novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.24.199-205novtexmech-1353Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИAUTOMATION AND CONTROL TECHNOLOGICAL PROCESSESОпределение динамических характеристик системы управления мощностью излучения технологических СО2-лазеров с накачкой несамостоятельным тлеющим разрядомDynamic Characteristics Determination of the Radiation Power Control System for the Industrial CO2 Laser Excited by а Nonself-Sustained Glow DischargeШемякинА. Н.ShemyakinA. N.

канд. техн. наук, ст. науч. сотр.

Москва

Moscow, 119526

shemyakin@lantanlaser.ruРачковМ. Ю.RachkovM. Yu.

д-р техн. наук, проф.

Москва

Moscow, 107023

michyur@gmail.comСоловьевН. Г.SolovyovN. G.

д-р физ.-мат. наук, гл. науч. сотр.

Москва

Moscow, 119526

solovyov@lantanlaser.ruЯкимовМ. Ю.YakimovM. Yu.

д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.

Москва

Moscow, 119526

yakimov@lantanlaser.ruКотовМ. А.KotovM. A.

канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр.

Москва

Moscow, 119526

kotov@ipmnet.ruИнститут проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАНРоссияIshlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of SciencesRussian FederationМосковский государственный политехнический университетРоссияMoscow State Polytechnic UniversityRussian Federation202312042023244199205Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20232023Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1353

Исследована автоматическая система управления мощностью излучения лазеров с накачкой несамостоятельным тлеющим разрядом на примере технологических лазеров серии "Лантан", которые предназначены для резки, сварки и модификации поверхности различных материалов в составе лазерных технологических комплексов. Мощность лазерного излучения является одним из важнейших параметров лазера, определяющих его технологические возможности. Мощность излучения управляется путем изменения частоты импульсов ионизации, которые представляют собой высоковольтные импульсы напряжения длительностью 100 нс, подаваемые с частотой 1...5 кГц. Экспериментально получена переходная характеристика лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом. Лазерное излучение подается на термоэлектрическое зеркало-приемник с анизотропией термоЭДС, которое измеряет его мощность. После предварительного усиления дифференциальный сигнал с зеркала-приемника регистрируется цифровым запоминающим осциллографом. Установлено запаздывание изменения мощности лазерного излучения относительно сигнала управления. Запаздывание составляет 1487 мкс и объясняется тем, что для первоначальной накачки газового объема до начала генерации излучения необходимо несколько импульсов ионизации. Начальный участок переходной характеристики и затухающие колебания объясняются наличием защитного дросселя в схеме подключения источника основного разряда. Дроссель замедляет рост тока при контракции (коротком замыкании) разряда, позволяя автоматическим выключателям отключить электропитание. Для моделирования переходного процесса применяется переходная характеристика колебательного звена. Проведена фильтрация исходного сигнала для удаления помех, которые не позволяют сразу определить параметры переходной характеристики. Для определения спектра переходной характеристики проведено прямое быстрое преобразование Фурье, вырезаны гармоники, вносящие помехи и проведено обратное быстрое преобразование Фурье. По переходной характеристике, полученной после фильтрации, определены параметры моделирующей переходной характеристики. На основе параметров переходной характеристики вычислена передаточная функция лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом, что позволяет перейти к расчету оптимального регулятора мощности излучения, обеспечивающего наилучшее качество переходного процесса.

In the article, an automatic system for radiation power control of lasers excited by а nonself-sustained glow discharge is studied using industrial lasers of the Lantan series as an example. They are designed for cutting, welding and surface modification of various materials as part of laser machines. The power of laser radiation is one of the most important parameters of a laser that determines its technological capabilities. The radiation power is controlled by changing the ionization pulses frequency of high voltage pulses with duration of 100 ns, given with a frequency of 1-5 kHz. The step response of the laser is experimentally obtained. Laser radiation is fed to a thermoelectric mirror-detector with thermo-EMF anisotropy, which measures its power. After preliminary amplification, the differential signal from the mirror-detector is recorded by a digital oscilloscope. A delay in the change in the laser radiation power relative to the control signal was established. The delay is 1487 ms that is explained by the fact that several ionization pulses are required for the initial exciting of the gas volume before the start of radiation generation. The initial section of the step response and damped oscillations are explained by the presence of a protective choke in the main discharge source connection circuit. The choke slows down the rise in current during the short circuit of discharge, allowing circuit breakers to turn off the power supply. To simulate the transient process, the step response of the oscillating circuit is used. The original signal was filtered to remove noise that does not al[1]low determining the parameters of the step response. To determine the spectrum of the step response, fast Fourier transform is carried out, frequencies introducing noise were cut out, and the inverse fast Fourier transform is performed. According to the step response obtained after filtering, the parameters of the modeling step response are determined. Based on the parameters of the step response, the laser transfer function is calculated. It makes possible to proceed to the calculation of the optimal radiation power controller, which ensures the best quality of the transient process.

технологический лазернесамостоятельный тлеющий разрядчастота импульсов ионизациисистема управлениямощность лазерапереходная характеристикафильтрация помехбыстрое преобразование Фурьепередаточная функцияindustrial lasernonself-sustained glow dischargefrequency of the ionization pulseslaser power control systemstep responseinterference filteringFast Fourier transformtransfer functionReferencesГолубев В. С., Лебедев Ф. В. Физические основы технологических лазеров. М.: Высшая школа, 1987. 190 с.Golubev V. S., Lebedev F. V. Physical foundations of industrial lasers, Moscow, Vysshaya shkola, 1987, 190 p. (in Russian).Басов Н. Г., Бабаев И. К., Данилычев В. А., Михайлов М. Д., Орлов В. К., Савельев В. В., Сон В. Г., Чебуркин Н. В. Электроионизационный СО2-лазер замкнутого цикла непрерывного действия // Квантовая электроника. 1979. Т. 6. № 4. С. 772—781.Basov N. G., Babaev I. K., Danilychev V. A., Mikhailov M. D., Orlov V. K., Savelyev V. V., Son V. G., Cheburkin N. V. Electroionization CO2-laser of a closed cycle of continuous action, Soviet Journal of Quantum Electronics, 1979, vol. 6, iss. 4, pp. 772—781 (in Russian).Беляев А. П., Дмитерко Р. А., Епишов В. А., Наумов В. Г., Шашков В. М., Шулаков В. Н. Мощный быстропроточный СО2-лазер непрерывного действия с накачкой комбинированным разрядом // Письма в ЖТФ. 1979. Т. 5. В. 6. С. 325—328.Belyayev A. P., Dmiterko R. A., Epishov V. A., Naumov V. G., Shashkov V. M., Shulakov V. N. High-power fast-flow cw CO2 laser excited by a combined discharge, Technical Physics Letters, 1979, vol. 5, no. 6, pp. 325—328 (in Russian).Генералов Н. А., Зимаков В. П., Косынкин В. Д., Райзер Ю. П., Соловьев Н. Г. Быстропроточный технологический СО2-лазер комбинированного действия // Квантовая электроника. 1982. Т. 9. № 8. С. 1549—1557.Generalov N. A., Zimakov V. P., Kosynkin V. D., Raiser Yu. P., Solovyov N. G. Rapid-flow combined-action industrial CO2 laser, Soviet Journal of Quantum Electronics, 1982, vol. 9, no. 8, pp. 1549—1557 (in Russian).Hill A. E. Continuous uniform excitation of medium pressure CO2 laser plasmas by means of controlled avalanche ionization // Appl. Phys. Lett. 1973. Vol. 22(12). P. 670—673.Hill A. E. Continuous uniform excitation of medium pressure CO2 laser plasmas by means of controlled avalanche ionization, Appl. Phys. Lett., 1973, vol. 22(12), pp. 670—673.Generalov N. A., Gorbulenko M. I., Solov’yov N. G., Yakimov M. Yu., Zimakov V. P. High-Power Industrial CO2 Lasers Excited by a Non-self Sustained Glow Discharge // In W. J. Witteman and V. N. Ochkin (eds.), Gas Lasers — Recent Developments and Future Prospects. Kluwer Academic Publishers, 1996. P. 323—341.Generalov N. A., Gorbulenko M. I., Solov’yov N. G., Yakimov M. Yu., Zimakov V. P. High-Power Industrial CO2 Lasers Excited by a Non-self Sustained Glow Discharge, In W. J. Witteman and V. N. Ochkin (eds.), Gas Lasers — Recent Developments and Future Prospects, Kluwer Academic Publishers, 1996, Printed in the Netherlands, pp. 323—341.Generalov N. A., Shemyakin A. N., Solov’yov N. G., Yakimov M. Yu., Zimakov V. P. Application of the combined DC and capacitive periodic-pulsed discharge to the excitation of fast-axialflow gas laser // In Laser Optics 2006: High-Power Gas Lasers. Proc. SPIE. 2007. Vol. 6611. Paper 66110K. 8 p.Generalov N. A., Shemyakin A. N., Solov’yov N. G., Yakimov M. Yu., Zimakov V. P. Application of the combined DC and capacitive periodic-pulsed discharge to the excitation of fast-axialflow gas laser, In Laser Optics 2006: High-Power Gas Lasers. Proc. SPIE, 2007, vol. 6611, Paper 66110K, 8 p.Оришич А. М., Фомин В. М. Актуальные проблемы физики лазерной резки металлов: Монография. Новосибирск: Изд. Новосиб. гос. ун-та, 2011. 192 с.Orishich A. M., Fomin V. M. Actual problems of the physics of laser cutting of metals, Novosibirsk, Publishing house of Novosib. state university, 2011, 192 p. (in Russian).Востриков А. С., Французова Г. А. Теория автоматического регулирования: Учеб. пособ. для вузов. М.: Высшая школа, 2004. 365 с.Vostrikov A. S., Frantsuzova G. A. Theory of automatic control: Proc. allowance for universities, Moscow, Vysshaya shkola, 2004, 365 p. (in Russian).Шемякин А. Н., Рачков М. Ю., Соловьев Н. Г. Особенности управления мощностью излучения технологического СО2-лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом с учетом деградации рабочей смеси газов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 8. С. 50—54.Shemyakin A. N., Rachkov M. Yu., Solov’yov N. G. Features of radiation power control of the industrial CO2 lasers excited by a nonself-sustained glow discharge with regard to dissociation in a working gas mixture, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2013, no. 8, p. 50—54 (in Russian).Генератор импульсов ионизации: пат. 2750851 Рос. Федерация / Соловьев Н. Г., Шемякин А. Н., Рачков М. Ю., Якимов М. Ю.; заявл. 30.09.20; опубл. 05.07.21. Бюл. № 19.Ionization pulse generator: Pat. 2750851 Ros. Federation / Solovyov N. G., Shemyakin A. N., Rachkov M. Yu., Yakimov M. Yu., dec. 30.09.20, publ. 05.07.21, Bull. No. 19 (in Russian).Glebov V. N., Manankov V. M., Malyutin A. M., Golovatyuk N. N., Zastavny Y. V. Thermoelectric mirror-detector for laser radiation // Proc. SPIE 2257. 1994. P. 225—227.Glebov V. N., Manankov V. M., Malyutin A. M., Golovatyuk N. N., Zastavny Y. V. Thermoelectric mirror-detector for laser radiation, Proc. SPIE 2257, 1994, рр. 225—227.Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 768 с.Besekerskiy V. A., Popov Ye. P. Theory of automatic control systems, Moscow, Nauka, 1975, 768 p. (in Russian).Шемякин А. Н., Рачков М. Ю., Соловьев Н. Г., Якимов М. Ю. Управление мощностью излучения технологического СО2-лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом путем изменения частоты импульсов ионизации // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т. 21 , № 4. С. 224—231.Shemyakin A. N., Rachkov M. Yu., Yakimov M. Yu. Upravlenie moshchnost’yu lazernogo izlucheniya tekhnologicheskogo kompleksa s nesamostoyatel’nym tleyushchim razryadom putem izmemeniya chastity impulsov ionizastii, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2020, vol. 21, no. 4, pp. 224—231.Цифровые запоминающие осциллографы серии TDS1000 и TDS2000. Руководство пользователя. Tektronix, Inc. 190 с.Digital storage oscilloscopes of the TDS1000 and TDS2000 series, User’s manual, Tektronix Inc, 190 p. (in Russian).Математические основы теории автоматического регулирования. Т. 2 / Под ред. Чемоданова Б. К. М.: Высшая школа, 1977. 455 с.Chemodanova B. K. ed. Mathematical foundations of the theory of automatic control, vol. 2, Moscow, Vysshaya shkola, 1977, 455 p. (in Russian).Трэвис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. М.: ДМК Пресс, 2008. 800 с.Travis J., Kring J. LabVIEW for everyone, Moscow, DMK Press, 2008, 800 p. (in Russian).Суранов А. Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2007. 536 с.Suranov А. Ya. LabVIEW 8.20: Functions Reference book, Moscow, DMK Press, 2007, 536 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.