第33卷第11期 2012年11月
焊接学报
TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION
Vol.33No.11 November2012
钛合金电子束焊熔宽PID控制系统建模与仿真
石铭霄，张秉刚，陈国庆，樊丁！（1.兰州理工大学甘肃省有色金属新材料重点实验室，兰州730050 2.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨150001）
摘要：由于焊接过程的复杂性，因此很难得到熔池动态过程的解析数学模型，使得焊接过程建模成为焊接过程控制的一大难题，为了建立电子束焊熔池动态过程模型，采用阶跃响应法确定出了钛合金电子束焊电子束流与熔宽的数学模型的类型和结构，计算出了该模型的参数，建立了电子束流与熔宽的传递函数模型，利用获得的电子束流与熔宽的数学模型，采用Z-N经验公式法确定出了PID控制器参数，在此基础上利用 MATLAB/SIMULINK建模与仿真平台建立了钛合金电子束焊熔宽PID控制系统模型，并对该模型进行了仿真试验，结果表明，所设计的控制系统动态性能和稳态性能良好关键词：电子束焊：熔宽：建模：仿真
中图分类号：TC409 0序言
文献标识码：A
文章编号：0253360X(2012)11000504
制系统动态性能和稳态性能良好
实现焊接自动化是焊接技术的发展趋势之()，真正意义上的自动化焊接，其核心间题仍然是实现对焊接熔池动态过程的自动控制2]，经典控制系统首先要求建立被控对象的数学模型，在此基础上才能进行PID控制系统的设计(3)，即便是近年来发展起来的智能控制理论，尽管在一定程度上不依赖于精确的数学模型，但有尽量多的被控对象动态特性的知识对建立任何一种智能控制系统来说都是有帮助的。但是由于焊接过程是多参数强耦合非线性时变的过程，因此很难得到熔池动态特征的解析模型，使得焊接熔池动态过程的实时控制以及由此决定的焊接质量控制成为困扰焊接界的一大难题[4,5]，也是实现焊接自动化的最大障碍，为了实现焊接过程自动控制，对焊接动态过程有一个系统的认识是十分必要的
文中采用阶跃响应法确定出钛合金电子束焊电子束流与熔宽的数学模型的类型和结构，并且计算出了该模型的参数，在获得被控对象数学模型的基础上，利用MATLAB/SIMULINK建模与仿真平台建立了钛合金电子束焊熔宽PID控制系统模型，并对该模型进行了仿真试验，试验结果表明所设计的控
收稿日期：2012-02-15
基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（2010CB731704) 万方数据
石铭霄
电子束流与熔宽数学模型的辨识
1 1.1
电子束流对熔宽的影响规律
为了找到电子束流对熔宽变化的影响规律，在 100mm×50mm×20mm的TA15钛合金平板上进行了堆焊试验，在其它参数一定的情况下，改变束流大小进行焊接，定义焦点在工件表面以上时为正，在工件表面上时为零，在工件表面以下时为负，具体试验条件如表1所示。
表1堆焊试验条件
Experimental conditions of surfacing
Table1
台游 1 2 3
工作距离 d/mm 175 175 175 175
加速电压 U/kv
55 55 55 55
焊接速度
电子束流
t/(mm.s-1) 1/mA
20 30 40 50
6 6 6 6
焦点位置 f/mm 0 0 0 0
熔宽随电子束流的变化如图1所示，由图1可知熔宽随着电子束流的增大而增大，这主要是由于电子束流增大导致工件热输人增加，因而熔宽也相应增大