1.2.2. Информация, необходимая для проектирования систем автоматического регулирования

Напомним, что применение систем автоматического регулирования обусловлено необходимостью компенсировать (частично или полностью) влияние возмущений на параметры

9

качества продукции. Уже из этой фразы можно заключить, что в объем информации на проектирование систем автоматического регулирования должны войти такие сведения, как перечень параметров качества и наиболее вероятных возмущений, действующих на эти параметры, перечень параметров режима, т.к. компенсировать влияние возмущений в частных случаях можно за счет стабилизации рабочих значений этих параметров. Поэтому в техническом задании необходимы сведения о допустимых отклонениях параметров режима.

Задача определения допустимых отклонений параметров режима может быть решена технологом расчетным путем, если известны математические модели, связывающие параметры качества с параметрами режима, или на основе специально проведенного эксперимента, когда таких моделей нет. В профессиональной деятельности второй путь – экспериментальное исследование – наиболее вероятен, а специфика определения допустимых отклонений в конкретной ситуации зависит с методической точки зрения не от физической природы параметров, а от того, сколько параметров качества и параметров режима принимается во внимание.

Задачу по определению допустимых отклонений параметров режима можно сформулировать следующим образом:

зная рабочие значения параметров режима и соответствующие им параметры качества, по допустимым отклонениям параметров качества определить допустимые отклонения параметров режима.

Рассмотрим некоторые ситуации по мере их усложнения, начиная с простейшей.

Самой простой следует считать ситуацию, когда технологическую операцию можно охарактеризовать одним параметром режима (обозначим этот параметр через Х) и одним параметром качества (обозначим этот параметр через Y). По условию задачи известно Хр, Yр, Yд. Требуется определить Хд. Для решения вопроса необходимо провести эксперимент, позволяющий построить зависимость Y = f (Х).

Порядок определения Хд после проведения эксперимента состоит в следующем:

а) необходимо построить график зависимости параметра качества Y (ось ординат) от параметра режима Х (ось абсцисс) так, чтобы он проходил через точку с заданными рабочими координатами параметров процесса или близко от нее;

10

б) если график нелинейный, следует провести касательную к нему в рабочей точке и далее работать с касательной;

в) от заданного значения параметра качества отложить вверх (вниз) по оси ординат его допустимое значение Yд и, используя касательную, определить максимально (минимально) допустимое значение параметра режима на оси абсцисс;

г) определить допустимое отклонение параметра режима (статическую точность стабилизации этого параметра) как разность

между рабочим значением и его максимальным (минимальным) значением.

Предположим для примера, что параметром режима является ток дуговой сварки (Iр = 80 А), а параметром качества – ширина шва (Ер = 8 мм) стыкового соединения. При этом Ед = 1 мм.

О пределение Iд для принятых условий показано на рис. 3, где точка, соответствующая рабочим значениям параметров процесса, обозначена буквой «а». Из построения видно, что Iд =  6 А.

Рис. 3. Определение допустимого отклонения тока сварки

Изменим, незначительно усложнив, исходную ситуацию: пусть параметров качества будет два (Y1, Y2) и по-прежнему один параметр режима (Х).

Порядок определения Iд в этой ситуации предполагает построение по результатам эксперимента двух графиков: один для зависимости Y1 = f (Х), другой для зависимости Y2 = f (Х). По первой зависимости так же, как показано на рис. 3, определяется допустимое отклонение Хд1, при котором обеспечиваются допустимые значения параметра Y1, по второй - Хд2, при котором обеспечивается требуемое качество параметра Y2.

Если оказалось, как это обычно бывает, что отклонения Хд1

11

и Хд2 не равны, для окончательного решения следует выбрать меньшее из них, т.к. только в этом случае будет гарантировано качество и для Y1, и для Y2.

Теперь можно сделать обобщение: если конкретная ситуация характеризуется одним параметром режима и количеством параметров качества больше одного, из всех локальных (частных) допустимых отклонений параметра режима окончательно как максимально допустимое должно быть выбрано наименьшее.

Во всех этих ситуациях решение о максимально допустимом отклонении единственное и однозначное.

Рассмотрим простейшую ситуацию, которая принципиально отличается от предыдущих тем, что допускает множество решений (теоретически – бесконечное множество).

Пусть параметров режима два (Х1 и Х2), а параметров качества один (Y). Для этой ситуации должен быть проведен эксперимент, позволяющий построить графики для двух зависимостей: Y = f(Х1) при Х2 = Х2р и Y = f(Х2) при Х1 = Х1р. Предположим, что эксперимент проведен и графики построены (напомним, если графики нелинейны, следует провести касательные к ним через точки с рабочими значениями параметров).

Дальнейшие действия состоят в следующем:

а) по каждому из графиков определяют так называемые коэффициенты влияния:

К_Х1 = Y/X1 и К_Х2 = Y/X2,

для чего задают любое удобное значение Y, используя которое, находят из графиков соответствующие значения Х1 и Х2, после чего определяют численные значения коэффициентов влияния (предположим для примера, что К_Х1 = 0,5 и К_Х2 = - 0,2);

б) составляют уравнение для допустимого отклонения параметра качества, используя числовые значения коэффициентов К:

Yд = 0,5Х1 + 0,2Х2. (1)

Знаки слагаемых в уравнении (1) должны быть одинаковыми, если даже коэффициенты К имеют разные знаки; это правило обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, отклонения параметров режима от рабочих значений независимы друг от друга, и, во-вторых, допустимые отклонения параметров режима целесообразно определять для условия, при котором отклонения параметра качества, вызванные тем и другим параметром режима, суммируются.

Далее заменяют Yд на его числовое значение, которое по условию задачи, напомним, должно быть известно.

12

Пусть Yд = 1, тогда

1 = 0,5Х1 + 0,2Х2. (2)

Требуемое качество будет обеспечено, если при одновременно возникших отклонениях сумма слагаемых правой части уравнения (2) будет равна единице или будет меньше единицы. Таких парных решений для значений Х1 и Х2 может быть теоретически бесчисленное множество. Выбрать конкретное решение для значений Х1 и Х2 – дело разработчика систем автоматического регулирования. Уравнение (2) может быть представлено геометрически в координатах Х1 и Х2 прямой линией, которую можно назвать линией равного уровня для Yд = 1.

Чтобы построить линию равного уровня, удобнее всего найти две ее точки, одна из которых лежит на оси Х1, другая – на оси Х2. Так, для уравнения (2) при Х2 = 0 Х1 = 2, а для Х1 = 0 Х2 = 5. Линия равного уровня, проходящая через точки с

а) б)

Рис. 4. Построение области допустимых отклонений

параметров режима

координатами Х2 = 0; Х1 = 2 и Х1 = 0; Х2 = 5, показана на рис. 4,а. Треугольник, образованный отрезками координатных осей и линией равного уровня, называется областью допустимых отклонений (ОДО) параметров режима. Любая точка, взятая на границе этой области, определяет пару максимально допустимых отклонений для параметров Х1 и Х2, для чего достаточно из взятой точки провести перпендикуляры на каждую из координатных осей. Если координаты точки таковы, что она располагается внутри ОДО, - качество будет выше, т.е. отклонения Yд будут меньше максимально допустимых. Если точка располагается за пределами

13

ОДО, - качество будет хуже, т.е. отклонения Yд будут больше максимально допустимых.

Таким образом, в техническом задании на проектирование систем автоматического регулирования должно быть указано или уравнение линии равного уровня, позволяющее вычислить максимально допустимые отклонения для параметров режима, или приведена область допустимых отклонений, когда геометрическая интерпретации возможна.

В том случае, когда при двух параметрах режима параметров качества два и более, уравнения и линии равного уровня строятся для допустимого отклонения каждого параметра качества. Так, на рис. 4,б область допустимых отклонений построена для двух параметров качества и ограничена отрезками координатных осей и ближайшими к ним отрезками «аб» и «бв» линий равного уровня.

Если параметров режима три и более, для определения допустимых отклонений параметров режима становится целесообразным проведение полного или дробного факторного эксперимента с центром в точке с рабочими значениями параметров режима. Результат такого эксперимента может быть представлен системой уравнений, связывающих количественно параметры качества с параметрами режима в пределах области изменения (варьирования) параметров режима при проведении эксперимента. Например, для четырех параметров режима (Х1, Х2, Х3, Х4) и двух параметров качества (Y1, Y2) система уравнений может иметь следующий вид:

Y1 = Ко1 + К1*Х1 + К2*Х2 + К3*Х3 + К4*Х4;

Y2 = Ко2 + К5*Х1 + К6*Х2 + К7*Х3 + К8*Х4.

Все коэффициенты К для этих уравнений количественно определяются по результатам эксперимента. Подробно планирование полного факторного эксперимента и обработка его результатов изложены в [2].

Итак, можно сформулировать еще одно обобщение: если параметров режима больше одного, то независимо от количества параметров качества решений по поводу значений максимально допустимых отклонений параметров режима может быть множество.

Кроме параметров режима, процесс сварки характеризуется также параметрами пространственного положения сварочного инструмента. Основными из этих параметров являются: отклонение электрода в сторону от стыка; установочная длина дуги (расстояние от конца электрода до поверхности изделия, выставляемое перед началом сварки) и наклон оси электрода к поверхности изделия.

14

По поводу этих параметров в техническом задании на разработку соответствующих систем автоматического регулирования должны быть указаны, так же как и для параметров режима, допустимые отклонения от заданных рабочих значений.

Относительно допустимого смещения в сторону от стыка и допустимого отклонения от заданной величины угла наклона вопрос для конкретных ситуаций решается обычно на основе результатов специально организованного эксперимента.

По поводу допустимого отклонения установочной длины дуги на основании многолетнего опыта установлено, что при сварке неплавящимся электродом в широком диапазоне сварочных токов (примерно от 80 до 500 А) при стабилизации установочной длины дуги с точностью  0,5 мм обеспечивается желаемое качество процесса сварки. При сварочных токах меньше 80 А точность стабилизации должна быть примерно в два раза выше. При сварке на токах выше 500 А точность стабилизации может быть несколько ниже, например,  0,8 мм или даже 1,0 мм.

Если изделие, которое подлежит сварке, имеет кривизну свариваемого соединения в горизонтальной или в вертикальной плоскости, обусловленную конструкцией изделия, в техническом задании следует дать эскиз соединения с размерами, характеризующими кривизну, или приложить к техническому заданию чертеж изделия, позволяющий количественно судить о кривизне соединения.

Поскольку для отслеживания кривизны потребуется применять специальный датчик, разработчику системы автоматического регулирования обязательно потребуется информация о сборочных приспособлениях и поперечном сечении собранного под сварку соединения. Эти сведения нужны для того, чтобы правильно выбрать габариты датчика (датчиков), а также способ и место его (их) размещения на сварочном оборудовании.

В заключение подчеркнем, что грамотно и полно разработанное техническое задание – залог успешного проектирования автоматической системы управления любым объектом, независимо от его физической природы.

15

2. Автоматическое управление циклом работы технологического оборудования

При выборе сварочного оборудования, его внедрении, эксплуатации и модернизации инженеру-технологу в области сварки достаточно часто приходится обращаться к принципиальным электрическим схемам сварочных полуавтоматов, источников питания и специальных сварочных установок. Чтобы достаточно свободно, квалифицированно «общаться» с электрическими схемами автоматического управления циклом работы технологического оборудования, инженер-технолог должен, как минимум, уметь:

изображать простейшие схемы подключения сварочного оборудования и отдельных его устройств к питающей сети и простейшие схемы управления этим оборудованием;

читать средней сложности принципиальные электросхемы релейно-контактного управления циклом работы технологического оборудования;

составлять описание работы принципиальных релейно-контактных схем управления средней сложности.