CN1069684A

CN1069684A - 焊管温度控制系统

Info

Publication number: CN1069684A
Application number: CN 91105738
Authority: CN
Inventors: 白日午
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-08-22
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 1993-03-10
Anticipated expiration: 2006-08-22
Also published as: CN1027968C

Abstract

本发明涉及一种由焊接速度控制焊接温度的焊管控制系统。本发明根据焊接机理和所建立的数学模型，提出一种带倒数处理的三环串级控制系统，并给出温度调节环节的积分常数和比例系数的参数选择，还提供倒数处理的若干种具体手段，包括设置方法和电路选择。这一控制系统投资小，效果显著，易于实现，适合直缝焊管和螺旋焊管的高频焊接过程控制。

Description

本发明涉及一种焊管温度控制系统。

包括直缝焊管和螺旋焊管的焊接温度可采用焊接功率或焊接速度来控制。焊接功率控制方案，设备复杂，投资大。采用焊接速度控制方案投资少，易于实现，特别适合我国国情。1989年12期《冶金自动化》（中国）杂志所刊登的《高频焊管的微机恒温控制系统》，采用优化曲线来构造控制系统，控制系统结构复杂，焊接温度不易调整和稳定，系统的适应能力低，其原因在于没有解决焊接过程的数学模型，稳定性结构及其实现方法，目前生产上人们大量采用手动调节焊接速度来控制焊接温度，严重影响焊管的质量、产量和生产效益。

本发明的目的是在焊接过程控制机理及由其建立的数学模型的基础上提供一种由焊接速度控制焊接温度的温度控制系统的稳定性结构及该系统的温度校正参数，使焊接过程实现稳定的自动控制。

一个由焊接速度来控制焊接温度的控制系统，通常由三个闭环构成，温度环为外环，中环为速度环或焊管拖动电机电压环，拖动电机的电流环为内环，构成串级控制。还可以辅以高频焊接电流的前馈补偿调节和手动切换电路。本发明提供的稳定性结构设计为：在所述的串级控制系统的中环或外环的通道中设有倒数或近似倒数函数处理器。

所述系统的外环温度调节环节还需设有PI串联校正，其积分常数TI和比例系数KP按以下经验公式选择：

TI＝ (h)/(ωcn)

KP= ((h+1)αnvωcn)/(2hα_TK_T) r

式中：

h-中频宽，

ω_cn-中环截止角频率，

α_nv-焊接速度与其反馈量的变换系数，

α_T-焊接温度与其反馈量的变换系数，

r-修正系数，

KT= (K)/(V₁) e (V₁)/(V₂-V₁) lnV₂V₁

V₂-焊接速度上限，

V₁-焊接速度下限，

K-焊接机理公式：

T= (η·I²·ρ)/(4α·Cr·h₀ ²) (e (4αL₁)/(△²V) -1)

按台劳级数展开后一次项的系数，即：

K= (η·I²·ρ·L₁)/(△²·Cr·h₀ ²)

式中：

α-温度扩散率，

L₁-加热区长度，

V-焊接速度，

△-电流渗透深度，

Cr-热容量

η-效率

ρ-电阻率，

h₀-I/i₀

i₀-表面电流密度，

I-焊接电流

这一环节可以采用PI或PID温度调节器实现，还可以用计算机程序实现。

中环（即速度环或电压环）应具有典Ⅰ特性，才能保证整个控制系统的抗扰性能和动态稳定性，当中环其响应近似为典Ⅰ或按典Ⅰ校正时，其闭环等效为一阶惯性。其闭环等效传函为：

S-拉氏算子

当中环按典型Ⅱ型校正，不能直接转化为典Ⅰ，因此需要在中环的速度调节器中加入微分并联校正，采用PID调节，由于截止角频率ωcn校正为

ω_cn＝ (h+1)/(2h·T∑n)

T_∑n-中环等效小时间常数

所以闭环后等效传函：

倒数函数处理在自控系统的具体设置方案主要有以下几种：

1、将倒数或近似倒数处理器串接于外环主通道;

2、将2个倒数或近似倒数处理器分别串接于中环主通道和反馈通道;

3、将2个倒数或近似倒数处理器分别串接于温度设定通道和外环反馈通道。

在所述串接通道内，倒数处理器的设置位置可以与其他部件互换，如设在外环主通道中的倒数处理器可与温度调节器互换。

所述倒数处理器可采用除法器如集成电路除法器或除法电路，还可以采用恒值电压与正斜率函数发生电路反相叠加所构造的近似倒数函数处理电路。

另一种方案是在外环中设置微机控制系统，包括温度设定值和反馈值采样，温度调节PID运算程序和除法程序以及输出信号的D/A转换，温度设定值采样和反馈值采样器分别设在温度设定值和温度检测器输出端，该系统输出信号加至中环叠加点。

这一自控系统的主要设计依据在于：

焊接温度与焊接速度之间的关系可由机理公式

T= (ηI²ρ)/(4αCrh₀ ²) (e (4αL₁)/(△²V) -1)（1）

表达，式（1）经台劳级数展开并作近似处理后可得

T=K/V

K= (ηI²ρL₁)/(Crh₀ ²△²) （2）

式（2）说明焊接温度与焊接速度之间为倒数关系。为得到低阶传递函数，可由指数曲线

T=K_Te^-TTV----------------------------------------------（3）

式中T_T(lnV₂/V₁)/(V₂-V₁)

K_T= (K)/(V₁) e (V₁)/(V₂-V₁) lnv₂/v₁

来近似倒数曲线（2），采用这一指数建模法，不但适应控制系统需要，而且精度较高。

根据式（3），可得在高频电流恒定条件下，焊接温度与焊接速度间的传递函数：

(T(S))/(V(S)) = (K_T)/(S+T_T) -----------------（4）

为一阶惯性环节，进一步将此惯性环节简化为积分环节：

(T_(S))/(V_(S)) = (K_T)/(S) -------------------（5）

本发明的技术进步实质性特点在于：

1、在上述焊接过程控制机理和数学模型基础上提出了温度控制系统的稳定性结构设计方案和温度调节的参数选择，

2、这一温度控制系统动态稳定性良好，抗扰能力强，易于调整，

3、结构简单，投资少，较焊接功率控制装置单台成本可节省5-10万元。

下面就附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1是本发明一种典型系统框图。

图2和图3是倒数处理器另外两种设置方案。

图4是采用正斜率曲线构造近似倒数曲线的倒数处理器电路框图。

图5是图4的一种电路图。

图6是外环的微机控制系统框图。

图7是微机控制系统的PID运算程序。

图8是一种手动切换电路图。

图1中电流调节器1和电流反馈电路2构成拖动电机3的控制内环，电压调节器4和电压反馈电路5构成控制中环，电压调节器4向内环叠加点6输送电流设定值U₁。外环主通道中温度调节器7和除法器8串接，向中环叠加点9输送电压（或速度）设定值U₂，温度检测器10采集焊管温度信号Tf，向外环叠加点11输送负反馈信号，温度设定器12向外环叠加点11输送温度设定值U₃，所述除法器8还具有一个可调恒值信号输入端A。温度调节器7采用PI或PID调节，其积分常数和比例系数按所述公式选择，TI可取0.1-1秒，KP可取1-50倍。中环若按其典型Ⅱ校正时，速度调节器4应采用PID并联校正。

这一三环串级控制系统还可辅以高频电流的前馈补偿调节，使高频电流变化时能较快地调节焊接速度，并能补偿高频电流对焊接过程传递函数参数的影响。方法是采用一个PD调节器13作为前馈补偿调节器，直接或间接采集的焊接电信号B输入该调节器13，经PD调节后向中环叠加点9输送补偿信号U₄。

图2中两个倒数处理器14、15分别设在中环主通道和反馈通道之中，图3中两个倒处理器14、15分别设在温度设定器12和温度检测器10至外环叠加点11之间。以上两个方案均能起到温度控制信号的倒数转换。

上述除法器或倒数处理器还可采用正斜率曲线发生器来实现，如图4所示，一个正斜率曲线发生电路16与恒值电压C反相叠加，得到近似倒数关系变换。

图5给出图4一个实施例，运算放大器LM与电阻、二极管组成的反馈网络17构成一个由若干折线形成的正斜率曲线发生器，电路18和19分别调节该曲线的下限和上限，恒值电压发生电路20输出的恒值电压信号与运放器LM输出的正斜率曲线信号反相叠加，得到近似倒数关系变换，变换后的信号加至速度调节运放器ST的反相输入端E。D端接温度调节器输出端。

外环的温度调节和倒数转换还可用微机实现，如图6所示。微系统21设有温度设定r（e）采样器22和反馈值Y（e）采样器23，分别从温度设定器12和温度检测器10采样，然后进行温度调节的PID运算和除法处理，再经D/A转换器转换为模拟量，向拖动控制级输出速度设定值信号U₂。

图7为微机系统的温度调节PID程序框图，采样后可获得误差量e（K）和△e（K），然后计算温度调节的比例，积分和微分量KP、KI和KD，可得到控制量△U（K）和U（K）。将控制量U（K）经除法程序处理后，得到倒数关系变换，经D/A转换再用于拖动系统控制。

图8为手动切换部分电路图，在速度调节器ST的输入通道中加入切换电路24，该电路设有速度给定值积分器25，经常闭开关KⅡ接速度调节器ST输入端，来自外环的速度设定值U₂和焊接电流前馈外偿信号U₄则经常开开关KⅠ接速度调节器ST输入端，改变联动开关KⅠ-KⅡ的状态，即可使系统处于自动或手动控制状态。手动控温在倒车检修时是十分需要的。

Claims

1、一种焊管温度控制系统，包括三个串级闭环控制，一个拖动电机电流控制内环，一个拖动电机电压控制中环和一个温度外环；外环反馈回路设有焊管温度检测器，一个温度设定器向外环输出温度设定信号；其特征是在所述外环或中环的通道中设有倒数或近似倒数函数处理器。

2、按权利要求1所述的焊管温度控制系统，其特征是所述的外环的温度调节环节设有比例积分校正，其积分常数TI和比例系数KP按以下公式选择：

TI＝ (h)/(ωcn)

KP= ((h+1)αnvωcn)/(2hα_TK_T) r

3、按权利要求2所述的焊管温度控制系统，其特征是当所述中环按典型Ⅱ型校正时，其速度调节器中加入微分并联校正。

4、按权利要求2或3所述的焊管温度控制系统，其特征是所述的倒数或近似倒数函数处理器串接在外环主通道中。

5、按权利要求2、或3所述的焊管温度控制系统，其特征是在中环主通道和反馈通道中各串接一个倒数或近似倒数函数处理器。

6、按权利要求2或3所述的焊管温度控制系统，其特征是在温度设定器至外环叠加点之间和外环反馈通道中各串接一个倒数或近似倒数函数处理器。

7、按权利要求4、5、6所述的焊管温度控制系统，其特征是所述倒数或近似倒数函数处理器是除法器。

8、按权利要求4、5或6所述的焊管温度控制系统，其特征是所述倒数或近似倒数函数处理器由恒值电压与正斜率曲线发生器反相叠加构成。

9、按权利要求2或3所述的焊管温度控制系统，其特征是所述外环中设有一微机控制系统，该系统包括温度设定值和温度反馈值采样，温度调节的PID运算程序和除法程序以及输出信号的D/A转换，温度设定值采样器和反馈值采样器分别设在温度设定器输出通道和温度检测器输出通道，微机系统输出信号加至中环叠加点。

10、按权利要求1所述的焊管温度控制系统，其特征是还包括一个焊接电流前馈补偿电路，采用PD放大器，其输入端接焊接电流信号，输出端加至中环输入叠加点。

11、按权利要求1所述的焊管温度控制系统，其特征是还包括一个自动-手动切换电路，设在中环的速度调节器的输入通道上，一个速度给定积分器，在该切换电路切换至手动状态时，与所述速度调节器输入端连接。