脉冲GTAW熔池动态过程多参量鲁棒控制问题的研究

焊接过程是一典型的非线性环节，其间存在很多不确定性因素。目前已有智能控制方法在焊接过程中取得了很好的应用。智能控制的特点是不考虑动态过程精确模型，但是对模型的忽略会使该种控制方法难以兼顾到过程控制的高精度。而传统的PID控制规律在此对象上的应用也具有一定的局限性。该项目将研究在某些焊接工艺要求不允许焊接参数有较大范围波动的情况下，如对于导热性能敏感的焊接材料（铝合金）以及特殊尺寸和规格的焊接材料（特薄板），在稳定焊接规范的小范围参数波动的情况时，将熔池动态工程近似为参数摄动的线性模型和有界干扰输入，结合多参数决定焊接过程质量的工艺特点，采用含不确定性因素的多变量线性系统鲁棒控制理论的控制方法并取得理想的控制效果。这对于将不确定性采样系统鲁棒控制理论研究与焊接过程实际对象相结合进而提高焊接质量具有重要的理论意义和应用价值。

1 在时域中，利用Lyapunov方法讨论了特定形式状态反馈控制器控制下闭环采样系统的鲁棒稳定性问题。通过研究给出了不确定性采样系统的若干充分条件，并得到了若干新的鲁棒稳定界及鲁棒稳定域。本研究把二次性能指标和鲁棒稳定性问题结合起来，使得所得结果的保守性大大降低，并且好于现有文献的结果。. 2 针对脉冲GTAW焊熔池动态过程中采样系统状态不完全可检测这一问题，研究了离散状态观测器的设计以及基于离散状态观测器的状态反馈控制下闭环采样系统的鲁棒稳定性问题。通过研究给出了离散状态观测器的设计算法及基于观测器的状态反馈控制下闭环采样系统鲁棒稳定的充分条件，这一问题的研究对后面的验证实验提供了理论依据。 . 3 针对一类结构不确定线性采样系统，在时域中利用Lyapunov方法研究了采样系统的鲁棒最优控制和采样系统具有极点约束的鲁棒控制问题；给出了系统鲁棒稳定的充分条件以及相应的鲁棒控制律，这些控制律的设计借助于求解一类线性矩阵不等式（LMIs）或者求解满足特定线性矩阵不等式条件下的优化问题。. 4 将以上两类鲁棒控制器应用于脉冲GTAW熔池动态过程控制中。根据脉冲GTAW熔池动态过程的特点设计了离散状态观测器，从而构成了基于离散状态观测器的鲁棒控制脉冲GTAW熔池动态过程闭环控制系统。. 5 采用2mm厚变散热条件的低碳钢板进行了平板对接控制实验。结果表明：常规的PID控制器虽然对脉冲GTAW焊熔池动态过程的实时控制有较好的效果，但其方法本身具有一定的局限性。而研究中设计的鲁棒控制器可以保证在相同的条件下对熔池背面宽度的良好调节，保证脉冲GTAW焊缝成形的有效控制。本项目研究的内容是把鲁棒控制理论和方法应用于焊接过程控制问题中的首次尝试，它将表明鲁棒控制理论和方法经过进一步完善可以应用于脉冲GTAW熔池动态过程之中而成为焊接质量控制的一种新的方法和手段。