電弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程的MATLAB仿真研究

1、CO2電弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程的MATLAB仿真研究摘要針對(duì)短路過(guò)渡型CO2電弧焊系統(tǒng)存在本質(zhì)非線性的特點(diǎn)，采用目前國(guó)際控制領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣的MATLAB軟件，建立了“弧焊逆變器非線性負(fù)載”系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型。該模型以組合圖形方式，直觀、有效地表征了各環(huán)節(jié)的特性。通過(guò)系統(tǒng)仿真定量地研究了CO2電弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程，給出了負(fù)載電壓、焊接電流隨時(shí)間變化的仿真波形和短路過(guò)渡型CO2電弧焊系統(tǒng)的相平面圖。應(yīng)用德國(guó)產(chǎn)Hannover-XII型焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)分析儀所獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果基本相符。從而為研制工藝適應(yīng)性?xún)?yōu)良的新型弧焊逆變電源和定量分析非線性弧焊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具。關(guān)鍵詞： CO2電弧焊

2、MATLAB仿真弧焊逆變器非線性負(fù)載Simulation Study on Dynamic Process of CO2 Arc Welding with MATLABYu Wensong,Xue Jiaxiang,Huang Shisheng,Zhang Xiaonan,Zhang Junhong（South China University of Technology,Guangzhou）Cheng Tao bo(Guangdong Academy of Science Automation Center,Guangzhou)Abstract：Based on intrinsic nonl

3、inear characteristics of CO2 arc welding with short circuit transient, the digital simulation mode for the system consisted of inverter and nonlinear load is developed with MATLAB. The simulation mode directly indicates the features of the system by means of visual modeling graph. Waveform of main s

4、tate variables in dynamic process of CO2 arc welding is given by simulation. And it is verified by experiment results which are obtained from the analyzer Hannover-XII made in Germany. MATLAB is a powerful tool for improving performances of arc welding inverter, and it is a new method for quantitati

5、ve analysis in the dynamic process of nonlinear arc welding system.Key wordsCO2 arc welding, MATLAB simulation, arc welding inverter, nonlinear load0序言CO2氣體保護(hù)電弧焊是一種低成本自動(dòng)化或半自動(dòng)化的高效焊接方法。弧焊逆變器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高和功率密度大等顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于短路過(guò)渡型CO2電弧焊工藝。為了解決提高引弧成功率、減小焊接飛濺、改進(jìn)過(guò)程穩(wěn)定性、控制焊縫成形以及降低操作技術(shù)要求等問(wèn)題，在CO2電弧焊系統(tǒng)中發(fā)展了模擬負(fù)載

6、反饋 、電子電抗器 、復(fù)合外特性和焊接電流波形控制等實(shí)用技術(shù)1，2。這些技術(shù)全是針對(duì)短路過(guò)渡型CO2電弧焊系統(tǒng)存在的本質(zhì)非線性而采取的有效對(duì)策。但是，實(shí)際中定量分析該系統(tǒng)的本質(zhì)非線性造成的影響常常是非常困難的。因此，有必要探尋新的有效工具，對(duì)包含弧焊逆變器的短路過(guò)渡型CO2電弧焊系統(tǒng)進(jìn)行定量動(dòng)態(tài)研究。計(jì)算機(jī)仿真是推動(dòng)焊接學(xué)科進(jìn)一步發(fā)展，使其由“經(jīng)驗(yàn)”走向定量分析的重要方法3。對(duì)CO2電弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究需要解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）建立表征系統(tǒng)本質(zhì)非線性的數(shù)學(xué)模型；（2）選擇算法可靠、界面友好的仿真軟件，設(shè)計(jì)相關(guān)仿真程序。MATLAB作為自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域最普及和最受歡迎的軟

7、件環(huán)境，具有矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖象處理等功能。還提供大量配套工具箱，如系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具4。因此，它可作為CO2電弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真環(huán)境。1仿真模型的建立1.1非線性負(fù)載的仿真模型短路過(guò)渡型CO2電弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程最明顯的特征是燃弧階段和短路階段交替進(jìn)行，在此兩階段中負(fù)載特性根本不同：（1）當(dāng)電弧長(zhǎng)度L0時(shí)，過(guò)程處于燃弧階段。根據(jù)電弧物理理論和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)5，6，負(fù)載電壓U=R1×I+X×L+A，其中等效電阻R1=0.035， 負(fù)載電流I=50500A，電弧的電位梯度X=1.6V/mm，常量A=18V。（2）當(dāng)電弧長(zhǎng)度L=0時(shí)，過(guò)程處于短路階段。負(fù)載電壓U=R2

8、×I，其中，等效電阻R2=0.01。上述非線性負(fù)載的特性可用圖1a來(lái)表示。由圖可見(jiàn)，在燃弧階段，表征負(fù)載狀態(tài)的點(diǎn)在平面上運(yùn)動(dòng)；在短路階段，該點(diǎn)在遠(yuǎn)離平面的一條線段上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩階段交替進(jìn)行時(shí)，表征負(fù)載狀態(tài)的點(diǎn)就發(fā)生跳躍。應(yīng)用MATLAB軟件設(shè)計(jì)的非線性負(fù)載的仿真模型如圖1b所示。其中由輸入接口L、I，增益環(huán)節(jié)X、R1，常量環(huán)節(jié)E，求和環(huán)節(jié)Sum以及輸出接口U以組合圖形的方式表達(dá)了燃弧階段的負(fù)載狀態(tài)方程。由輸入接口I，增益環(huán)節(jié)R2以及輸出接口U以組合圖形的方式表達(dá)了短路階段的負(fù)載狀態(tài)方程。當(dāng)兩階段交替進(jìn)行時(shí)，表征負(fù)載狀態(tài)的點(diǎn)發(fā)生跳躍的過(guò)程可以通過(guò)條件功能塊Switch來(lái)實(shí)現(xiàn)。此條件功能塊

9、選擇上通道或下通道由弧長(zhǎng)變量L決定。圖1非線性負(fù)載的仿真模型Fig.1Simulation mode for nonlinear load1.2弧長(zhǎng)變化的仿真模型圖2a表示了短路過(guò)渡型CO2電弧焊中弧長(zhǎng)L隨時(shí)間t的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。在短路結(jié)束瞬間，電弧長(zhǎng)度從零跳躍至最大值。在燃弧階段，弧長(zhǎng)隨著焊絲以恒定速度送進(jìn)而逐漸減小。圖2弧長(zhǎng)變化的仿真模型Fig.2Simulation mode change of arc length對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)變化仿真模型如圖2b所示。其中Switch是一個(gè)條件功能塊，它有三個(gè)輸入端，該功能塊的第二個(gè)輸入作為條件測(cè)試端。如果第二個(gè)輸入端大于或等于0，則Switch的輸出端等

10、于第一個(gè)輸入端，否則，Switch的輸出端等于第三個(gè)輸入端。由圖可見(jiàn)，信號(hào)發(fā)生器Signal給出的三角波與常量Cons1疊加，再經(jīng)Switch功能塊削去負(fù)波而獲得燃弧階段的弧長(zhǎng)變化波形。常量Cons2經(jīng)Switch功能塊作用而獲得短路階段的弧長(zhǎng)波形。1.3CO2電弧焊逆變器的仿真模型圖3示出了平外特性CO2電弧焊逆變器的仿真模型。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，我們將弧焊逆變器主電路包含的輸入整流濾波、IGBT逆變、高頻變壓器和輸出整流等部分綜合等效為直流電壓Us與占空比D相乘。此功能由乘法運(yùn)算環(huán)節(jié)Mult來(lái)完成。次級(jí)整流器的輸出電壓與負(fù)載電壓U之差作用于增益環(huán)節(jié)1/Ld和積分環(huán)節(jié)Int1，決定了直流電抗器

11、的輸出電流I。其中，Ld為直流電抗器的電感量。這一部分是弧焊逆變器主電路等效狀態(tài)方程的圖形表示。圖3逆變器的仿真模型Fig.3 Simulation mode for inverter誤差e等于給定電壓Ug與負(fù)載電壓U的差值。再經(jīng)增益環(huán)節(jié)Kp完成誤差比例運(yùn)算，增益環(huán)節(jié)Ki和積分環(huán)節(jié)Int2完成誤差積分運(yùn)算。其結(jié)果由求和環(huán)節(jié)Sum2相加。從而決定了占空比D的大小。這一部分是平外特性弧焊逆變器控制電路等效狀態(tài)方程的圖形表示。2仿真結(jié)果與分析討論連接上述非線性負(fù)載、弧長(zhǎng)變化和弧焊逆變器三個(gè)部分的仿真模型中同名輸入和輸出端口，綜合而成CO2電弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真模型，如圖4所示。圖4CO2電弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程

12、的仿真模型Fig.4Simulation mode for dynamic process of CO2 arc welding應(yīng)用MATLAB語(yǔ)言，可以方便地設(shè)置虛擬示波器來(lái)直接觀察仿真試驗(yàn)中任何狀態(tài)變量隨時(shí)間變化的過(guò)程，也可以使用繪圖命令將系統(tǒng)仿真的結(jié)果用圖形表達(dá)，還能對(duì)結(jié)果進(jìn)行求均值、方差等數(shù)據(jù)處理。圖5a、b分別為負(fù)載電壓、焊接電流隨時(shí)間變化的仿真波形。由圖可見(jiàn)，在短路結(jié)束瞬間，負(fù)載電壓突然上升至最大值，焊接電流也到達(dá)最大。在燃弧階段，逆變器輸出整流電壓低于燃弧電壓，輸出直流電抗器釋放磁能，焊接電流和電弧電壓均減小。在燃弧結(jié)束瞬間，負(fù)載電壓突然下降到最小值，焊接電流也維持最小。在短路階

13、段，逆變器輸出整流電壓高于燃弧電壓，輸出直流電抗器儲(chǔ)存磁能，焊接電流迅速上升且負(fù)載電壓相應(yīng)增大。負(fù)載電壓隨焊接電流變化的仿真波形如圖5c所示，這是短路過(guò)渡型CO2電弧焊系統(tǒng)的相平面圖，反映了弧焊逆變器輸出特性與非線性負(fù)載相互作用的綜合效果。圖5主要狀態(tài)變量的仿真波形Fig.5Waveform of main state variables by simulation3試驗(yàn)驗(yàn)證焊接工藝試驗(yàn)采用平特性的400A IGBT逆變式CO2弧焊電源，平均焊接電壓為20V，平均焊接電流為145A。使用直徑1 mm的鍍銅低碳鋼焊絲，直徑1.2mm的導(dǎo)電嘴與水平放置的長(zhǎng)250 mm寬200 mm厚10 mm低碳鋼板之間的垂直距離為10 mm。CO2保護(hù)氣體的流量為15L/ min。焊接速度為300 mm/ min。焊接電流和焊接電壓的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由德國(guó)產(chǎn)Hannover-XII型焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)分析儀記錄并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)內(nèi)。相平面圖由計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。分別將圖6 所示的負(fù)載電壓、焊接電流、相平面圖的實(shí)測(cè)波形與圖5所示對(duì)應(yīng)的仿真波形進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果是基本一致的。圖6實(shí)測(cè)的狀態(tài)變量波形Fig.6Wav