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。鋼軌閃光焊機應(yīng)用最為廣泛的是烏克蘭巴頓公司的K系列交流焊機和瑞士施拉特（SCHLATTER）公司生產(chǎn)的直流焊機。

國內(nèi)K系列交流閃光焊機應(yīng)用時間較長，種類較多，應(yīng)用技術(shù)成熟。同時，經(jīng)過多年的技術(shù)和經(jīng)驗積累，國產(chǎn)閃光焊機也得到了迅速發(fā)展。目前，應(yīng)用比較成熟的國產(chǎn)設(shè)備有LR900、LR1200和UN5-150等型號交流閃光焊機和UNG-1000直流閃光焊機等。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 閃光焊簡介

閃光焊的基本原理是利用電流通過電阻時所產(chǎn)生的熱量來加熱焊件，使焊件接觸點迅速升溫 (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，以達到焊接目的。

圖1 閃光焊機控制電壓示意圖

鋼軌脈動閃光焊工藝如圖1所示，主要分為脈動閃光階段（預(yù)熱閃光階段）、穩(wěn)定脈動閃光階段、低壓脈動閃光階段、加速燒化、頂鍛和保壓階段等。脈動閃光焊工藝的特點是加熱效率高，焊接時間短，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效燒化量大的缺點。

2 工藝需求

根據(jù)閃光焊工藝要求和特點可知，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，提高脈動加熱效率，當(dāng)然還要考慮發(fā)電機組的負(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)電機組和焊接變壓器，因而一般選擇比較適中的速度，且前進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，因為初期端面已經(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，該階段需要進一步提高脈動效果，因而前進速度要求不斷增大，而后退速度則相對減小。焊接后期，也就是加速燒化階段，要求降低脈動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。一個前提條件是必須控制焊機動架的送進速度與鋼軌端面的實際燒化速度相匹配，使得實際焊接電流值基本保持在設(shè)定電流值附近均勻波動。送進速度過低時，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；送進速度太快時，接觸單元形成的數(shù)量就快速增多，激發(fā)閃光所需要焊機的輸出功率就隨之加大，此時容易出現(xiàn)鋼軌端面短路，導(dǎo)致產(chǎn)生過熱或過燒缺陷；當(dāng)送進速度與燒化速度相適應(yīng)時，才能保證燒化加熱過程的順利進行，從而獲得良好的焊接質(zhì)量。由于送進速度快慢直接影響焊接電流的大小，我們可以通過控制焊接閃光速度來達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)反饋控制送進速度，當(dāng)控制方式選擇合理時，在閃光過程中既不會出現(xiàn)短路，也不會出現(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，速度控制是焊機控制系統(tǒng)的重點。焊機速度控制回路如圖2。

圖2 電液伺服比例控制原理圖

焊機速度控制系統(tǒng)采用伺服比例閥放大卡和伺服比例閥來實現(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對焊接電流進行采樣，并輸入PLC進行處理；采用高精度電阻式位移傳感器記錄單位時間內(nèi)的位移量，并輸入PLC中計算出焊接閃光速度。PLC根據(jù)采集到的電流值計算出焊接閃光速度的控制值，設(shè)定對應(yīng)的電壓值控制伺服閥放大卡，通過放大卡調(diào)整比例閥的進油方向和流量，控制動架油缸的送進速度，實現(xiàn)對閃光燒化速度的控制。當(dāng)PLC給定閃光速度時，設(shè)定好的的電壓值輸出到伺服閥放大卡，放大卡通過負(fù)反饋控制和PID調(diào)節(jié)功能自動調(diào)節(jié)流量達到設(shè)定值，使焊接送進速度與后退速度保持相對穩(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)定的燒化前進速度和實測焊接電流有關(guān)，控制系統(tǒng)會自動進行反饋調(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)--頂鍛油缸前進時，第K次焊接電流測量值和焊接設(shè)定值的偏差；

E2(K)--頂鍛油缸后退時，第K次焊接電流測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速度和最大后退速度時比例閥的電壓控制值；

It(K)--第K次實際測量的焊接電流值；

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在閃光焊的各個階段分別設(shè)定為不同的值，值的選取通過多次的工藝試驗累積實踐經(jīng)驗所得。

焊接速度控制采用常規(guī)PID控制模型，具有原理簡單、易于實現(xiàn)、參數(shù)整定方便、結(jié)構(gòu)改變靈活、適應(yīng)性強等特點，其核心是參數(shù)整定。對于確定的被控對象通過適當(dāng)整定PID的三個參數(shù)，則大多數(shù)控制對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，在大多數(shù)情況下都能獲得滿意的控制效果。然而，閃光焊過程是一個多變量、非線性、時變、隨機干擾較強的多階段焊接控制過程，其閃光電流的瞬變性和非線性，閃光過程的多階段切換，以及液壓系統(tǒng)的時滯和慣性變化，都會影響被控對象的一致性，使得對閃光焊過程建立精確的數(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，都會使得一套固定的PID參數(shù)不能完全滿足焊接全過程的控制需要。

隨著被控對象的狀態(tài)變化，PID參數(shù)也必須進行一定的調(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)的實時性能要求。為此，我們考慮采用智能控制來實時完成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)驗預(yù)先存儲在PLC中，PLC根據(jù)不同的電流值以及控制效果的偏差自動選取不同的PID參數(shù)，然后及時改變控制力度，將被控對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象的數(shù)學(xué)模型、適應(yīng)能力強的優(yōu)點，但它的穩(wěn)態(tài)精度差。因此，針對PID控制器和模糊控制器的特點，將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來，構(gòu)成模糊PID參數(shù)自整定控制器，可以揚長避短，既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點，從而對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，加上一個模糊控制環(huán)節(jié)，模糊控制環(huán)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)的實時狀態(tài)，對PID的三個參數(shù)進行在線整定，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)驗可知，影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素主要有四點：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，通過工藝參數(shù)的簡單調(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，在后期階段的切換過程也可采用，以獲得平滑穩(wěn)定的階段過渡。

4 模糊自整定PID控制器的設(shè)計

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。輸出語言變量為PID控制器三個參數(shù)的增量，分別為△Kp，△Ki，△Kd。結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，總結(jié)出輸入輸出變量精確值的變化范圍以及量化等級，如表1所示。

表1 輸入輸出變量定義表

模糊集合語言值選擇 {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)驗和實際調(diào)試要求，對于不同的偏差E和偏差變化率Ec，對PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的自整定要求，可以依據(jù)以下的規(guī)則進行調(diào)整。

4.2.1Kp的模糊控制規(guī)則變化規(guī)律

在實際應(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，但過大的比例系數(shù)會使系統(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：若Ec為負(fù)，E有增大的趨勢，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，系統(tǒng)本身己有減少偏差的趨勢，為盡快消除偏差且又不產(chǎn)生過大超調(diào)，應(yīng)取較小的Kp；若Ec為正小時，Kp的變化取為正中。

（2)當(dāng)E為負(fù)中時：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)大時相同。

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

（4)當(dāng)E為正大時：若Ec為正，E有增大的趨勢，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，系統(tǒng)本身己有減少偏差的趨勢，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，Kp的變化取負(fù)中。

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

（6)當(dāng)E為正小時：系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)。若Ec為正時，選取Kp變化為正中，以抑制E往正方向變化；若Ec為負(fù)時，系統(tǒng)本身有消除正小偏差的趨勢，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)靜差消除時間變長，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)對擾動的抑制能力減弱。Kd的選取比較復(fù)雜，一般根據(jù)實踐經(jīng)驗適當(dāng)選取。若E很大時，Kd應(yīng)取中等大??；若E較小時，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)合實踐經(jīng)驗，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)則表是每個輸入模糊變量所對應(yīng)的輸出變量表。查詢表一般預(yù)先存儲在PLC中，當(dāng)進行實時控制時，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)省計算時間，提高控制效率。利用MATLAB可計算出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)實際測試曲線求得。在本文中，由于液壓執(zhí)行機構(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)對各模塊建立的傳遞函數(shù)，利用MATLAB中Simulink作為仿真工具，對電液伺服位置控制系統(tǒng)進行仿真，將建好的各個物理對象仿真模塊按實際系統(tǒng)流程連接起來（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，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，主要有以下幾個優(yōu)點：

(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，它能通過自整定獲得參數(shù)的最優(yōu)值，且實現(xiàn)簡單；而常規(guī)PID算法需要操作者根據(jù)以往的累積經(jīng)驗以及實際的系統(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)定時間快的特點，顯示出了良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，且抗干擾能力強。

6 結(jié)束語

從以上仿真分析可知，將模糊自整定PID控制策略應(yīng)用于交流閃光焊機速度控制系統(tǒng)可以彌補常規(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)性強等優(yōu)點，可以對閃光焊接的過程取得理想的控制效果，更有利于提高焊頭質(zhì)量，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。