CO2气体保护焊短路过渡的和谐控制

CO2气体保护焊短路过渡的和谐控制
提出了CO2气体保护焊短路过渡的和谐控制思想，并建立了相应的控制系统。

该系统以焊接电流为唯一设定参数，自动确定与调整电弧电压和送丝速度等主要参数；在此基础上，以短路过渡特征参数为目标函数，通过特征参数的检测和目标函数的寻优，对电弧电压粗选值实时微调，实现CO2气体保护焊短路过渡规范参数的和谐实时控制。

前言
CO2气体保护焊是一种高效节能、抗锈低氢、有较高综合经济效益的焊接方法，不足之处主要在于飞溅大、成形差，长期以来焊接工作者都在寻求改进的途径。

由于影响金属飞溅的因素众多，金属过渡和飞溅的机理至今仍未得以充分揭示，在这种情形下，一般都是通过对规范参数或主要规范参数的控制或调节，来实现短路过渡和金属飞溅的间接控制，因此要获得焊接过程稳定性最佳的效果显然是困难的。

但是表征短路过渡过程的短路过渡频率、短路发生时刻以及持续时间却是可以检测的，因此，如果能够实时控制这3个参数，就可能实现短路过渡过程熔滴的稳定过渡。

问题是对短路过渡频率等短路过渡参数的控制，只能间接通过规范参数的控制或调节来进行。

因此有必要寻求一种控制理论或控制技术，使得对短路过渡频率等特征参数的控制与规范参数的控制或调节有机地结合起来，用通过对短路过渡频率等特征参数的控制，实现短路过渡熔滴的稳定过渡。

这一问题的解决，对于实现短路过程熔滴的可控过渡，提高熔滴过渡的稳定性，使CO2气体保护焊规范参数的控制达到和谐合适匹配，
并使短路过渡获得良好的控制效果，具有重要的意义，但现有技术难以实现这一目标。

基于上述背景，本文提出了和谐控制的思想，并就如何实现CO2气体保护焊短路过渡规范参数的和谐实时控制进行了探讨。

1 和谐控制的思想及策略
一般控制，无论是最优控制、自适应控制或神经网络控制等，都是基于一种简单或复杂的数学模型来实现控制思想的。

因此，能否寻求一种精确或合适的数学模型将是至关重要的，它将影响模型的可控性、稳定性、控制精度以及实时性等。

而且，由于各种因素的影响，往往达不到预期的控制效果。

和谐控制的思想是从适度和谐的观点出发，根据影响控制的诸因素及其相互关系、控制及影响控制的层次及程度、各控制参数本身的重要性等，从宏观和整体上把握控制及影响控制的本质因素，实行有重点、有层次，以追求简单快捷、寻求全局整体的控制效果为目标。

和谐控制不刻意追求模型的精确与局部指标的高精度，而是寻求适度、和谐的宏观整体控制效果。

因此，和谐控制的实现主要考虑如下几个方面：
(1) 根据影响控制的诸因素及各控制参数本身的重要性，确定最主要的控制参数及影响控制参数的主要因素。

(2) 找出并确定表征控制效果的特征参数，以此作为目标寻优参数。

(3) 确定影响特征参数的主要控制参数，并通过该参数建立特征参数与其他控制参数的联系纽带。

(4) 在确定主要控制参数后，分析实现控制的层次。

2 和谐控制的模式研究
为实现CO2气体保护焊短路过渡过程熔滴的可控稳定过渡，改善焊缝成形，根据CO2气体保护焊短路过渡的影响因素和特点，以及和谐控制的思想及实现策略，可通过以下几个步骤有层次地实现。

(1) 确定焊接电流为最主要的控制参数，送丝速度和电弧电压等为配合参数。

因为焊接电流是影响短路过渡的最主要因素，因此应设法使焊接电流恒定。

(2) 短路过渡频率、短路发生时刻以及持续时间为表征短路过渡过程和控制效果的特征参数，可用以作为目标寻优参数。

(3) 在电流恒定的情况下，影响特征参数的主要控制参数是电弧电压，电弧电压的微弱变化都可能影响焊接过程的稳定性，且该参数与焊接电流存在配合关系，可作为特征参数与其他控制参数的联系纽带。

(4) 在确定主要控制参数后，通过如下两个层次(或具体目标)的实现，来达到提高短路过渡稳定性、改善焊缝成形、提高焊缝波纹的细密度及改善控制效果的目的。

具体作法是：首先，建立CO2气体保护焊焊接规范一元化调节微机控制系统，粗选送丝速度和电弧电压等焊接规范，使之获得较为合理的匹配，并通过电流(间接)闭环调节模式以恒定电流，通过电压粗选值的恒定以消除网压波动；其
次，在一元化基础上，研究以表征短路过渡过程稳定性的短路频率等特征参数为优化目标函数，自动微调焊接电压粗选值，使得对短路过渡频率的控制与规范参数的调节有机地结合起来，以实现CO2气体保护焊短路过渡过程熔滴的可控过渡。

为此，可通过以下模式逐步达到。

图1 闭环调节焊接电流控制模式
2.1 一元化控制模式的研究
目前的一元化控制尚未做到真正单旋钮控制，还需要电压微调旋钮的手动微调。

为保证焊接电流与电弧电压的合理匹配和所要求的规范值，本文提出的一元化控制模式的基本思想是：以电流为一元化的调节依据，即输入给定电流值，查表得送丝速度和给定电压粗选值，然后通过短路过渡特征值细调电弧电压。

2.1.1 焊接电流调节模式
图1为焊接电流控制模式示意图。

焊接电流的调节模式采用间接调节模式，它以焊接电流作为调节依据，即给定电流值，查表得送丝速度，通过霍尔传感器将焊接电流采样值与给定值比较，以电流比较误差为依据微调送丝速度，从而达到调节焊接电流的目的。

这实际上是一种焊接电流Ｉ恒定、间接闭环控制调节模式。

电流是关键参数，速度、熔深主要取决于焊接电流值，其他参数为配合参数。

2.1.2 电弧电压反馈控制模式
电弧电压反馈控制模式的主要目的是为了恒定电弧电压粗选表格值，并消除网络波动，即可以消除因网压波动引起电源输出电压变化的静态误差。

电弧电压实际上反映了电弧长度，它不仅影响能量分配、熔滴过渡及短路频率，而且还影响焊接过程的稳定性。

该控制模式反馈的作用是对弧压误差进行检测，并利用测得的结果对被测量U弧进行控制，以消除和减小网压误差。

其反馈控制模式示意图如图2所示。

图2 电弧电压反馈控制模式
2.2 焊接短路过渡和谐控制模式的实现
和谐控制，即是在一元化的基础上，通过短路过渡特征参数的检测和以特征参数构作的目标函数的寻优，微调焊接规范参数并使之趋于和谐匹配，从而使短路过渡趋于和谐稳定状态。

在一元化控制的基础上，可粗选焊接规范参数；而通过短路过渡特征参数的检测和目标函数的寻优，则可对规范参数粗选值进一步微调，从而使短路过渡趋于和谐稳定状态。

所能达到的功能为：记忆式+微调。

记忆通过表格查询来实现；微调考虑两个方面，一是根据检测到的短路过渡频率在给定的频率范围内调节，二是根据引弧时的断弧时间进行微调。

通过短路过渡特征值的极值化寻优，对电弧电压粗选查表值进行微调，实现规范参数的和谐控制。

和谐控制系统结构框图如图3所示
图3 和谐控制系统结构框图。

本文提出的和谐控制实际上也是一种自适应控制，但它不需要复杂的参考模型。

甚至对于仅考虑短路过渡频率，而不考虑其他特征参数的目标寻优时，可不需要参考模型。

当以短路过渡频率的目标寻优时，只要进行以短路过渡频率为目标的极值化搜寻，而无须考虑短路过渡频率的绝对值大小。

因此在电流(间接)恒定的情况下，可根据前后两次短路频率采样值之差(f1-f2)的正负和相对大小，对电弧电压规范参数调节方向和调节量分档进行一维搜索。

如当f1-f2＜0时，可继续在原方向搜索，反之，则在相反方向搜索。

因此，控制系统的寻优调节时间短，实时性强。

短路过渡时，过渡熔滴越小、短路频率越高、焊缝波纹越细密，焊接过程越稳定。

在稳定的短路过渡的情况下，要求尽量高的短路频率，短路过渡频率的大小常常作为短路过渡过程稳定性的标志。

如能控制短路频率并使之尽可能高(极值点最大)，将有利于提高短路过渡稳定性，减少飞溅，改善焊缝成形，提高焊缝波纹的细密度，改善控制效果。

因此，考虑以短路过渡频率为寻优目标有着本质上的合理性。

至于其他特征参数，如短路发生时间t短、引弧时的断弧时间、冲击值di/dt或短路峰值电流imax等特征值对短路过渡的影响和影响程度，以及考虑其影响的和谐控制还有待于进一步研究。

3 微机控制测试系统及试验分析
微机控制测试系统用于规范参数和短路过渡特征值的检测，主要由单片机开发系统、接口电路和存储系统、数据采集卡(AX5412-HG)、霍尔传感器和586微机等组成。

该数据测试系统具有对CO2气体保护焊短路过渡过程实时检测规范参数和短路过渡特征值的功能。

图4 有无和谐控制的短路过渡
频率f与电弧电压U弧对应关系曲线
曲线1、2——无和谐控制(分别为100 A、110 A时)
曲线3、4——有和谐控制(分别为100 A、110 A时)
图5 和谐控制的焊缝成形照片
试验采用的是NBC-400C型CO2焊机，焊丝为φ1.2(H08Mn2Si)，试件为6 mm厚低碳钢板，焊嘴高度15 mm，焊速0.005 m/s。

图4为给定电流100 A和110 A时，有无和谐控制的两组电压与短路过渡频率对应关系曲线。

既然短路过渡频率的大小被作为短路过渡过程稳定性和焊缝波纹细密度的标志[4]，从图4可见，和谐控制将使短路频率自动寻优趋于最高值，因而有利于提高CO2保护焊短路过渡过程熔滴的稳定性，提高焊缝波纹的细密度，改善控制效果和焊缝成形。

通过和谐控制使短路频率自寻优的方法，从实际焊接效果来看，焊接的稳定性比无和谐控制情形改善了。

图5是电流为100A、电弧电压为19V、
焊速为0.005 m/s和焊丝为φ1.2(H08Mn2Si)和谐控制时的焊缝成形照片，试件为稍经打磨的6 mm厚低碳钢板。

由图5可见，即使在锈迹斑斑的试件上焊接，也能得到波纹细密、成形光滑、焊缝熔高熔宽比合适的焊缝。

因此，通过
短路频率的寻优，有利于实现提高焊缝波纹细密度和焊接过程的稳定性的思想，也为从根本上减少飞溅、改善焊缝成形提供了一条思路。

4 结语
和谐控制是在一元化的基础上，通过短路过渡特征参数的检测，和以特征参数构作的目标函数的寻优，微调焊接规范参数并使之趋于和谐匹配，从而使焊接规范的调节实现了真正意义上的一元化，使短路过渡趋于和谐稳定状态。

其特点是：
(1) 由一元化调节模式粗选焊接规范，而通过短路过渡特征参数微调电弧电压粗选值来实现CO2气体保护焊短路过渡的和谐控制。

(2) 提出的和谐控制实际上也是一种自适应控制，但它不需要复杂的参考模型，甚至对于仅考虑短路过渡频率，而不考虑其他特征参数的目标寻优时，也可不需要参考模型。

因此控制系统的寻优调节时间短，实时性强，能够快速微调焊接规范并使之趋于和谐匹配。

(3) 提出的和谐控制将使短路频率自动寻优趋于最高值，能够快速微调焊接规范参数并使之趋于和谐匹配，因而有利于提高短路过渡过程的稳定性，提高焊缝波纹的细密度，改善控制效果和焊缝成形。