焊接过程中的PID控制原理

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：单片机对于焊接参数的控制，可以通过编程实现有关工艺参数的PID控制算法，利用单片机强大的逻辑功能，可以使PID控制更加灵活。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

PID控制是工业过程控制中应用最为广泛的一种控制方法，在弧焊过程的控制领域也同样得到焊接工作者的青睐。单片机对于焊接参数的控制，可以通过编程实现有关工艺参数的PID控制算法，利用单片机强大的逻辑功能，可以使PID控制更加灵活。

1.PID调节算法

按闭环系统误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器称为PID调节器。它具有结构简单、参数易于调整、应用广泛等特点。理想PID控制算式如下：

图5-1-26 典型的双脉冲焊电流波形

图5-1-27 双脉冲焊接流程图及强、弱脉冲子流程程序

式中 u——调节器输出控制量；

K_p——比例系数；

e——给定量与反馈量之间的偏差；

T_i、T_d——分别为积分常数和微分常数。

单片机系统是离散控制系统，因此，理想PID必须进行离散化，经过离散化的PID调节器成为数字PID调节器。其算式如下：

式（5-1-2）在任何瞬时的控制量输出u都对应于执行机构，如调节阀的位置，故称此式为位置型算式。在采样时间t=kT（T为采样周期）时刻，实际数字PID调节器的控制规律如下：

式中 u（k）、K_p、e（k）、T_i、T_d——分别与上式对应物理量的说明相同；

u（0）——控制常量。

那么：

因为：

可以得出：

式（5-1-6）被称为增量式PID算式。采用这种算法，算式只与最近几次采样有关，不易引起误差积累，可以降低出现机器故障的可能性。

在PID调节器中，比例、积分和微分常数，需要根据不同的控制对象选择不同的数值，还需要经过现场调试才能获得较好的效果。

2.数字PID调节参数选择

PID调节器是一种线性调节器，系统的给定值和反馈值的差成为偏差，对偏差进行的比例、积分、微分线性组合构成控制量式（5-1-3）。它们在PID调节器中的作用如下：

1）比例调节作用：按照比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以便减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

2）积分调节作用：使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节就停止。积分作用的强弱取决于积分时间常数T_i，T_i越小，积分作用就越强。反之，T_i大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节或PID调节器。

3）微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反映的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

一般来说，被控对象的精确数学模型很难建立，PID调节参数的选择需要反复调试才能找到比较理想的参数值，对不同的控制系统，也没有参考值可循，但是可以根据上述PID调节作用原理，对参数进行选择。

如果输出能迅速达到目标值，但是过冲很大，可能原因是比例系数过大，或者微分作用较弱，对对象的反应不敏感。

如果输出达不到目标值，小于目标值的时间较多，可能原因是比例作用较小，或者积分作用较小，对偏差补偿不足。

如果输出能够基本控制在目标值上，但是上下偏差过大，经常波动，可能原因为积分作用过大，引起系统不稳，或者微分作用过小，对即时变化反应不够快，也可能是调节周期短，系统调节频率过大。

如果系统受工作环境影响较大，对外部干扰敏感，可能原因是微分作用太大，或者是调节周期过长，不能及时修正。

3.带死区的数字PID控制算法

焊接过程是一种非线性系统，采用PID调节的控制算法，由于积分饱和、系统干扰等原因，控制量的超调可能很大，为了避免控制量的过大或者过小，在应用中，设置控制量的死区，对控制量进行限制。