電弧傳感器技術(shù)在焊縫跟蹤中的研究與應(yīng)用

　　1.2 電弧傳感器的工作原理

　　電弧傳感器的基本原理是：利用焊炬與工件之間距離變化引起的焊接參數(shù)變化來(lái)探測(cè)焊炬高度和左右偏差，在等速送絲調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，送絲速度恒定，焊接電源一般采用平或緩降的外特性，在這種情況下，焊接電流將隨著電弧長(zhǎng)度的變化而變化[６]。電弧傳感器的工作原理如圖l所示。

　　L為電源外特性曲線，在穩(wěn)定焊接狀態(tài)時(shí)，電弧工作點(diǎn)為A0，弧長(zhǎng)L0 ，電流Ｉ0 ，當(dāng)焊炬與工件表面距離發(fā)生階躍變化增大時(shí)．弧長(zhǎng)突然被拉長(zhǎng)為L(zhǎng)1．此時(shí)干伸長(zhǎng)還來(lái)不及變化，電弧在新的工作點(diǎn)A1．燃燒，電流突變?yōu)椋?，電流瞬時(shí)變化為△Ｉ1反之亦然。從上述分析可以得出，電弧位置的變化將引起電弧長(zhǎng)度的變化，焊接電流也相應(yīng)變化，從而可以判斷焊炬與焊縫間的相對(duì)位置。

　　1.3 電弧傳感器的數(shù)學(xué)模型

　　控制系統(tǒng)包括控制器和對(duì)象二大部分，其中被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是主要的，所以建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是所有工作的第一步，所謂“系統(tǒng)建?！?，就是對(duì)軟件中過(guò)程的抽象描述[７]。

　　常用的建模方法有：a機(jī)理分析法；b統(tǒng)計(jì)建模法；c神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模法；d智能建模法

　　我們?cè)谶@要分析的是旋轉(zhuǎn)電弧焊炬長(zhǎng)度和焊接電流之間的數(shù)學(xué)模型H（s）—I（s），其中輸入量是弧長(zhǎng)，輸出量是實(shí)時(shí)的焊接電流。雖然不同系統(tǒng)中具體的結(jié)果各異，但結(jié)果均為二階的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)［８］有如下結(jié)論：

　　設(shè)G（s）為焊炬高度H（s）到電流I（s）的傳遞函數(shù)，則它在理論上可表示為：

　　其中Ka,Kn,Kr,Kq為與電源外特性、焊接材料、電弧氣氛有關(guān)的常數(shù)，P（s）為電源的動(dòng)態(tài)外特性，當(dāng)電源外特性為一階慣性環(huán)節(jié)P（s）=P0/（TpS+1）時(shí)，式（1）可簡(jiǎn)化為：

　　對(duì)象的數(shù)學(xué)模型將有助于指導(dǎo)我們以下的工作：可以以模型為對(duì)象設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)控制器；可以通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型的分析，找出最靈敏的工作頻率，進(jìn)而確定最佳電弧旋轉(zhuǎn)角速度；可以用模型來(lái)對(duì)所用的控制器進(jìn)行仿真，比較不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)控制器的優(yōu)缺點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)出符合要求的數(shù)字控制器。

　　設(shè)某個(gè)焊接過(guò)程為對(duì)象H（s）=（1+3s）/（1+2s）（1+8s），由于所給傳遞函數(shù)代表的對(duì)象是線性時(shí)不變的，所以用簡(jiǎn)單的比例控制是可行的，只要比例系數(shù)恰當(dāng)，跟蹤誤差將會(huì)足夠小；如果加上積分項(xiàng)將可以在較小的比例系數(shù)的情況下得到很好的跟蹤精度；加上微分項(xiàng)可以減小超調(diào)量。

　　圖2 PID控制器仿真結(jié)構(gòu)圖

　　在圖的仿真結(jié)構(gòu)圖中，適當(dāng)調(diào)整各系數(shù)，就可使系統(tǒng)跟蹤階躍信號(hào)的上升時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度滿足要求,如圖2圖3所示。

　　圖3 PID控制器仿真結(jié)果圖