎn)換，溫度設(shè)定值采樣器和反饋值采樣器分別設(shè)在溫度設(shè)定器輸出通道和溫度檢測器輸出通道，微機系統(tǒng)輸出信號加至中環(huán)疊加點。
10.按權(quán)利要求1所述的焊管溫度控制系統(tǒng)，其特征是還包括一個焊接電流前饋補償電路，采用PD放大器，其輸入端接焊接電流信號，輸出端加至中環(huán)輸入疊加點。
11.按權(quán)利要求1所述的焊管溫度控制系統(tǒng)，其特征是還包括一個自動-手動切換電路，設(shè)在中環(huán)的速度調(diào)節(jié)器的輸入通道上，一個速度給定積分器，在該切換電路切換至手動狀態(tài)時，與所述速度調(diào)節(jié)器輸入端連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由焊接速度控制焊接溫度的焊管控制系統(tǒng)。本發(fā)明根據(jù)焊接機理和所建立的數(shù)學(xué)模型，提出一種帶倒數(shù)處理的三環(huán)串級控制系統(tǒng)，并給出溫度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的積分常數(shù)和比例系數(shù)的參數(shù)選擇，還提供倒數(shù)處理的若干種具體手段，包括設(shè)置方法和電路選擇。這一控制系統(tǒng)投資小，效果顯著，易于實現(xiàn)，適合直縫焊管和螺旋焊管的高頻焊接過程控制。
文檔編號B23K9/095GK1069684SQ91105738
公開日1993年3月10日 申請日期1991年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月22日
發(fā)明者白日午 申請人:白日午