鋼軌交流閃光焊機(jī)閃光速度控制系統(tǒng)的分析與研究

胡雄偉 朱繼東 上海鐵路局科研所

閃光接觸焊是現(xiàn)代軌道交通無(wú)縫線路鋪設(shè)施工工程中鋼軌焊接的一種主要方法，目前我國(guó)有90%以上的鋼軌焊接生產(chǎn)采用閃光接觸焊焊接。鋼軌閃光焊機(jī)應(yīng)用最為廣泛的是烏克蘭巴頓公司的K系列交流焊機(jī)和瑞士施拉特（SCHLATTER）公司生產(chǎn)的直流焊機(jī)。

國(guó)內(nèi)K系列交流閃光焊機(jī)應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，種類較多，應(yīng)用技術(shù)成熟。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累，國(guó)產(chǎn)閃光焊機(jī)也得到了迅速發(fā)展。目前，應(yīng)用比較成熟的國(guó)產(chǎn)設(shè)備有LR900、LR1200和UN5-150等型號(hào)交流閃光焊機(jī)和UNG-1000直流閃光焊機(jī)等。這些設(shè)備在各鐵路局工務(wù)部門以及工程施工單位應(yīng)用廣泛。

1 閃光焊簡(jiǎn)介

閃光焊的基本原理是利用電流通過(guò)電阻時(shí)所產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱焊件，使焊件接觸點(diǎn)迅速升溫 (產(chǎn)生閃光)，并使端面金屬迅速熔化，再經(jīng)加壓頂鍛使焊件端面相互擠壓，接合面交互結(jié)晶，并擠出液態(tài)金屬和夾雜物，形成牢固接頭，以達(dá)到焊接目的。

圖1 閃光焊機(jī)控制電壓示意圖

鋼軌脈動(dòng)閃光焊工藝如圖1所示，主要分為脈動(dòng)閃光階段（預(yù)熱閃光階段）、穩(wěn)定脈動(dòng)閃光階段、低壓脈動(dòng)閃光階段、加速燒化、頂鍛和保壓階段等。脈動(dòng)閃光焊工藝的特點(diǎn)是加熱效率高，焊接時(shí)間短，焊接質(zhì)量可靠，可以明顯提高鋼軌的抗沖擊水平，解決了連續(xù)閃光焊工藝焊接熱輸入不足和無(wú)效燒化量大的缺點(diǎn)。

2 工藝需求

根據(jù)閃光焊工藝要求和特點(diǎn)可知，為保證穩(wěn)定的閃光以獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量，首先必須保證焊接前期端面熱量的積累，即保證一定寬度的熱塑區(qū)和端面溫度。為此，焊接前期的速度控制要求減少因閃光而產(chǎn)生的熱量損失，提高脈動(dòng)加熱效率，當(dāng)然還要考慮發(fā)電機(jī)組的負(fù)載能力。

焊接初始，鋼軌端面是非常平整的冷端面，且激發(fā)閃光的能量需求較大，速度太快容易產(chǎn)生短路，損害發(fā)電機(jī)組和焊接變壓器，因而一般選擇比較適中的速度，且前進(jìn)和后退速度相差不大。初始階段主要用于預(yù)熱鋼軌，使鋼軌沿長(zhǎng)度方向獲得一定的加熱深度。焊接中期是主要的加熱階段，因?yàn)槌跗诙嗣嬉呀?jīng)有一定的熱量積累，為了提高加熱效率，并為后期的加速燒化提供必要的加熱區(qū)和端面溫度，該階段需要進(jìn)一步提高脈動(dòng)效果，因而前進(jìn)速度要求不斷增大，而后退速度則相對(duì)減小。焊接后期，也就是加速燒化階段，要求降低脈動(dòng)加熱效果而提高連續(xù)加熱效果，使端面表面熱量快速升高，形成一層液態(tài)金屬層，并提供連續(xù)均勻的閃光，為頂鍛階段的快速合縫提供保障。

其次，在焊接后期，也就是加速燒化階段，為獲得高質(zhì)量的焊頭，速度的控制非常關(guān)鍵。一個(gè)前提條件是必須控制焊機(jī)動(dòng)架的送進(jìn)速度與鋼軌端面的實(shí)際燒化速度相匹配，使得實(shí)際焊接電流值基本保持在設(shè)定電流值附近均勻波動(dòng)。送進(jìn)速度過(guò)低時(shí)，鋼軌端面形成的接觸單元減少，且容易造成閃光中斷，導(dǎo)致火口難于封閉，焊接接頭易產(chǎn)生未焊透、夾渣、氣孔、灰斑等缺陷；送進(jìn)速度太快時(shí)，接觸單元形成的數(shù)量就快速增多，激發(fā)閃光所需要焊機(jī)的輸出功率就隨之加大，此時(shí)容易出現(xiàn)鋼軌端面短路，導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)熱或過(guò)燒缺陷；當(dāng)送進(jìn)速度與燒化速度相適應(yīng)時(shí)，才能保證燒化加熱過(guò)程的順利進(jìn)行，從而獲得良好的焊接質(zhì)量。由于送進(jìn)速度快慢直接影響焊接電流的大小，我們可以通過(guò)控制焊接閃光速度來(lái)達(dá)到控制焊接電流的目的。燒化速度與焊接電流有關(guān)，所以可用電流負(fù)反饋控制送進(jìn)速度，當(dāng)控制方式選擇合理時(shí)，在閃光過(guò)程中既不會(huì)出現(xiàn)短路，也不會(huì)出現(xiàn)斷路，而是保持連續(xù)和穩(wěn)定的閃光。

3 交流閃光焊機(jī)速度控制系統(tǒng)

3.1 速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

由于送進(jìn)速度的快慢直接影響焊接電流大小、閃光燒化速度和燒化穩(wěn)定性，因此，速度控制是焊機(jī)控制系統(tǒng)的重點(diǎn)。焊機(jī)速度控制回路如圖2。

圖2 電液伺服比例控制原理圖

焊機(jī)速度控制系統(tǒng)采用伺服比例閥放大卡和伺服比例閥來(lái)實(shí)現(xiàn)電流和速度雙閉環(huán)電液控制。采用電流傳感器和電流變送器來(lái)對(duì)焊接電流進(jìn)行采樣，并輸入PLC進(jìn)行處理；采用高精度電阻式位移傳感器記錄單位時(shí)間內(nèi)的位移量，并輸入PLC中計(jì)算出焊接閃光速度。PLC根據(jù)采集到的電流值計(jì)算出焊接閃光速度的控制值，設(shè)定對(duì)應(yīng)的電壓值控制伺服閥放大卡，通過(guò)放大卡調(diào)整比例閥的進(jìn)油方向和流量，控制動(dòng)架油缸的送進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)閃光燒化速度的控制。當(dāng)PLC給定閃光速度時(shí)，設(shè)定好的的電壓值輸出到伺服閥放大卡，放大卡通過(guò)負(fù)反饋控制和PID調(diào)節(jié)功能自動(dòng)調(diào)節(jié)流量達(dá)到設(shè)定值，使焊接送進(jìn)速度與后退速度保持相對(duì)穩(wěn)定。

3.2 速度控制系統(tǒng)模型分析

閃光燒化速度和設(shè)定的焊接電流、設(shè)定的燒化前進(jìn)速度和實(shí)測(cè)焊接電流有關(guān)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行反饋調(diào)整。伺服比例閥電壓控制的數(shù)學(xué)模型為：

式中：

上述表達(dá)式：

U(K＋1)--PLC控制比例閥的第“K＋1”次輸出電壓控制值；

E1(K)--頂鍛油缸前進(jìn)時(shí)，第K次焊接電流測(cè)量值和焊接設(shè)定值的偏差；

E2(K)--頂鍛油缸后退時(shí)，第K次焊接電流測(cè)量值和給定下限值的偏差；

U1、U2--分別為各階段頂鍛油缸最大前進(jìn)速度和最大后退速度時(shí)比例閥的電壓控制值；

It(K)--第K次實(shí)際測(cè)量的焊接電流值；

I1、I2、I3、Is--分別為焊接各階段電流下限值、調(diào)定值、上限值和設(shè)定值；

Kp、Ki、Kd、--PID 控制的比例、積分、微分常數(shù)。

根據(jù)焊機(jī)的工作狀態(tài)、焊接回路內(nèi)阻大小以及焊件的材質(zhì)，以上I1、I2、I3、Is在閃光焊的各個(gè)階段分別設(shè)定為不同的值，值的選取通過(guò)多次的工藝試驗(yàn)累積實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所得。

焊接速度控制采用常規(guī)PID控制模型，具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)整定方便、結(jié)構(gòu)改變靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其核心是參數(shù)整定。對(duì)于確定的被控對(duì)象通過(guò)適當(dāng)整定PID的三個(gè)參數(shù)，則大多數(shù)控制對(duì)象都能獲得滿意的控制效果。

3.3 模糊自整定PID控制策略的建立

PID控制器具有上述眾多特點(diǎn)，在大多數(shù)情況下都能獲得滿意的控制效果。然而，閃光焊過(guò)程是一個(gè)多變量、非線性、時(shí)變、隨機(jī)干擾較強(qiáng)的多階段焊接控制過(guò)程，其閃光電流的瞬變性和非線性，閃光過(guò)程的多階段切換，以及液壓系統(tǒng)的時(shí)滯和慣性變化，都會(huì)影響被控對(duì)象的一致性，使得對(duì)閃光焊過(guò)程建立精確的數(shù)學(xué)模型非常困難。而且，鋼軌材質(zhì)的成分均勻性不一致，加上影響焊接質(zhì)量的內(nèi)外部因素繁多復(fù)雜，都會(huì)使得一套固定的PID參數(shù)不能完全滿足焊接全過(guò)程的控制需要。

隨著被控對(duì)象的狀態(tài)變化，PID參數(shù)也必須進(jìn)行一定的調(diào)整，才能將控制焊接電流維持在要求的范圍之內(nèi)，以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能要求。為此，我們考慮采用智能控制來(lái)實(shí)時(shí)完成PID控制器參數(shù)的修正，將控制算法以及調(diào)試人員調(diào)整PID參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)先存儲(chǔ)在PLC中，PLC根據(jù)不同的電流值以及控制效果的偏差自動(dòng)選取不同的PID參數(shù)，然后及時(shí)改變控制力度，將被控對(duì)象控制在要求范圍之內(nèi)。

模糊控制是智能控制的一種。模糊控制器具有不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但它的穩(wěn)態(tài)精度差。因此，針對(duì)PID控制器和模糊控制器的特點(diǎn)，將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成模糊PID參數(shù)自整定控制器，可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)，從而對(duì)閃光焊接的控制取得理想的效果。

圖3 模糊自整定PID控制系統(tǒng)框圖

模糊PID參數(shù)自整定控制算法，其基本原理是在普通PID控制器的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制環(huán)節(jié)，模糊控制環(huán)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，對(duì)PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線整定，其系統(tǒng)原理框圖如圖3。

3.4 模糊自整定PID控制的應(yīng)用策略

從焊接工藝需求以及多年的焊接控制經(jīng)驗(yàn)可知，影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素主要有四點(diǎn)：一是保證一定的熱塑區(qū)；二是保證端面有一定厚度的液態(tài)金屬層；三是保證加速燒化階段閃光的連續(xù)均勻；四是合理的頂鍛量。目前，通過(guò)工藝參數(shù)的簡(jiǎn)單調(diào)整，常規(guī)PID控制算法基本能滿足熱塑區(qū)厚度和頂鍛量的控制要求，而對(duì)于另外兩條關(guān)鍵因素卻存在控制局限性。為此，模糊自整定PID控制策略主要是在加速燒化階段采用，以獲得連續(xù)穩(wěn)定的而且均勻的閃光，同時(shí)，在后期階段的切換過(guò)程也可采用，以獲得平滑穩(wěn)定的階段過(guò)渡。

4 模糊自整定PID控制器的設(shè)計(jì)

4.1 輸入輸出變量的選擇和模糊化方法

被控量為焊接閃光電流，因此模糊控制器的輸入變量選擇焊接中的實(shí)際閃光電流和設(shè)定電流之間的差值E=ysp-ypv和焊接閃光電流的變化率Ec。輸出語(yǔ)言變量為PID控制器三個(gè)參數(shù)的增量，分別為△Kp，△Ki，△Kd。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出輸入輸出變量精確值的變化范圍以及量化等級(jí)，如表1所示。

表1 輸入輸出變量定義表

模糊集合語(yǔ)言值選擇 {NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PL}，表示{"負(fù)大"，"負(fù)中"，"負(fù)小"，"零"，"正小"，"正中"，"正大"}。隸屬函數(shù)定義為比較常用的三角形，可得到7個(gè)模糊子集的隸屬函數(shù)。

4.2 建立控制規(guī)則表

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際調(diào)試要求，對(duì)于不同的偏差E和偏差變化率Ec，對(duì)PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的自整定要求，可以依據(jù)以下的規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。

4.2.1Kp的模糊控制規(guī)則變化規(guī)律

在實(shí)際應(yīng)用中，增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。

（1)當(dāng)E為負(fù)大時(shí)：若Ec為負(fù)，E有增大的趨勢(shì)，為盡快消除己有的負(fù)大偏差并抑制偏差變大，Kp的變化取正大；若Ec為正時(shí)，系統(tǒng)本身己有減少偏差的趨勢(shì)，為盡快消除偏差且又不產(chǎn)生過(guò)大超調(diào)，應(yīng)取較小的Kp；若Ec為正小時(shí)，Kp的變化取為正中。

（2)當(dāng)E為負(fù)中時(shí)：Kp的變化應(yīng)使偏差盡快消除，基于這一原則，它的變化選取同E為負(fù)大時(shí)相同。

（3)當(dāng)E為負(fù)小時(shí)：系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)。若Ec為負(fù)時(shí)，選取Kp為正中，以抑制E往負(fù)方向變化；若Ec為正時(shí)，系統(tǒng)本身有消除負(fù)小偏差的趨勢(shì)，選取Kp變化為正小即可。

（4)當(dāng)E為正大時(shí)：若Ec為正，E有增大的趨勢(shì)，為盡快消除己有的正大偏差并抑制偏差變大，Kp的變化取正大；若Ec為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)本身己有減少偏差的趨勢(shì)，為盡快消除偏差且又不超調(diào)，應(yīng)取較小的Kp；若Ec為負(fù)小時(shí)，Kp的變化取負(fù)中。

（5)當(dāng)E為正中時(shí)：Kp的變化應(yīng)使E差盡快消除，它的變化選取同E為正大時(shí)相同。

（6)當(dāng)E為正小時(shí)：系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)。若Ec為正時(shí)，選取Kp變化為正中，以抑制E往正方向變化；若Ec為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)本身有消除正小偏差的趨勢(shì)，選取Kp變化為負(fù)小即可。

4.2.2Ki的模糊控制規(guī)則變化規(guī)律

Ki的作用是消除靜差，使系統(tǒng)盡可能快地回到穩(wěn)態(tài)值，提高系統(tǒng)的控制精度。增大積分時(shí)間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)，因此它的模糊控制規(guī)則變化規(guī)律與Kp控制規(guī)則變化規(guī)律大致相反。

4.2.3Kd的模糊控制規(guī)則變化規(guī)律

Kd反映系統(tǒng)阻止偏差變大或者變小的能力。增大微分時(shí)間有利于加快系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。Kd的選取比較復(fù)雜，一般根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)選取。若E很大時(shí)，Kd應(yīng)取中等大小；若E較小時(shí)，Kd應(yīng)取較小值；若E為0，Kd也應(yīng)該取為0。

基于上述整定原則，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以得到△Kp、△Ki和△Kd模糊控制規(guī)則，如表2所示。

表2 △Kp/△Ki/△Kd模糊控制規(guī)則表

4.3 模糊控制查詢表的建立

模糊控制規(guī)則表是每個(gè)輸入模糊變量所對(duì)應(yīng)的輸出變量表。查詢表一般預(yù)先存儲(chǔ)在PLC中，當(dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，便于CPU根據(jù)輸入的信息從表格中查詢所需采取的控制輸出量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高控制效率。利用MATLAB可計(jì)算出PID的參數(shù)△Kp、△Ki、△Kd的查詢表。

5 模糊自整定PID控制器的仿真分析

5.1 伺服系統(tǒng)各模塊的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上文所介紹的液壓伺服位置控制系統(tǒng)，按伺服系統(tǒng)的各元件工作原理對(duì)各模塊建立數(shù)學(xué)模型。

（1）伺服閥傳遞函數(shù)

伺服閥傳遞函數(shù)可由理論分析得到，但是一般根據(jù)實(shí)際測(cè)試曲線求得。在本文中，由于液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固有頻率高于50Hz，可以用二階環(huán)節(jié)表示，即：

式中：

ξv--伺服閥阻尼系數(shù)，一般取0.7；

Kv--伺服閥流量增益，本文為0.0016；

ωv--伺服閥固有頻率，本文為340 rad/s。

（2）伺服放大器傳遞函數(shù)

伺服放大器的模型可以近似簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)為Ka，本文取 0.0125。

（3）閥控液壓缸傳遞函數(shù)

設(shè)伺服閥閥芯Xv為輸入，液壓缸活塞位移Xp為輸出，可根據(jù)流量線性方程、流量連續(xù)方程和力平衡方程建立傳遞函數(shù)有：

式中：

Kq--流量增益，本文為0.0016；

Ap--液壓缸活塞工作面積，本文為0.0346m2；

ξh--液壓缸阻尼系數(shù)，本文為0.6；

ωh--液壓缸固有頻率。

液壓缸固有頻率：

式中：

βe--油液的容積彈性模量，本文取700MPa；

S--液壓缸行程，本文為0.15m；

mt--活塞、油液等效到活塞上的質(zhì)量，計(jì)算得20kg；Vt--液壓缸活塞控制容積。

5.2 仿真分析

根據(jù)上節(jié)對(duì)各模塊建立的傳遞函數(shù)，利用MATLAB中Simulink作為仿真工具，對(duì)電液伺服位置控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將建好的各個(gè)物理對(duì)象仿真模塊按實(shí)際系統(tǒng)流程連接起來(lái)（如圖4所示）。

圖4 PID和FuzzyPID控制系統(tǒng)仿真框圖

在仿真模塊輸入端輸入階躍信號(hào)，執(zhí)行仿真可以得到FuzzyPID和常規(guī)PID響應(yīng)曲線，如圖5：

圖5 仿真結(jié)果

由模糊自整定PID和常規(guī)PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果可明顯看出，模糊自整定PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性得到了提高，主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)模糊自整定PID算法的初值為零，不需要人工給定初始整定值，它能通過(guò)自整定獲得參數(shù)的最優(yōu)值，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；而常規(guī)PID算法需要操作者根據(jù)以往的累積經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際的系統(tǒng)輸出經(jīng)多次試調(diào)之后獲得較優(yōu)值。

(2)模糊自整定PID算法的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間均小于常規(guī)PID算法。

(3)由仿真結(jié)果可看出將模糊自整定PID控制器用于鋼軌閃光焊控制系統(tǒng)能使系統(tǒng)的快速性和各項(xiàng)性能指標(biāo)得到顯著提高，具有響應(yīng)快、超調(diào)小、穩(wěn)定時(shí)間快的特點(diǎn)，顯示出了良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，且抗干擾能力強(qiáng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

從以上仿真分析可知，將模糊自整定PID控制策略應(yīng)用于交流閃光焊機(jī)速度控制系統(tǒng)可以彌補(bǔ)常規(guī)PID控制的不足，并具有控制靈活、超調(diào)量小、控制精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)閃光焊接的過(guò)程取得理想的控制效果，更有利于提高焊頭質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。