基于AMESim的剪切-闪光对焊机最优控制器设计

摘要：剪切闪光对焊机液压位置伺服控制系统是保证焊接质量的关键环节．文章根据现代控制理论，应用AMESim 系统建模和仿真软件建立了该系统的机电液一体化模型和二次型最优控制器模型．对仿真结果的分析表明应用该方法所得到的控制器参数具有良好的动态品质和跟踪性能．

　　关键词：剪切闪光对焊；电液流量伺服阀；AMESim；二次型最优控制

　　

　　剪切—闪光对焊技术相对于二氧化碳气体保护焊、埋弧焊等焊接技术过程时间短，产品质量好，焊缝平整容易处理，自动化程度高，正在成为薄板和焊管等生产线上的主流技术．大截面薄板剪切—闪光对焊工艺流程分预热、闪光、顶锻、保持、恢复5 个阶段．其中预热闪光阶段液压系统能准确快速跟踪位移工艺曲线是保证焊接质量最重要的技术环节之一．因此设计具有良好动态性能和跟踪性能的控制器，是设备研制中的关键．

　　

　　分析了焊机电液受控系统的二次型性能指标最优调节器数学模型，在AMESim 软件环境中建立了仿真模型，通过对剪切—闪光焊接工艺中液压缸输出位移动态响应特性的仿真分析来寻找合适的控制器参数．

　　

　　1 模型建立

　　

　　1.1 焊机结构和工作原理

　　

　　焊机由工作台、焊机电源、钢板1、钢板2、静夹钳、动夹钳、工业计算机、电液伺服阀、液压缸、压力传感器、位置传感器等组成，如图1 所示．为保证焊接质量，两个钢板断面要经过剪切处理，钢板2 与钢板1 保持一定距离等待闪光焊接．工业计算机带有模拟量输入输出板卡，用于采集系统的状态变量和实现最优调节器计算及输出控制信号．预热闪光对焊工艺曲线，如图2 所示[1，2]．图2 中S代表动夹钳位移，F代表压力，I代表焊接电流，Fu代表顶锻压力，ΔUp代表顶锻留量，ΔUf代表闪光留量．

1.2 电液伺服控制系统的数学模型

　　

　　控制系统核心是三级电液流量伺服阀，见图3．图3 中，1 为力矩马达；2 为扭矩管；3 为先导控制阀芯； 4 为主控制阀芯； 5 为内置放大器；6 为感应式位移传感器．针对该阀的结构特点在AMESim 中建立电液控制系统[3，5]（图4）．

该系统可用有限时间动态方程描述

式中：A为系数矩阵；B为控制矩阵；C为输出矩阵；X为状态向量；Y为输出向量．状态向量为x1：液压缸位移；x2 ：液压缸速度；x3 ：负载压降；x4 ：伺服阀阀芯位移．输出矩阵C仅考虑液压缸位移量．

最优二次型求解

　　

　　该系统的最优控制目标是寻找一个控制向量u(t)，要求误差e(t)最小同时控制变量u(t)大小适当．因此选择最优控制指标为