自由曲面复杂焊缝成形的解耦控制模型与试验研究

论文摘要

随着飞机向着"体积大"、"速度快"方向发展,采用多轴数控加工、具有气动外形复杂结构的整体壁板类构件日益增多。由于这些结构件空间位置的限制,普通有效的双面焊接方法无法实施。针对航空焊接常见的自由曲面零件,如何保证成形质量下,实现高效率的自动化焊接控制,是现代航空制造一个关键难题。本研究针对航空制造这一特点,提出了自由曲面焊接质量精确控制方法。即基于焊接热过程解析公式的研究,获得焊接正面熔池信息(正面熔宽与熔池熔长)与表征焊缝成形质量的信息(背面熔宽)的关系,进而通过控制正面熔池信息达到控制焊缝成形质量的目的。焊接过程是存在高噪声干扰、有较大时滞和动态突变性的多种因素耦合过程,传统的单变量控制无法实现稳定控制。通过分析焊接工艺参数与焊接熔池信息的复杂耦合关系,建立了以焊接电流、焊接速度为输入量,正面熔宽、熔池熔长为输出量的双变量控制模型。针对测试法建模的弊端,利用解析法建立数学模型。即通过解析公式推导出输入与输出的数学关系,进行函数关系曲线的拟合,与一阶系统阶跃响应曲线对比,发现两者相似,推导得到输入与输出的传递函数。对建立的双变量耦合控制系统,通过前馈补偿解耦器消除输入与输出之间的耦合关系,将多变量系统拆解成两个单变量系统。采用PI控制策略,消除输出信号与给定量的偏差。设计了Smith预估补偿器消除时滞对系统稳定性的影响。通过MATLAB的Simulink的仿真试验,证实前馈补偿解耦控制器消除了输入与输出的耦合关系,PI控制器实现了系统的稳定控制,Smith预估补偿器消除了时滞的影响。对连续变板厚工件进行TIG焊接试验,首先基于解析公式得到正面熔宽与背面熔宽的关系,计算不同板厚时正面熔宽与焊接电流的关系。然后通过观察到的正面熔宽与计算值进行比较,调节焊接电流得到稳定的背面熔宽。实验结果证实了通过控制正面熔宽得到恒背面熔宽的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 研究现状及分析
• 1.3.1 熔透研究现状
• 1.3.2 焊缝成形控制的研究现状
• 1.3.3 焊接过程多变量控制方法的研究
• 1.3.4 存在的问题及发展趋势
• 1.4 研究内容及方法
• 第二章 焊接过程动态数学建模
• 2.1 控制原理
• 2.2 焊接传热解析模型
• 2.3 焊接多变量控制系统数学模型描述
• 2.3.1 控制系统的数学模型
• 2.3.2 控制变量及被控制变量的选择
• 2.3.3 控制系统数学模型描述
• 2.4 解析法传递函数
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于PI 的解耦控制系统设计
• 3.1 控制方案的讨论
• 3.2 PI 控制器参数与整定
• 3.2.1 PID 控制原理
• 3.2.2 PI 控制器参数的工程整定
• 3.3 多变量解耦控制器的设计
• 3.3.1 相对增益与变量配对的选择
• 3.3.2 解耦方法与解耦控制器设计
• 3.4 Smith 预估补偿器的设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 解耦控制系统试验验证
• 4.1 控制系统仿真介绍
• 4.2 解耦控制性能仿真试验研究
• 4.2.1 耦合关系仿真
• 4.2.2 解耦效果仿真
• 4.2.3 控制器参数整定及性能仿真
• 4.2.4 解耦控制系统性能仿真
• 4.3 Smith 预估补偿器性能仿真
• 4.4 实际试验验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢