Инвариантная система управления режимом сварки на электротрубосварочном стане

В настоящее время широко применяются методы электросварки труб из непрерывно поступающей полосы [30]. Свернутая в рулон полоса металла подается на разматыватель и затем в петлевой аккумулятор. После обрезки и очистки кромок она, наконец, приходит в формовочную секцию стана, где профилированные валки изгибают полосу в форме трубы с продольным швом. Дальнейшая технологическая операция состоит в контактной электросварке шва и выполняется с помощью вращающихся электродных колец, подающих напряжение переменного тока к кромкам шва заготовки трубы. При этом обжимающие ролики сжимают кромки шва и через место их стыка проходит ток, вызывающий нагрев и сварку шва трубы. Электроды и сжимающие валки представляют замкнутый калибр и совмест-, ным действием создают в очаге сварки необходимое сварочное давление. Процесс происходит непрерывно, и в очаг сварки поступают все время новые участки кромок шва трубы, формирующие сварной шов по всей длине трубы.

Контактная электросварка труб указанным методом имеет ряд преимуществ перед другими способами производства труб и получает все более широкое применение. Среди ее преимуществ следует отметить следующие: возможность изготовления широкого сортамента труб по диаметру и толщине стенок, высокая точность изготовляемых труб и высокая производительность агрегатов.

Качество сварного шва трубы зависит от режима сварки, определяющего температуру трубы в месте образования сварного шва. Эта температура зависит от многих факторов, основными из которых являются толщина стенок и материал трубы, сила сварочного тока, величина контактного давления сварочных электродов и чистота поверхности свариваемой трубы. При постоянной толщине полосы металла, из которой формуется труба, оператору стана можно было бы установить и поддерживать стабильной величину сварочного тока. Однако толщина полосы металла, из которой формуется труба в месте сварки, непостоянна из-за колебаний разнотолщинности поступающей полосы, обусловленных недостаточной точностью работы станов горячей и холодной прокатки (см. п. 1 гл. V). Поэтому, если оператор электротрубосварочного стана установит, исходя из условий заданного материала и толщины полосы, сварочный ток, то в месте трубы, где полоса металла оказалась толще, температура шва в зоне сварки понижается и шов получается плохо проваренным.

Наоборот, в том месте трубы, где полоса металла тоньше, температура шва повышается, что может привести к прожиганию трубы. Плохо проваренный или прожженный даже в одном месте по длине всей трубы сварной шов приводит к браковке всей трубы1. Поэтому, на существующих в промышленности электротрубосварочных станах оператор стана должен все время вручную регулировать величину сварочного тока по показаниям температуры сварного шва в зоне сварки.

Однако из конструктивных соображений температура шва может измеряться лишь на некотором расстоянии от зоны сварки, что, в свою очередь, из-за запаздывания измерения (1,5— 3 сек) не позволяет в достаточной мере быстро управлять процессом сварки. Кроме того, работа оператора стана усложняется в связи с достаточно высокочастотными колебаниями толщины стенок трубы (до 2—3 гц), обусловленными колебаниями разнотолщинности поступающей полосы, вызывающими соответствующие колебания температуры сварного шва.

В свою очередь, ток сварки подвержен дополнительным колебаниям, обусловленным влиянием чистоты заготовки и давления сжимающих валков.

Применение обычных замкнутых систем управления с отрицательной обратной связью для управления режимов сварки на электротрубосварочном стане весьма затруднительно, поскольку подобная система нелинейна и обладает транспортным запаздыванием в измерении температуры сварного шва.

Поэтому целесообразно осуществить управление сварочным током в зависимости от изменения толщины полосы таким1 образом, чтобы температура сварки была неизменной. Подобная система является инвариантной системой управления (по возмущению) и способа нейтрализовать возмущения колебания толщины полосы в широком диапазоне частот, т. е. обладает высоким быстродействием. Структурная схема подобной инвариантной системы управления режимом сварки на электротрубосварочном стане приведена на рис. 121.

Перед формовочными клетями ФК стана устанавливается измеритель толщины М, который замеряет отклонение толщины полосы от номинального (заданного) значения. Измеренные значения отклонения толщины (аналогично схемам рис. 101) поступают на вход компенсирующего ВУ. Это устройство имеет блок регулируемого запаздывания (БРЗ), усилитель с изменяемым коэффициентом усиления и блок, учитывающий динамические характеристики регулятора сварочного тока(/со).

В разработанной схеме (рис. 121) в качестве БРЗ используется устройство, представленное на рис. 66, скорость движения магнитной ленты которого согласуется со скоростью полосы металла, поступающего в формовочные клети электротрубосварочного стана.

Требуемое время запаздывания от момента измерения толщины полосы измерителем М до зоны сварки устанавливается за счет соответствующей длины петли магнитной ленты между головками записи и воспроизведения БРЗ. Блок с передаточной функцией К (/со) строится на основе характеристик регулятора сварочного тока РСТ описанными ранее методами. На рис. 121 для простоты изображения регулятор сварочного тока РСТ представлен в виде одного блока, на вход которого поступает выходной, управляющий сигнал схемы компенсирующего ВУ (КВУ). Кроме того, оператор стана может вручную на основании предварительных данных о материале и номинальной толщине металла, из которой будет формоваться труба, задавать исходное значение уставки регулятору сварочного тока.

В реальной системе регулятор сварочного тока представляет собой следящую систему (рис. 122), управляющую возбуждением генератора через электромашинный усилитель ЭМУ и имеющую отрицательную обратную связь по току, осуществляемую при помощи трансформатора тока ТТУ включенного в цепь первичной обмотки трансформатора Т вращающихся электродных колец (ЭК). Трансформатор Т конструктивно выполнен вращающимся вместе с электродными кольцами ЭК стана. Реальная система управления нелинейна. Как указывалось выше, температура свариваемого шва, измеряемая датчиком температуры ДТ, является нелинейной функцией от толщины стенок кромки заготовки трубы. Нелинейной является также зависимость между величиной сварочного тока и толщиной при сохранении стабильной температуры в зоне сварки.

Лишь при малых отклонениях толщины стенок эта зависимость может быть линеаризована, причем коэффициенты линеаризованного уравнения зависят от выбора рабочего режима системы, осуществляемого предварительным заданием уставки РСТ, и ряда других факторов, отмеченных ранее.

Следовательно, практически нельзя быть уверенным в правильности исходной установки коэффициента усиления компенсирующего ВУ, а, кроме того, режим работы стана подвержен изменениям в процессе его работы. Поэтому в подобной системе управления режимом сварки на электротрубосварочном стане совершенно необходимо применение оптимизирующего ВУ, автоматически корректирующего в первую очередь коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности между величиной сварочного тока и замеряемыми отклонениями толщины полосы металла) компенсирующего ВУ.

Оптимизирующее ВУ (ОВУ) производит автоматическую коррекцию коэффициента усиления компенсирующего ВУ по методу косвенной оптимизации на основе критерия качества вида пс вдовзаимнокорреляционной зависимости между отклонениями толщины полосы АН от ее номинального значения и отклонениями температуры сварного шва Д0:

осуществляется на некотором расстоянии за электродными кольцами с помощью специально разработанного для этой цели датчика температуры.

Датчик температуры представляет собой контактную термопару, в которой измерительный электрод выполнен в виде ролика, движущегося по сварному шву трубы. Вторым электродом термопары является труба, которая заземляется через направляющие валки стана. Для электротрубосварочного стана, осуществляющего сварку стальных труб, в качестве материала измерительного электрода (ролика) целесообразно выбирать константан или копель, которые обеспечивают наибольшую величину термо-э. д. с. Контактная термопара измеряет температуру сварного шва трубы после гратоснимателя, чтобы обеспечить достаточно хорошие условия контакта измерительного электрода (ролика) с поверхностью шва трубы.

и колебаниями темпера-

. Поэтому блок регулируемого запаздывания БРЗ схемы компенсирующего ВУ (рис. 121) имеет вторую головку воспроизведения, расположенную за первой на расстоянии, обеспечивающем время запаздывания, равное времени прохождения трубы от зоны сварки до контактной термопары. Так как контактная термопара измеряет не истинную температуру шва в зоне сварки, в системе управления (рис. 123) имеется дополнительное устройство запоминания (ЗУ) начальной температуры шва, которая имела место при задании режима сварки вручную.

В разработанной системе управления в качестве запоминающего устройства ЗУ используется автоматический потенцио-

Аналогичное устройство применяется для запоминания начального значения толщины полосы на входе стана (рис. 123). Аппаратурная реализация оптимизирующего ВУ (рис. 123) достаточно проста и здесь не рассматривается (см. [36]). Изменение коэффициента усиления компенсирующего ВУ осуществляется с помощью изменения положения движка потенциометра, включенного в схему компенсирующего ВУ.

Общий вид разработанного варианта специализированного ВУ для инвариантной системы управления режимом сварки электротрубосварочного стана приведен на рис. 124. Слева виден блок регулируемого запаздывания БРЗ с магнитной лентой; справа сверху—автоматические потенциометры, верхний из которых является ЗУ, средний подключен к рентгеновскому измерителю толщины полосы и предназначен в качестве указывающего прибора толщиномера, нижний служит для показаний величины критерия качества в соответствии с формулой (vi.51).

Инвариантная система управления режимом сварки электротрубосварочного стана работает следующим образом. Если, например, измеритель толщины фиксирует в данный момент большую толщину полосы, чем заданная, компенсирующее ВУ через время, равное времени прохождения данного сечения полосы до зоны сварки СЭ, увеличит уставку РСТ и, следовательно, величину сварочного тока. Наоборот, уменьшение толщины полосы вызывает соответствующее уменьшение величины сварочного тока, при котором температура шва неизменна. В случае, если температура в зоне сварки изменяется, начинает работать оптимизирующее ВУ, которое корректирует коэффициент усиления компенсирующего ВУ таким образом, чтобы вновь свести колебания температуры к ее минимальному значению, при котором подынтегральное выражение "(VI.51) стремится к нулю.

Определение параметров компенсирующего ВУ и исследование процессов самонастройки

Температура сварного шва определяется известным из теории электросварки выражением

где Н0 — начальное значение толщины стенки трубы;

— масштабный коэффициент;

— амплитудное значение сварочного тока; 0о — значение температуры сварного шва.

получаем выражение

не превышает ±10%, то можно записать следующее приближенное выражение:

сварочного тока:

:

т. е.

определяется выражением

— время транспортного запаздывания от зоны сварки до контактной термопары системы, а коэффициент т0 учитывает перепад температуры между зоной сварки и местом контактного измерения температуры сварки шва.

  Тогда будет справедливо следующее выражение:

Передаточная функция компенсирующего ВУ, которое необходимо включить в систему, определится выражением

. Тогда уравнение (VI.57) записывается в виде

Следовательно, уравнение (VI.60) определяется выражением

получает вид

— передаточная функция РСТ.

  регулятора сварочного тока (см. рис. 122). Можно показать, что структурная схема регулятора сварочного тока имеет вид, показанный на рис. 125, причем здесь генератор сварочного тока, возбудитель и электромашинный усилитель представлены инерционными звеньями с передаточными функциями

где &6, &5, &4 — коэффициенты усиления, a T3t Т2, Т1 — соответственно постоянные времени звеньев.

Дифференцирующий трансформатор Тр2, включаемый в схеме РСТ для его стабилизации, имеет передаточную функцию вида

, причем М — коэффициент взаимоиндукции между первичной и вторичной обмотками трансформатора, a Ri и R2 — сопротивления, вводимые соответственно в первичную и вторичную обмотки трансформатора; k% — коэффициент жесткой обратной связи РСТ.

, соответствующая формуле (VI.65), приведена на рис. 126 для определенных

Тогда передаточная функция компенсирующего ВУ получает вид

, определяемый выражением

компенсирующего ВУ, коэффициент усиления которого k0 должен

автоматически корректироваться оптимизирующим ВУ. Синтез схемы компенсирующего ВУ с требуемой амплитудно-фазовой характеристикой и расчет его элементов могут быть выполнены описанными в п. 2 методами.

которое после дифференцирования принимает вид

и описывает процесс самонастройки коэффициента усиления компенсирующего ВУ инвариантной системы управления режимом сварки электротрубосварочного стана. Решение уравнения (VI.70) имеет вид

Условие устойчивости записывается в следующей форме:

тогда уравнение (VI.71) записывается в виде

, входящие в выражение (VI.74),

получим следующее уравнение процесса самонастройки коэффициента усиления k0 компенсирующего ВУ:

решение которого имеет вид

от колебаний толщины полосы

Приведенная на рис. 129 осциллограмма показывает изменения температуры сварного шва при ручном и автоматическом управлении для одинаковых условий работы стана. Осциллограмма показывает значительное (примерно в 5—7 раз)

уменьшение колебаний температуры при работе автоматической инвариантной системы (2) по сравнению с ручным управлением (У), что ведет к улучшению качества сварного шва и увеличению производительности электротрубосварочных станов.