基于控制网络的管道焊机弧长控制技术研究

摘要

海底输油管道的使用量日益增大，对质量的要求也不断提高。海底输油管道铺设要求高质量高效率的焊接作业，是海底管道安全运行的重要保证。管道的椭圆度、焊车轨道的形变以及焊道多层填充时填充层不够平滑等，都会造成焊接过程电弧长度的波动，电弧长度的波动造成焊接质量下降。在实际焊接过程中，焊枪高低位置的波动导致焊接电流的不稳定，且存在较大滞后，使控制难度加大。 通过分析恒压缓降特性焊接电源电弧的静态特性和动态特性，得出焊接电流与电弧长度之间呈线性关系;通过平板焊接实验，将采集的电流和弧长数据进行拟合处理，得到电流和弧长线性关系比例系数;根据弧长数学模型的结构，采用滞后时间削弱器进行滞后控制;通过对电机本体和伺服驱动系统进行理论分析，推导出焊枪高低伺服运动系统模型;建立管道焊机弧长控制系统的整体模型，并进行数字仿真实验;搭建了由焊枪、焊接小车、主控系统、焊接电源系统和高低伺服运动系统等子系统构成的基于CAN总线的管道焊机弧长控制系统平台，将控制算法应用于实际系统实验。 系统仿真实验表明，通过选择合适的滞后因子，减弱了滞后产生的影响，使管道焊机弧长控制过程焊接电流的超调量小于10％，调节时间小于2s。焊接电流闭环控制进行分段调节，分别采用根据反馈值进行分段和根据输入偏差进行分段的调节策略，与传统PID调节进行比较，其中根据反馈值进行分段的PID控制方法能够进一步减小焊接电流的超调量、加快调节时间。X-Y平台系统实验表明，采用实测焊接电流驱动焊枪高低装置，焊枪位置波动范围小于±0.5mam，证明管道焊机弧长控制系统具有良好的动态特性和稳态特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源与研究背景

1．2 管道焊机控制系统的发展

1．2．1 国内外管道焊机的发展及现状

1．2．2 管道焊机控制系统的发展

1．3 影响管道焊接质量的因素

1．4 管道焊机弧长控制系统的研究现状

1．5 本文的主要研究内容

1．6 本章小结

第二章 管道焊机弧长控制系统总体结构

2．1 管道焊机总体构成

2．2 管道焊机弧长控制系统的功能与实现

2．2．1 手控盒

2．2．2 主控系统设计

2．2．3 焊枪高低伺服运动控制子系统设计

2．2．4 焊接电源子系统设计

2．3 本章小结

第三章 弧长控制系统建模

3．1 弧长特性及模型推导

3．1．1 电弧的静态特性

3．1．2 电弧的动态特性

3．1．3 管道焊机弧长控制建模

3．2 焊接电流滞后调节

3．3 焊机高低机构理论研究

3．3．1 焊枪垂直电机模型推导

3．3．2 焊枪高低伺服驱动系统模型的建立

3．4 弧长控制系统的理论及建模

3．5 弧长控制系统控制算法

3．5．1 管道焊机弧长控制系统的基本策略

3．5．2 分段PID调节

3．6 本章小结

第四章 基于控制网络的管道焊机弧长控制系统硬件设计

4．1 管道焊机弧长控制系统的组成

4．2 焊接电源子系统

4．3 焊枪高低伺服控制系统

4．4 弧长控制系统的控制网络

4．5 本章小结

第五章 基于控制网络的弧长控制系统软件设计

5．1 焊接弧长控制系统的主控单元设计

5．1．1 主控系统组成

5．1．2 弧长控制系统主程序设计

5．1．3 焊枪高低子系统程序设计

5．2 焊接过程实时数据通讯

5．3 本章小结

第六章 弧长控制系统数字仿真与高低子系统实验测试

6．1 仿真结果与分析

6．2 实验结论与分析

6．3 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 论文主要结论

7．2 研究展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介