智能焊接培训

材料加工自动化

----焊接自动化技术2020.4.控制技术基础

材料加工自动化1自动控制基本概念；方块图；自动控制及自动控制系统；系统分类；自动控制系统的基本特性2开环与闭环控制3常用的控制方式和策略重点、难点：自动控制系统的工作原理；反馈控制的基本原理；闭环控制系统的组成1、控制的概念控制：就是为了达到某种目的，对事物进行主动的干预、管理或操纵。第二章控制技术基础

1.1自动控制基本概念传统引弧无飞溅引弧传统引弧第二章控制技术基础

举例：焊接引弧控制控制：就是利用控制装置（机械装置、电气装置或计算机系统等），使生产过程或被控对象（机器或电气设备等）的某些物理量（温度、压力、速度、位移等）按照特定的规律运行。第二章控制技术基础

焊接自动化机床

第二章控制技术基础

控制系统：为了实现某种控制要求，将相互关联的部分按一定的结构形式构成的系统，称为控制系统。该系统能够提供预期的系统响应，以达到特定的控制要求。2、方框图方框图又称方块图：它是由方框和箭头等组成。箭头表示输入和输出，并且在箭头上表明相应的信号。输出量对象输入量交流电压直流电机转速整流器转台第二章控制技术基础

方块图中的求和点和分支点：求和点（又称相加点或比较点）：信号在此点相加减。分支点（又称分路点）：信号在此点引出。注意：引出点只表示信号的引出，而不改变信号的大小。第二章控制技术基础

3、自动控制与自动控制系统控制：人工控制和自动控制焊接转台速度控制：第二章控制技术基础

与要求的速度（给定值）进行比较得到速度偏差的大小和方向[实质]检测偏差再纠正偏差。（1）焊接转台转速人工控制[动态控制过程]观测焊接转台的转速（被控制量）根据偏差大小和方向调节调压器，控制电机电压以调节转台速度回复到要求值。第二章控制技术基础

交流电压直流电机转速整流器转台132[动态控制过程]（2）焊接转台转速自动控制转台实际转速由传感器及信号处理器转换为转换为对应的电压u2第二章控制技术基础

转台期望转速由电压u1给定与实际转速u2比较得到转速偏差信号u=u1-u2转速偏差信号经放大后，经电机驱动与换向装置用以驱动调压器的调节电动机，并通过减速等传动机构拖动调压器动触头。当转速偏高时，动触头向减小电压的方向运动，反之加大电压，直到焊接转台的转速达到给定值为止，此时，偏差u=0,调节器调节电机停止转动。系统原理方块图[实质]检测偏差纠正偏差第二章控制技术基础

人工控制与自动控制对比：控制过程相同：测量、比较、调整三个环节组成。测量：检测输出（被控）量比较：根据输出值和给定值求出偏差调整：执行控制或者说纠正偏差控制、检测手段不同：（1）测量前者靠操作者的眼睛，而后者靠热传感器（2）比较前者靠操作者的头脑，后者靠自动控制电路（3）调整前者靠操作者的手，后者靠电机等调节机构第二章控制技术基础

自动控制:

在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器）,使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（即被控量

）自动地按照预定的规律运行。输入量控制装置输出量控制对象对控制对象起作用的装置的总体实现自动控制的机器、设备或生产过程第二章控制技术基础

交流电压直流电机转速整流器转台输入量控制装置输出量控制对象自动控制系统：控制装置与控制对象的总和。自动控制的过程：测偏与纠偏的过程。偏差=期望值-实际值第二章控制技术基础

测偏与纠偏？反馈控制反馈：通过测量元件及反馈通道将输出量的一部分或全部返回到输入端。反馈控制原理：利用反馈将输出量的一部分或全部返回到输入端，并与输入量相比较，比较的结果称为偏差，根据偏差的大小与方向进行调节控制，最后使偏差减小或消除，从而使输出量按照预定的规律变化。特点：存在反馈；根据偏差进行控制或调节。第二章控制技术基础

反馈控制系统基本构成与标准方块图：反馈量－比较环节被控量控制对象调节部分执行部分给定环节控制环节反馈环节目标值第二章控制技术基础

给定环节：目标（给定）值比较环节：输入目标（给定）值和反馈值，输出偏差值控制环节（控制器）包括调节部分和执行部分调节部分：根据偏差产生控制信号执行部分：根据控制信号产生控制量作用于控制对象反馈环节：产生反馈量。反馈信号与给定信号符号相反时，称为负反馈，否则为正反馈。在自动控制系统中，主反馈一定是负反馈。反馈环节的核心是传感器控制（调节）器的核心是控制策略和控制规律执行部分常常采用电机、机械、液压机构。第二章控制技术基础

4、自动控制系统的基本类型按输入量特征分类按传递信号分类按系统构成分类按信号传递方向恒值控制连续控制开环控制前馈控制程序控制离散（数字）控制闭环控制反馈控制随动控制第二章控制技术基础

按输入量的特征分类恒值控制系统：系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。如：恒温箱控制、电网电压、弧焊电源的恒流特性控制等。程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如：数控加工系统随动系统（伺服系统）：输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。如：仿形加工系统、雷达系统、焊缝自动跟踪系统等。第二章控制技术基础

按照预先确定的顺序，或按照一定逻辑顺序逐次对各个阶段进行控制。条件（连锁）控制：若设定的条件成立时，使机器运行E.g.一般机械的控制时间控制：某台机器的操作经过规定的时间后，使下一个机器运行E.g.交通信号灯E.g.洗衣机顺序控制：使机器按着制定的操作顺序运行E.g.马达和机械的顺序启动E.g.氖灯广告程序控制第二章控制技术基础

5、自动控制系统的基本特性（1）稳定性系统处于平衡状态下，受到扰动作用后，系统恢复原有平衡状态的能力。（2）稳态精度调节过程（暂态）结束后所处的状态称为稳态，稳态精度常以稳态误差来衡量。稳态误差是指稳态时系统期望输出量和实际输出量之差。

（3）动态品质反映系统调节过程性能的优劣。通常用调节时间、超调量、振荡次数等动态响应指标来衡量。第二章控制技术基础

1、开环控制与开环控制系统第二章控制技术基础

交流电压直流电机转速整流器转台2开环控制与闭环控制控制系统的输出端与输入端之间无反馈通道，即系统的输出量不影响系统的控制作用时，该系统称为开环控制系统。开环控制：只有顺向控制而无反馈控制的控制方式。开环控制系统的特点：结构简单，调整方便，系统稳定性好，成本低。系统不能自动补偿扰动对系统输出量的影响。开环控制系统的精度：取决于系统校准的精度和系统中元器件特性的稳定程度。扰动输入输出量控制作用参考输入控制器被控对象第二章控制技术基础

2、闭环控制与闭环控制系统第二章控制技术基础

控制系统的输出与输入间存在着反馈通道，即系统的输出对控制作用有直接影响的系统，称为闭环控制系统。闭环控制：反馈控制。闭环控制系统的特点：存在有反馈，抗干扰能力强，控制精度高。系统复杂、成本较高。闭环控制系统的精度：系统校准的精度和系统中元器件特性的稳定程度；系统的反馈控制精度和系统内部参数的匹配。反馈量－较节比环被控量控制对象调节部分执行部分控制环节反馈环节给定值第二章控制技术基础

3常用控制方式和策略第二章控制技术基础

焊接自动化中常用的控制方式：位置控制属于点位控制方式；往往用于点到点的控制例如：焊枪定位，工位转换，焊接起始点或终点控制等等。位移控制属于连续轨迹控制方式；往往用于连续焊缝的自动控制例如：直线焊接位移控制、环形焊缝焊接位移控制等

。速度控制焊枪或工件等运动速度控制；变速控制与等速控制。

轨迹控制主要用于复杂空间曲线焊缝的运动轨迹控制。程序控制以合理的次序和时间间隔使自动焊接系统中的弧焊电源、送丝机、操作机、变位机等各个被控对象进入特定的工作状态常用控制策略传统控制策略、现代控制策略和智能控制策略。

传统控制策略：PID控制策略；串级控制策略等现代控制策略：自适应控制策略；变结构控制策略等智能控制策略：模糊控制策略；专家系统控制策略；神经网络控制策略等复合控制策略：模糊PID控制策略；模糊变结构控制策略等第二章控制技术基础

1、PID控制PID控制P：比例控制；

I：积分控制；D：微分控制。PID控制规则：（1）控制原理

第二章控制技术基础

P控制——对当前信息控制，纠正偏差，↑动态响应；D控制——对偏差变化趋势（将来信息）控制，超前控制减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性；I控制——对过去积累信息控制，消除系统的静态偏差，改善系统的静态特性。

PID控制：第二章控制技术基础

↑KP：↑系统的开环增益K,↑系统的响应,↓系统的稳态误差；但KP过大，超调较大，并产生振荡，↓系统稳定性。↑Ti：↓超调，↓振荡，系统动态过程的平稳性得到改善；但是快速性变差，并将减慢系统静差的消除。↑Td：↓超调，↑系统的动态响应，↑系统的快速性、稳定性；但↓系统抑制扰动的能力，↑系统的稳态误差。

PID控制参数：KP——比例环节的比例增益；Ti——积分环节的时间常数；Td——微分环节的时间常数。第二章控制技术基础

先比例、后积分、再微分。首先加入比例部分，将KP由小变大，并观察相应的系统响应，直至性能指标满足要求为止。若静差不能满足要求，需要加入积分环节，首先取较大的Ti值，略降低KP（如为原来值的0.8倍）。然后反复调整Ti若经反复调整，系统动态过程仍不满意，可加入微分环节。首先置Td为零，逐步增大Td，同时反复改变KP和Ti，三个参数反复调整，最后得到一组合适的参数。

PID的参数并不是唯一的，因为比例、积分、微分三个环节的控制作用，相互可以调节，相互可以补偿，因此不同的PID控制参数组合可以获得相同的动态响应特性。

PID参数的整定：第二章控制技术基础

（2）控制器应用电路1）比例（P）调节器比例控制器的输出与输入成比例的变化而与时间无关；比例控制反应迅速，调节及时；它的输出完全由输入的当前值所决定。

第二章控制技术基础

2)积分（I）控制器TI＝R0C1为积分时间常数。系统的阶跃响应:一条随时间线性增长的斜线。即uc＝t／TI·ur。积分控制器的输出量：不可能无限制地增长，它要受到电源电压，或输出限幅电路的限制。

第二章控制技术基础

积分控制器的输出特性有三个特点：

①只要ur≠0，uc总要逐渐增长（除非达到饱和值）；

②只有ur＝0时，uc才不增长，并保持为某一固定值；

③只要输出达到饱和值，那么必须等输人信号ur变极性后，输出uc才能减小，控制器才能退饱和。

积分器具有延缓作用、积累作用和记忆作用，积分器的输出并不取决于输入量的现状，它取决于输入量的全部历史状态。

第二章控制技术基础

3)比例积分（PI）控制器其中TI＝R0Cl，PI控制器积分时间常数；KP＝-R1/R0，PI控制器比例放大系数。

系统的阶跃响应曲线：uc＝（KP－t/TI）ur。

比例积分控制器的输出：由比例和积分两部分组成。PI控制器：比例部分能迅速响应控制作用积分部分则可以最终消除稳态误差PI调节器的积分临界频率：fI=1/(2πCIR1)

PI调节器在频率较低时主要起积分器的作用，而在高频时主要起线性比例放大器的作用。

第二章控制技术基础

4)PD控制器其中，KP＝-(R1+R2)/R0，比例系数TD＝(R1R2)Cl/(R1+R2)，微分时间常数

突加一个阶跃信号的瞬间，反馈电压被Cl旁路，反馈到输入端的电压很小，故输出电压突然增至很大。随着Cl充电，输出电压逐渐降低，Cl充电结束后，

Cl相当于开路，控制器相当于P控制器，输出电压与输入电压成比例变化。

PD控制器具有超前控制的作用，当控制信号有变化趋势时，PD控制器立即输出一个幅值很大的控制信号，加快响应过程或补偿系统的惯性。第二章控制技术基础

5)PID控制器其中，KP＝-R1/R0，PID控制器比例系数；

TI＝R1Cl，PID控制器积分时间常数；TD＝R2C2，PID控制器微分时间常数。C2>>Cl，R1>>R2。

三种控制作用的组合作用具有三个独立控制作用各自的优点

第二章控制技术基础

2、串级控制多回路闭环控制策略。一般由多个传感器、多个调节器，或者由多个传感器、一个调节器、一个补偿器等组成多个回路的控制系统。

第二章控制技术基础

3、变结构控制系统的“结构”并不固定，可以在动态过程中，根据系统当时的状态（如偏差及各阶导数等），以跃变的方式、有