弧焊过程传感、控制及实践（黄健康）

随着社会经济以及工业技术的发展，焊接技术也快速向自动化发展，越来越多的成套焊接设备运用于焊接生产当中，支撑了高铁、鸟巢等国家重要工程的建设，同时也带动如汽车、船舶等产业的技术更新换代，这使得焊接技术成为国民经济中不可或缺的技术手段之一。

焊接自动化技术的核心是对焊接过程实时传感与控制。当前焊接正经历焊接自动化向智能化的过渡时期，因此焊接过程控制是一个处于学科交叉的领域，涉及控制理论、传感技术、信号处理理论、人工智能技术等众多学科，同时因弧焊过程中的控制对象往往具有高度非线性、多变量耦合、强干扰等特点，这使得弧焊控制一直受到诸多学科发展的直接引导，具有时代发展的特征。

“弧焊过程传感与控制”是焊接技术与工程专业本科生的一门必修课。作者编写本书的目的是为焊接相关专业本科生建立起控制基本理论与实践体系，通过本书的内容使读者掌握弧焊过程的控制方法和信号处理方法，实现数据采集与过程控制，从而熟悉焊接过程传感、建模和控制，并了解弧焊过程传感与控制系统的组成、工作原理、设计方法及实施，为进一步学习、研究焊接技术与工程相关知识打下基础。

本书从控制基本理论出发，结合仿真技术，试图使读者了解系统建模、经典控制理论、现代控制理论三者的关系及其发展历程，并把信号处理理论融入控制理论中，这是本书的理论主线；同时本书对于所涉及的理论，尽可能给出仿真与分析代码（见书中二维码内容），这既有助于更好地理解理论，也方便更好地运用理论；另外，本书尽可能使读者对弧焊过程所涉及的控制、传感等方向的知识建立对应的认识，并把所学的理论知识在实践中应用起来，做到学以致用、融会贯通。本书不拘泥于控制理论，更多的是明确控制理论框架及入门，并力求做到知行合一。

本书完全按照焊接技术与工程专业教学要求组织内容，针对性强，力图做到循序渐进，在夯实学科基础知识的前提下，突出了理论知识的运用，提供大量的代码与案例，并系统地介绍弧焊过程建模、传感与控制的知识，做到既有理论，又有实例分析，并引导读者去应用与实践。

本书主要分控制理论基础、信号传感及处理基础、弧焊过程应用3 大部分共10 章。第1 章主要介绍控制理论发展历程和与焊接结合的情况；第2 章讲述系统建模，介绍从微分方程到经典控制理论中传递函数的过程；第3 章介绍对传递函数的分析与应用；第4 章介绍现代控制理论的发展及基础知识；第5 章介绍增量式PID 控制以及模糊控制等控制方法；第6 章主要对信号传感及信号处理理论作介绍；第7 章主要针对弧焊过程的传感检测作介绍；第8 章介绍工业工程自动化；第9 章介绍弧焊过程建模、分析与控制；第10 章介绍焊接过程传感与控制基本的应用与实践。

本书成稿后，得到了兰州理工大学各部门的支持与帮助，在此表示感谢；本书还得到了焊接界前辈的关心和爱护和同事、朋友及亲人的关心、帮助与支持；同时，感谢编者所指导的众多研究生们长期的资料收集与整理所做出的辛勤工作。正是大家的关心与帮助，才使得本书得以成形出版。

由于编者水平有限，疏漏之处欢迎专家和读者指正。

书中各章配有教学PPT 可扫描观看，可帮助教学与自学。

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编者

2022年4月于兰州

《弧焊过程传感、控制及实践》以弧焊过程中所涉及的传感与控制为切入点，并结合控制与信号基本理论系统阐述弧焊过程中的传感与控制及具体应用和实践。全书分控制理论基础、信号传感及处理基础、弧焊过程应用3大部分，共10章。第1～5章介绍控制基础理论以及所涉及的弧焊过程建模与控制，包括经典控制理论和现代控制理论；第6、7章主要介绍信号处理基本理论以及弧焊过程中信号传感基础；第8章主要介绍工业过程控制，特别是以分布式控制为基础的工业过程控制的组成及应用；第9、10章主要介绍弧焊过程中控制建模分析及实现。《弧焊过程传感、控制及实践》作为高等学校焊接技术与工程专业、材料成型及控制工程专业等相关专业的教学用书，也可作为相关专业学生控制方面的入门学习参考书，还可作为焊接领域的研究人员、工程技术人员的学习参考用书。

《弧焊过程传感、控制及实践》以弧焊过程中所涉及的传感与控制为切入点，并结合控制与信号基本理论系统阐述弧焊过程中的传感与控制及具体应用和实践。全书分控制理论基础、信号传感及处理基础、弧焊过程应用3大部分，共10章。第1～5章介绍控制基础理论以及所涉及的弧焊过程建模与控制，包括经典控制理论和现代控制理论；第6、7章主要介绍信号处理基本理论以及弧焊过程中信号传感基础；第8章主要介绍工业过程控制，特别是以分布式控制为基础的工业过程控制的组成及应用；第9、10章主要介绍弧焊过程中控制建模分析及实现。《弧焊过程传感、控制及实践》作为高等学校焊接技术与工程专业、材料成型及控制工程专业等相关专业的教学用书，也可作为相关专业学生控制方面的入门学习参考书，还可作为焊接领域的研究人员、工程技术人员的学习参考用书。

第1章 控制系统导论1

1.1 控制的发展历程与内涵  1

1.1.1 控制的历史1

1.1.2 控制的内涵4

1.1.3 控制的发展9

1.2 焊接生产中的自动控制  12

1.2.1 焊接过程控制系统12

1.2.2 焊接过程传感15

1.2.3 焊接自动化生产装备16

第2章 控制系统数学模型19

2.1 系统建模  19

2.1.1 物理系统建模19

2.1.2 物理系统的线性近似22

2.1.3 控制工程中使用的模型描述23

2.2 传递函数模型  24

2.2.1 拉普拉斯变换24

2.2.2 零极点模型与图解法27

2.2.3 线性系统的传递函数31

2.3 控制系统模型的建立  33

2.3.1 框图模型33

2.3.2 信号流图模型38

2.4 过程辨识建模  42

2.4.1 基于系统辨识的建模方法42

2.4.2 阶跃实验与频率响应估计44

2.4.3 常用模型结构的参数辨识方法46

2.4.4 基于闭环系统阶跃响应实验辨识模型参数48

第3章 控制系统性能分析54

3.1 时域分析法  54

3.1.1 典型输入信号54

3.1.2 一阶和二阶系统的时域响应56

3.1.3 高阶系统的时域分析59

3.1.4 瞬态响应的性能指标60

3.1.5 稳定性分析62

3.1.6 稳态误差分析与计算64

3.2 根轨迹分析法  69

3.2.1 根轨迹的基本概念70

3.2.2 绘制根轨迹的条件71

3.2.3 绘制根轨迹的基本规则72

3.2.4 基于根轨迹法的控制器性能分析73

3.2.5 根轨迹图的绘制75

3.3 频域分析法  77

3.3.1 控制系统的频率响应77

3.3.2 频域分析法的稳定性分析84

3.4 控制系统的设计与校正  88

3.4.1 系统设计方法89

3.4.2 串联校正90

3.4.3 反馈校正91

3.4.4 复合校正92

3.5 弧焊控制系统设计  94

3.5.1 等速送丝电弧控制系统95

3.5.2 均匀调节电弧控制系统98

3.5.3 均匀调节和自发调节共同作用下的电弧控制系统100

第4章 现代控制理论与技术102

4.1 现代控制理论与经典控制理论的区别  102

4.2 状态空间分析103

4.2.1 状态空间方程的建立103

4.2.2 状态空间方程的线性变换106

4.2.3 解状态空间方程107

4.3 状态空间设计  109

4.3.1 状态反馈109

4.3.2 状态观测111

4.4 现代控制理论的发展  113

4.4.1 LQR 控制113

4.4.2 模型预测控制(MPC) 119

4.4.3 自适应控制120

4.5 焊接过程的状态空间建模  122

4.5.1 GMAW 过程熔滴过渡行为动态模型122

4.5.2 含送丝机构的GMAW 动态模型126

第5章 弧焊过程自动控制128

5.1 PID 控制  128

5.1.1 PID 控制的基本原理128

5.1.2 PID 控制算法129

5.1.3 数字PID 控制130

5.1.4 DE-GMAW 增量式PID 稳定性控制133

5.1.5 一阶旋转倒立摆PID 实物控制138

5.2 模糊控制  141

5.2.1 模糊集合的定义与表示142

5.2.2 模糊关系143

5.2.3 模糊推理144

5.2.4 模糊控制的应用145

5.2.5 焊接稳定性模糊PID 控制151

5.3 神经网络控制  153

5.3.1 神经网络控制简介153

5.3.2 典型人工网络154

5.3.3 神经网络PID 控制器设计156

5.3.4 人工神经网络技术在焊接过程中的应用160

第6章 信号处理与传感164

6.1 信号与传感  164

6.1.1 传感技术164

6.1.2 焊接中的常见传感量164

6.1.3 信号166

6.2 信号采集  167

6.2.1 信号采集原理168

6.2.2 A/D 和D/A 转换原理171

6.3 信号分析与处理  172

6.3.1 Z 变换172

6.3.2 傅里叶变换179

6.3.3 小波变换184

6.4 滤波技术  185

6.4.1 硬件滤波185

6.4.2 数字滤波188

6.4.3 卡尔曼滤波189

6.5 焊接中的信号采集与处理  192

6.5.1 电信号测量192

6.5.2 焊接热循环曲线测量193

6.5.3 视觉传感与定位195

第7章 焊接过程信息传感与应用198

7.1 传感技术基础  198

7.1.1 概念与特性198

7.1.2 传感器误差分析200

7.2 焊接过程量测量传感  202

7.2.1 电信号测量202

7.2.2 温度测量203

7.3 焊接过程视觉传感  205

7.3.1 主动视觉传感205

7.3.2 被动视觉传感208

7.3.3 熔池振荡与熔透分析211

7.4 焊缝跟踪  214

7.4.1 激光焊缝跟踪214

7.4.2 超声波焊缝跟踪216

7.4.3 旋转电弧焊缝跟踪216

7.4.4 电磁传感焊缝跟踪217

7.4.5 视觉传感焊缝跟踪219

第8章 过程控制系统221

8.1 过程控制系统设计原理  221

8.1.1 过程控制方法221

8.1.2 过程控制系统设计术语223

8.2 集散控制系统概述  227

8.2.1 DCS 组成227

8.2.2 DCS 发展历程230

8.2.3 DCS 的局限性及发展趋势233

8.3 DCS 硬件系统  234

8.3.1 过程检测仪表235

8.3.2 控制器238

8.3.3 执行器239

8.4 DCS 软件系统  245

8.4.1 现场总线与网络技术245

8.4.2 组态软件250

8.5 DCS 系统设计  254

8.5.1 铜钴回收检测控制系统254

8.5.2 机器人焊接生产线监控系统261

第9章 焊接过程建模及控制仿真267

9.1 旁路耦合电弧焊过程建模及仿真  267

9.1.1 非熔化极旁路耦合电弧焊接过程的建模仿真267

9.1.2 焊接过程稳定性PID 控制272

9.1.3 双熔化极旁路耦合电弧GMAW 焊接过程的建模仿真277

9.2 MIG 焊过程建模及控制仿真  280

9.2.1 模型介绍280

9.2.2 经典补偿解耦控制283

9.2.3 脉冲MIG 焊焊丝熔化动态电弧模型及仿真分析286

9.2.4 脉冲MIG 焊解耦控制290

9.2.5 基于双脉冲的铝合金MIG 焊熔池宽度控制293

9.3 脉冲MIG 焊视觉反馈解耦控制系统  296

9.3.1 基于视觉传感的脉冲MIG 焊动态过程辨识296

9.3.2 视觉闭环控制297

9.3.3 视觉解耦控制300

9.3.4 基于视觉的焊丝干伸长控制312

第10章 焊接过程传感控制314

10.1 平台组成  314

10.1.1 虚拟仪器314

10.1.2 数据采集程序316

10.2 LabVIEW 视觉传感系统  317

10.2.1 基于COM 技术的LabVIEW 与MATLAB 无缝链接317

10.2.2 脉冲MIG 焊实时控制系统实现317

10.3 直流MIG 焊参数  321

10.3.1 LabVIEW 平台搭建321

10.3.2 双脉冲MIG 测控实验335

参考文献340

《弧焊过程传感、控制及实践》以弧焊过程中所涉及的传感与控制为切入点，并结合控制与信号基本理论系统阐述弧焊过程中的传感与控制及具体应用和实践。全书分控制理论基础、信号传感及处理基础、弧焊过程应用3大部分，共10章。第1～5章介绍控制基础理论以及所涉及的弧焊过程建模与控制，包括经典控制理论和现代控制理论；第6、7章主要介绍信号处理基本理论以及弧焊过程中信号传感基础；第8章主要介绍工业过程控制，特别是以分布式控制为基础的工业过程控制的组成及应用；第9、10章主要介绍弧焊过程中控制建模分析及实现。《弧焊过程传感、控制及实践》作为高等学校焊接技术与工程专业、材料成型及控制工程专业等相关专业的教学用书，也可作为相关专业学生控制方面的入门学习参考书，还可作为焊接领域的研究人员、工程技术人员的学习参考用书。