CO2电弧焊动态过程的MATLAB仿真研究*
CO2电弧焊动态过程的MATLAB仿真研究*
余文松薛家祥黄石生张晓囡张军红程韬波
摘要针对短路过渡型CO2电弧焊系统存在本质非线性的特点，采用目前国际控制领域内应用最广的MATLAB软件，建立了“弧焊逆变器—非线性负载”系统的数字仿真模型。该模型以组合图形方式，直观、有效地表征了各环节的特性。通过系统仿真定量地研究了CO2电弧焊动态过程，给出了负载电压、焊接电流随时间变化的仿真波形和短路过渡型CO2电弧焊系统的相平面图。应用德国产Hannover-XII型焊接过程动态分析仪所获得的实测数据与计算机仿真结果基本相符。从而为研制工艺适应性优良的新型弧焊逆变电源和定量分析非线性弧焊系统的动态过程提供了一个强有力的工具。
关键词： CO2电弧焊MATLAB仿真弧焊逆变器非线性负载
Simulation Study on Dynamic Process of CO2 Arc Welding with MATLAB
Yu Wensong,Xue Jiaxiang,Huang Shisheng,Zhang Xiaonan,Zhang Junhong
（South China University of Technology,Guangzhou）
Cheng Tao bo
(Guangdong Academy of Science Automation Center,Guangzhou)
Abstract：Based on intrinsic nonlinear characteristics of CO2 arc welding with short circuit transient, the digital simulation mode for the system consisted of inverter and nonlinear load is developed with MATLAB. The simulation mode directly indicates the features of the system by means of visual modeling graph. Waveform of main state variables in dynamic process of CO2 arc welding is given by simulation. And it is verified by experiment results which are obtained from the analyzer Hannover-XII made in Germany. MATLAB is a powerful tool for improving performances of arc welding inverter, and it is a new method for quantitative analysis in the dynamic process of nonlinear arc welding system.
Key wordsCO2 arc welding, MATLAB simulation, arc welding inverter, nonlinear load
0序言
CO2气体保护电弧焊是一种低成本自动化或半自动化的高效焊接方法。弧焊逆变器具有动态响应速度快、能量转换效率高和功率密度大等显著优点，尤其适用于短路过渡型CO2电弧焊工艺。为了解决提高引弧成功率、减小焊接飞溅、改进过程稳定性、控制焊缝成形以及降低操作技术要求等问题，在CO2电弧焊系统中发展了模拟负载反馈 、电子电抗器 、复合外特性和焊接电流波形控制等实用技术〔1，2〕。这些技术全是针对短路过渡型CO2电弧焊系统存在的本质非线性而采取的有效对策。但是，实际中定量分析该系统的本质非线性造成的影响常常是非常困难的。因此，有必要探寻新的有效工具，对包含弧焊逆变器的短路过渡型CO2电弧焊系统进行定量动态研究。
计算机仿真是推动焊接学科进一步发展，使其由“经验”走向定量分析的重要方法〔3〕。对CO2电弧焊动态过程进行计算机仿真研究需要解决两个问题：（1）建立表征系统本质非线性的数学模型；（2）选择算法可靠、界面友好的仿真软件，设计相关仿真程序。
MATLAB作为自动控制系统计算机辅助设计领域最普及和最受欢迎的软件环境，具有矩阵运算、图形绘制、数据处理、图象处理等功能。还提供大量配套工具箱，如系统模型图形输入与仿真工具〔4〕。因此，它可作为CO2电弧焊动态过程的仿真环境。
1仿真模型的建立
1.1非线性负载的仿真模型
短路过渡型CO2电弧焊动态过程最明显的特征是燃弧阶段和短路阶段交替进行，在此两阶段中负载特性根本不同：（1）当电弧长度L＞0时，过程处于燃弧阶段。根据电弧物理理论和经验数据〔5，6〕，负载电压U=R1×I+X×L+A，其中等效电阻R1=0.035Ω， 负载电流I=50～500A，电弧的电位梯度X=1.6V/mm，常量A=18V。（2）当电弧长度L=0时，过程处于短路阶段。负载电压U=R2×I，其中，等效电阻R2=0.01Ω。
上述非线性负载的特性可用图1a来表示。由图可见，在燃弧阶段，表征负载状态的点在平面上运动；在短路阶段，该点在远离平面的一条线段上运动。当两阶段交替进行时，表征负载状态的点就发生跳跃。
应用MATLAB软件设计的非线性负载的仿真模型如图1b所示。其中由输入接口L、I，增益环节X、R1，常量环节E，求和环节Sum以及输出接口U以组合图形的方式表达了燃弧阶段的负载状态方程。由输入接口I，增益环节R2以及输出接口U以组合图形的方式表达了短路阶段的负载状态方程。当两阶段交替进行时，表征负载状态的点发生跳跃的过程可以通过条件功能块Switch来实现。此条件功能块选择上通道或下通道由弧长变量L决定。
图1非线性负载的仿真模型
Fig.1Simulation mode for nonlinear load
1.2弧长变化的仿真模型
图2a表示了短路过渡型CO2电弧焊中弧长L随时间t的动态变化过程。在短路结束瞬间，电弧长度从零跳跃至最大值。在燃弧阶段，弧长随着焊丝以恒定速度送进而逐渐减小。
图2弧长变化的仿真模型
Fig.2Simulation mode change of arc length
对应的弧长变化仿真模型如图2b所示。其中Switch是一个条件功能块，它有三个输入端，该功能块的第二个输入作为条件测试端。如果第二个输入端大于或等于0，则Switch的输出端等于第一个输入端，否则，Switch的输出端等于第三个输入端。由图可见，信号发生器Signal给出的三角波与常量Cons1叠加，再经Switch功能块削去负波而获得燃弧阶段的弧长变化波形。常量Cons2经Switch功能块作用而获得短路阶段的弧长波形。
1.3CO2电弧焊逆变器的仿真模型
图3示出了平外特性CO2电弧焊逆变器的仿真模型。为了简化分析过程，我们将弧焊逆变器主电路包含的输入整流滤波、IGBT逆变、高频变压器和输出整流等部分综合等效为直流电压Us与占空比D相乘。此功能由乘法运算环节Mult来完成。次级整流器的输出电压与负载电压U之差作用于增益环节1/Ld和积分环节Int1，决定了直流电抗器的输出电流I。其中，Ld为直流电抗器的电感量。这一部分是弧焊逆变器主电路等效状态方程的图形表示。
图3逆变器的仿真模型
Fig.3 Simulation mode for inverter
误差e等于给定电压Ug与负载电压U的差值。再经增益环节Kp完成误差比例运算，增益环节Ki和积分环节Int2完成误差积分运算。其结果由求和环节Sum2相加。从而决定了占空比D的大小。这一部分是平外特性弧焊逆变器控制电路等效状态方程的图形表示。
2仿真结果与分析讨论
连接上述非线性负载、弧长变化和弧焊逆变器三个部分的仿真模型中同名输入和输出端口，综合而成CO2电弧焊动态过程的仿真模型，如图4所示。
图4CO2电弧焊动态过程的仿真模型
Fig.4Simulation mode for dynamic process of CO2 arc welding
应用MATLAB语言，可以方便地设置虚拟示波器来直接观察仿真试验中任何状态变量随时间变化的过程，也可以使用绘图命令将系统仿真的结果用图形表达，还能对结果进行求均值、方差等数据处理。
图5a、b分别为负载电压、焊接电流随时间变化的仿真波形。由图可见，在短路结束瞬间，负载电压突然上升至最大值，焊接电流也到达最大。在燃弧阶段，逆变器输出整流电压低于燃弧电压，输出直流电抗器释放磁能，焊接电流和电弧电压均减小。在燃弧结束瞬间，负载电压突然下降到最小值，焊接电流也维持最小。在短路阶段，逆变器输出整流电压高于燃弧电压，输出直流电抗器储存磁能，焊接电流迅速上升且负载电压相应增大。
负载电压随焊接电流变化的仿真波形如图5c所示，这是短路过渡型CO2电弧焊系统的相平面图，反映了弧焊逆变器输出特性与非线性负载相互作用的综合效果。
图5主要状态变量的仿真波形
Fig.5Waveform of main state variables by simulation
3试验验证
焊接工艺试验采用平特性的400A IGBT逆变式CO2弧焊电源，平均焊接电压为20V，平均焊接电流为145A。使用直径1 mm的镀铜低碳钢焊丝，直径1.2mm的导电嘴与水平放置的长250 mm宽200 mm厚10 mm低碳钢板之间的垂直距离为10 mm。CO2保护气体的流量为15L/ min。焊接速度为300 mm/ min。
焊接电流和焊接电压的实测数据由德国产Hannover-XII型焊接过程动态分析仪记录并存储在计算机的硬盘内。相平面图由计算机根据实测数据自动绘制。试验结果如图6所示。分别将图6 所示的负载电压、焊接电流、相平面图的实测波形与图5所示对应的仿真波形进行对比分析，可以看出，计算机仿真结果与焊接工艺试验结果是基本一致的。
图6实测的状态变量波形
Fig.6Waveform of main state variables in experiment
4结论
（1）本文建立的有关短路过渡型CO2弧焊非线性负载、弧长变化和弧焊逆变器的仿真模型能够直观、有效地表征“弧焊逆变器—非线性负载”系统各部分的特性。
（2）采用仿真试验可以模拟短路过渡型CO2电弧焊中状态变量的动态过程，计算机仿真结果与焊接工艺试验结果是基本一致的。
（3）MATLAB软件可以作为非线性弧焊系统的动态过程定量研究的一个强有力工具。
*国家自然科学基金资助项目,编号:59875020
作者简介：余文松，男，生于1970年4月。1995年在华中理工大学焊接专业获工学硕士学位，同年留校任教。1997年开始在华南理工大学攻读博士学位。研究方向为现代焊接设备、工业过程测量与控制。主持完成“汽化炉异种材料自动氩弧钎焊设备的研制”。合作开发成功一种新型电解工业用大电流测量仪，已在十几家铝厂应用。先后参与完成“用于CO2激光器的大功率逆变电源的研制”等3项国家自然科学基金资助项目。
作者单位：余文松薛家祥黄石生张晓囡张军红（广州华南理工大学）
程韬波（广州广东科学院自动化中心）
参考文献
1Elliott K. Siava. A new low-spatter arc welding machine.Welding Journal,1993,1：25～29.
2区智明，黄勇. CO2短路过渡焊接电弧的复合电源外特性的控制. 北京:第八次全国焊接会议论文集.1997.150～152.
3潘际銮. 我国机械工程的发展与未来展望.机械工程学报，1993，29(5)：3～11.
4Ogata K. Solving control engineering problems with MATLAB, Prentice Hall, 1993.
5安藤弘平，长谷川光雄. 焊接电弧现象.北京：机械工业出版社，1985.
6卢本，王大麟，王飞龙. 焊接自动化基础.武汉：华中工学院出版社，1985.
(1998-09-22收到初稿，1999-06-28收到修改稿)
