AUV系统辨识与广义预测控制研究

本论文的研究内容分为两方面：AUV的建模和控制。 建模方面，主要对当前用于AUV的建模方法进行了分类及对比，给出了水动力机理建模、水动力辨识、面向目标的系统辨识三类方法的优缺点。 根据可辨识性理论，对AUV闭环系统进行分析，给出了AUV闭环系统可辨识的充分条件。为了提高辨识算法的实时性，解决辨识过程中的“数据饱和”问题，给出了改进的变步长增广卡尔曼滤波辨识算法。利用小型AUV湖上试验数据辨识出航向回路、深度回路的系统模型，通过不同的试验数据与模型预测值的相关性验证模型，试验结果表明了该算法应用于AUV闭环系统建模的可行性。 控制方面，在传统PID控制、S面控制方法基础上，借鉴单神经元PID控制思想，将积分环节加入S面控制中来简化S面PID控制算法，并通过仿真验证了算法的可行性。上述方法参数调节依赖工程经验，而广义预测控制具有对模型要求低、算法鲁棒性强、参数调节简单等优点。因此，本文对输入输出约束的广义预测控制快速算法应用于AUV系统进行仿真，通过小型AUV水池试验验证了算法的有效性。

基于ROV援潜救生自主作业方法研究

利用ROV代替潜水员进行潜艇供排气管对接作业是援潜救生的发展趋势，其中供排气管对接技术是为失事艇员提供生命保障的关键技术。由于水下作业环境比较复杂以及水下作业难度大等特点，人工遥控ROV进行援潜对接供排空气管作业过程中，还停留在只是能够打开潜艇供排气系统花甲板盖的工作上，还没有实现对类似接通供排空气管精确作业的工作。受到海流、风浪、失事潜艇周围较大涡流、供排气管的拖曳阻力、水下可视条件以及高精度定位等因素的限制，作业任务越复杂，要求ROV系统上机械手精确定位精度越高，操纵的难度也越大，由人工操作很难实现。在现有ROV人工操作的基础上，使ROV系统具有自主作业功能，更能发挥其在对接空气管作业中的能力，提高作业效率，缩短救援时间，因此本文在现有ROV基础上扩展预编程自主控制驾驶功能模块即ROV-A系统，借助预编程技术ROV-A系统在对接空气管作业中的一些特殊任务时能够实现自主作业功能。 本文结合中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人中心未来援潜救生关键技术研究内容，针对为失事潜艇接通空气管作业中的一些关键技术，开展基于具有自主作业能力的ROV-A系统自主作业方法研究，深入研究了具有自主作业能力ROV-A系统的运动规划与协调控制技术以及水下作业力控制技术，以实现高精度的机械手末端位置控制与期望力跟踪；针对潜艇供排气系统的已知结构研究了水下目标定位技术，为对接空气管的特定需求发展具有自主作业能力的水下作业技术提供理论依据。重点研究针对系统特点的运动规划与多性能指标实现归一化问题；研究基于系统动力学模型误差的系统位姿控制问题；研究基于阻抗力控制水下作业目标定位问题；在系统运动规划与控制研究的基础上，研究能实现机械手末端精确轨迹跟踪的控制策略问题以及力控制问题。本论文研究内容如下： （1）根据ROV-A系统特点，从描述系统的空间位置和姿态着手，研究了ROV-A系统的空间运动学与基于Kane方法的动力学，得出载体基座自由运动模式的系统空间运动数学模型，为论文后续研究工作奠定了基础。 （2）针对对接空气管作业中的一些高精度和复杂的作业，研究了系统作业时的运动规划问题。针对系统运动学冗余、作业规划约束性能指标多，例如机械手可操作性，关节限制，载体的姿态，避障等等，结合梯度投影法和最小范数伪逆矩阵法以及任务优先逆运动学方法，引入模糊控制技术，将模糊控制的定性知识表达与任务优先逆运动学算法相结合，以水下作业末端位置控制及轨迹跟踪为前提，对系统运动分配、关节限位、避免奇异有无海流下的系统性能优化等运动规划进行了研究，仿真证明运动规划算法的有效性。 （3）研究了基于动力学模型的系统基本控制问题。针对系统动力学模型的复杂性和不精确性，在基于载体输出反馈控制的基础上，设计了基于输出反馈自适应控制算法，通过自适应学习的方式直接逼近系统动力学方程状态量之间的非线性关系，在外界不停扰动下逐渐提高系统的控制精度；基于Lyapunov稳定性理论，证明了存在外界干扰和自适应逼近误差条件下ROV-A系统控制器的闭环稳定性；通过仿真实验验证控制系统的有效性，为系统的控制提供了一种新思路。同时在基于位置运动控制的基础上引入了力控制，通过对常规PID外环力控制器基础上的改进，在系统离线规划的前提下实现力与位置控制的解耦，通过仿真验证期望力的稳定跟踪。 （4）研究了基于ROV-A系统阻抗力控制的水下矩形围壁环境约束的位置定位方法。通过在对具有先验知识的矩形围壁环境约束的学习理解基础上，应用外部阻抗力控制环包容内部位置运动控制环的控制策略。利用力传感器的反馈信息变化确定系统末端执行器与约束环境的接触特征点，根据环境的先验知识推理出环境定位信息。通过计算机仿真实验验证了水下具有先验知识环境的定位方法和ROV-A系统的控制策略的有效性。仿真结果证明定位方法和控制策略是可行的。 （5）结合系统控制，分析了系统在为失事潜艇对接空气管作业中的恒定和时变两种期望力输入作业模式，提出了基于在线运动规划下外部力控制环包容内部位置环控制方法，利用ROV-A系统完成了为失事潜艇自主对接空气管中两个典型作业。介绍了整个控制方法的组成和执行过程，分析了综合控制策略，最后通过仿真实验分析了综合力控制方法的性能，包括恒力和时变期望力输入进行了深入研究。

探测型AUV航行技术研究

自治水下机器人（AUV）作为人类肢体和大脑在水下的延伸，可以在人类无法到达的深度和广度上进行探测、识别和作业，为海洋的开发、水下工程建设和海疆的防卫做出不可替代的贡献。航行控制是当前水下机器人技术领域研究的热点，在很大程度上代表着今后的研究方向。然而AUV作为控制对象具有非线性、大时延、多自由度之间相互耦合及时变的特点，被控对象的数学模型及其工作环境难以准确的描述，甚至有时给定的任务要求AUV负载可变，因而航行控制系统的分析与设计是相当困难的工作。 本论文旨在探讨航行控制技术在AUV中的应用，并设计出性能优良的AUV航行控制器。本文的研究对象是我国正在研究开发的探测型AUV，研究的目的在于建立研究对象的数学模型，并针对数学模型进行航行控制系统的仿真，为后续控制器的设计提供理论支持及向导作用。 本文首先分析了探测型AUV航行控制系统的软硬件结构和航行控制的基本回路，然后根据探测型AUV的各项参数建立了AUV的动力学数学模型，并以此模型为基础设计了AUV航行控制器并进行了仿真。 本文主要对专家控制、模糊控制和滑模控制方法进行了深入的研究：(1)设计了一种利用专家经验来设计PID参数的专家PID控制器，根据偏差及其变化率的符号对系统过渡过程进行分区控制，显著改善了常规PID控制器的响应特性；(2) 设计了一种专家S面智能控制器，在S面控制器的基础上引入智能积分环节，将二维S面推广为三维超S曲面，并在控制器中加入专家控制，根据系统的知识及专家经验，在线调整超S面控制器的参数，以改善控制性能；(3)设计了一种模糊滑模控制器，通过模糊控制规律直接设计滑模控制量，控制器设计简单，易于实现，既保证了系统具有良好的响应特性，又对外部扰动具有较强的鲁棒性。 最后本文分别对以上控制算法进行仿真实验，结果表明，本文建立的AUV的数学模型是正确的，本文研究的控制方法是可行的并且具有良好的控制性能。本文设计的控制算法对探测型AUV航行控制方法的实现奠定了良好的基础。

六功能水下机械手的变结构控制方法和应用研究

随着各国对海洋资源开发利用的加剧，水下机械手作为作业型水下机器人首选配置的一种通用作业工具，应用范围不断扩展，而现有的水下机械手采用主从控制方式，在水下复杂的作业环境下精度及效率不高，限制了水下机械手的使用。引入监控模式的机械手系统是水下机械手发展的一个主流方向。本课题就是以实现机械手的监控模式为目标，针对在实现监控式机械手过程中遇到的两个鱼待解决的难题：机械手的实时运动学逆解和复杂条件下满足高精度轨迹跟踪要求的控制方法，以六功能水下机械手为对象展开并完成课题工作。本文的主要研究成果分为以下三个部分：针对此机械手运动学逆解不能简单由解析方式给出的特点，本文提出运用基于约束最优化的变尺度算法。运用惩罚函数和二次插值选取迭代步长，保证了搜索的有效性；没有直接求解二阶导数，不存在奇异解。该算法是超线性收敛。对实例的求解证明了该算法的快速性和在解决此水下机械手在线轨迹规划时的有效。针对现有的水下机械手关节位置控制中采用PID控制算法而存在的一些缺点，本文以电液位置伺服的肩转关节为例，进行了滑模控制方法的研究。设计了单关节的滑模控制器，并把简化后的滑模控制器运用到实际的控制系统中，仿真和实验结果表明在复杂条件下滑模控制与PID控制相比有高精度和快速的跟踪性能。针对滑模控制的“颤振”现象，引入模糊控制的思想，设计了单关节的模糊滑模控制器，仿真和最终的实验证明了运用模糊滑模控制能有效消弱“颤振”，系统有良好的跟踪性能。针对原有的控制系统不适合于监控方式的机械手控制的特点，重新设计了水下机械手的水下控制器，组建了基于RS－485通讯，以PC机为上位机系统和89C52为下位机系统的机械手两级控制系统，并在这个人机界面友好、工作稳定的系统上完成了本文所有的实验。

机器人机械手的鲁棒性稳定跟踪控制

为工业机器人机械手提出了一种稳定跟踪控制法．这种控制方法由前馈控制器、反馈控制器组成．前馈控制根据期望轨线用计算力矩法得到；反馈控制由线性ＰＩＤ控制项和非线性ＰＤ控制项组成，这种控制方法能使跟踪误差逐渐趋近于零．最后，给出了ＰＵＭＡ５６０机器人的计算机仿真实验验证此控制方法的有效性

海底爬行式机器人的控制问题研究

水下机器人是人类开发和利用海洋的有效工具。海底爬行式机器人由于具有较强的作业能力，日益受到各国重视。由于海底环境的特殊性，海底爬行式机器人通常采用具有较高附着能力的履带式行走机构。基于现有履带式载体转向理论的不足，作者提出了适合于海底环境的转向模型，并推导了海底爬行式机器人的空间运动数学模型。以沈阳自动化所正在研制的自走式海缆埋设机为背景，根据相似准则，建立了一个1/4的模型试验载体，设计并完成了一套具有开放式结构的电控试验平台，后面的模型试验证明此平台是实用高效的。在模型试验平台上，作者进行了一系列控制试验，其中对阀——液压马达——履带速度系统进行了详细的理论分析和控制试验研究，结合爬行式机器人的数学模型，重点讨论了履带与地面相互作用对系统产生的影响，得到了考虑履带与地面相互作用的速度系统传递函数，并在此基础上实现了闭环伺服控制；系统的特性中夹杂较大的干扰，作者在对各种干扰进行了详细的理论和试验分析后，认为此干扰主要来自履带与地面相互作用；作为埋缆机原型设计的关键技术之一，作者对挖沟埋缆过程中的跟踪问题进行了详细的分析，针对实际问题，采用修正的PID控制策略和双闭环串级控制方案，在模型样机上进行了硬地环境下的回转控制和缆线跟踪控制，结果证明控制效果是满足要求的；在现有条件下深入讨论了引入角速率陀螺对系统的影响，指出在此系统的强干扰作用下，简单的引入角速率校正系统往往使系统的稳定性变得很差；另外作者还对挖沟埋缆过程中的载体牵引速度规划问题从理论上建立了一个简化的数学模型，为今后的试验修正奠定一定的基础。在论文的最后，作者总结了在模型设计、制造与试验中的一些体会，对下一步原型机的设计提出了自己的建议。附录中是作者综合整理的关于海底土壤的一些特点和已研制成功的海底爬行式机器人的技术资料。

基金会现场总线数据采集系统的研制与开发

基金会现场总线正在逐步成为新一代控制系统的主流趋势。本文作者结合“九.五”攻关课题“基金会现场总线数据采集单元的开发与研制”设计实现了基金会总线三种智能仪表单元，并论述了将其应用于小型实验系统中的过程。论文从基金会总线产品的技术特点出发，深入研究了总线智能仪表中仪表卡的设计，在实现了基金会总线仪表卡功能的基础上，解决了仪表卡在低功耗、高可靠性方面的技术难题。同时本文给出了相应于基金会现场总线三种智能仪表的功能块的具体设计过程，从功能块的参数、功能计算、模式计算三方面实现了模拟量输入、PID、数字量输出三种功能块的设计。最后通过基金会现场总线三种智能仪表单元在实验系统中的应用，对该总线系统进行了定性的分析。

预编程自治水下机器人控制问题研究

本文简要地介绍了“CR-01” 6000 米自治水下机器人控制系统的构成，同时介绍了其控制系统核心：自动驾驶系统和机载设备控制系统及相应计算机系统的硬件结构。对“CR-01”控制系统软件，主要是自动驾驶系统、机载设备控制系统的软件及自动驾驶系统程序的内核-实时监控程序作了进一步的剖析。此外，还着重介绍了该机器人的使命编程语言和应急系统软件。本文深入研究了“CR-01”的航行控制系统。“CR-01”主要有两种运动控制方式：机器人作业时的控制方式和机器人悬浮时的控制方式。分别介绍了在这两种不同的控制方式下，机器人各控制回路的结构以及力矩平衡方程。本文简要介绍了滑模控制理论，并根据水下机器人的空间运动方程建立了“CR-01”的数学模型，将滑模控制算法应用到“CR-01”水平航向控制回路中。通过METLAB软件中的一些仿真方法，对“CR-01”PID控制算法和滑模控制算法分别进行了仿真研究。在仿真研究的基础上，成功地进行了“CR-01”水平航向控制回路PID控制算法和滑模控制算法的试验，试验是在沈阳自动化所的水下实验室的水池中进行的。其中滑模试验是本文的重点，主要试验包括：基础试验、选取不同滑动面进行试验、滑动面的平滑试验、控制算法的改进试验和控制算法的优化试验。一系列的试验结果证明：滑模控制算法是一种适合水下机器人的控制算法，使用滑模控制算法使”CR-01“控制系统的性能有所提高，同时增强了系统的鲁棒性。

机器人动态仿真

随着科学技术的不断发展，机器人技术显示了越来越广泛的应用领域。机器人仿真系统不仅为机器人的设计和研究提供了一种方便的工具，而且也为机器人的开发应用提供了方便而可靠的试验手段。本文是在参加了863高技术“智能机器人动态仿真系统”的基础上完成的，分以下几项工作。1.分析消化掌握了清华大学的“机器人动态仿真系统。（从算法到程序实现）2.完成了两个轨迹规划算法的实现工作。3.完成了通用逆运动学算法的设计和程序实现工作。4.完成了各关节PID控制器仿真工具的开发工作，为机器人的控制系统仿真提供了方便的工具。5.完成了Adept机器人的正、反向运动学的算法设计和程序实现工作。为系统提供了Adept机器人的模型。

直驱式容积控制电液伺服系统的建模和仿真研究

电液伺服控制系统以其出力大、响应快、精度高而广泛地应用于国防与民用领域。但是，传统的电液伺服系统由于电液伺服阀对油液精度要求高，抗污染能力弱，从而在一定程度上限制了它更广泛的应用，随着技术的进步，出现了一种新型的电液伺服系统—直驱式容积控制电液伺服系统，它是由交流伺服电机驱动的液压泵与执行元件组成，它具有伺服电动机控制的灵活性和液压系统出力大的双重优点，具有高效节能、体积小、可靠性高等显著优点，在一定程度上弥补了传统电液伺服系统的不足，从而被认为是未来电液伺服控制系统的重要发展方向之一。本文的研究内容是以中国科学院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工业株式会社的合作项目“电液混合驱动系统（Hybrid Actuator System）研究与开发”为基础，开展原理与特性研究，主要研究内容有以下一些项目：研究直驱式容积控制电液伺服系统的工作原理、设计理论与控制方法，建立直驱式容积控制电液伺服系统的性能试验系统，进行该系统的静、动态性能仿真与分析，研制一套直驱式容积控制电液伺服系统的原理样机。 第一、直驱式容积控制电液伺服系统的原理与机械结构研究，研究直驱式容积控制电液伺服系统的工作原理与结构方案，详细分析比较与传统电液伺服系统的优缺点，研究基与双向定量泵集成阀体的一体化设计技术，进行直驱式容积控制电液伺服系统的系统设计。 第二、直驱式容积控制电液伺服系统的建模与控制算法研究，研究直驱式容积控制电液伺服系统的建模方法，建立直驱式容积控制电液伺服系统的数学模型，研究满足系统性能指标的PID控制策略，使系统在稳定的前提下具有良好的动态品质和高的稳态精度。 第三、直驱式容积控制电液伺服系统集成技术研究，该直驱式容积控制电液伺服系统是由交流伺服电动机、双作用定量泵、方向控制阀、液压缸，以及多个传感器共同组成的。研究系统模块化设计方法，研究系统集成技术，建立直驱式容积控制电液伺服系统与液压系统性能的最佳匹配方法，研究直驱式容积控制电液伺服系统的实现技术。 第四、直驱式容积控制电液伺服系统的性能仿真研究，在上述建立的伺服系统模型基础上，利用MATLAB内的动态仿真库SIMULINK，仿真分析直驱式容积控制电液伺服系统的静、动态性能，研究改善系统性能的措施方法。 第五、直驱式容积控制电液伺服系统的补油性能状态研究，详细分析系统在各种工况下的内部油液流动状态，并基于此研究补油阀体的集成设计，建立补油设备的数学模型，仿真分析该补油装备的静、动态运行性能，研究补油阀的设计技术，在上述分析基础上，设计加工满足系统运行性能状态的叠加式液控补油阀。 第六、在上述工作基础上，研制一套直驱式容积控制电液伺服系统，验证系统设计原理，控制算法，及系统集成技术、研究高性能直驱式容积控制电液伺服系统的设计方法和实现技术。 关键词 液压技术；交流伺服电动机；直驱式容积控制；动态特性；叠加液控补油阀

金属粉末激光成形过程中的检测与闭环控制研究

金属粉末激光成形技术是基于快速原型(Rapid Prototyping，RP)技术基础上发展起来的一项新型金属零件加工技术。该技术利用高能量激光束直接作用在金属粉末上，可以直接成形高熔点、形状复杂或异质材料功能梯度零件，其成形过程是按照零件几何形状，利用金属粉末逐层逐道累积成形零件的。其独特的金属零件加工特点使其得到了迅速发展，在航空、军事、医学和汽车等众多领域得到了成功应用，并发挥了重要作用。作为一项新兴技术，金属粉末激光成形技术不可避免的存在一些问题，由于激光成形过程是一个多参数影响的过程，成形过程中各参数存在较强的耦合作用，参数的不稳定往往导致成形效果难以保证，例如成形零件外形尺寸精度低、内部组织性能不佳等。这一问题，引起了国内外许多学者的关注，对加工过程中的一些重要参数与成形效果之间的关系展开研究，通过对成形过程中的一些中间过程输出参数进行实时检测，并实现闭环反馈控制，从而达到改善成形产品质量的目的。本文正是在这种背景下进行研究的，本文对熔池场几何尺寸、熔池温度场、熔覆高度与熔覆宽度实时检测进行了深入研究并实现了切实可行的检测方法，在实践中取得了较好的效果，并进行了熔覆成形过程动态辨识，研究了成形过程控制方法，提出了具有较强自适应能力的模糊PID控制方法，取得了较好的仿真效果。本课题主要研究工作有以下几个方面。 1. 激光成形过程中的熔池场包含大量的过程信息，对熔池进行实时检测，并提取熔池特征信息，为熔池场的闭环控制提供依据。为此建立了熔池场实时检测视觉传感系统，实现了图像采集、图像处理和信息提取等功能，课题成功的进行了硬件系统构建和软件系统开发。 2. 实现了红外图像比色测温法在金属粉末激光成形过程中熔池温度场检测中的应用。研究了测温原理，完成了硬件双波长图像采集系统的构建，对滤光片波长进行了选择并对选择结果进行了仿真。阐述了软件测温实现过程。 3. 激光加工过程中，对熔覆高度进行实时检测，从而实现熔覆高度闭环控制是成形高质量零件的保证。加工过程是一个多参数耦合的非线性过程，在分析激光参数对熔覆高度影响的基础上，建立利用激光工艺参数预测熔覆高度的BP神经网络模型，为实现激光加工过程熔覆高度实时预测与闭环控制打下了基础。 4. 熔覆宽度是激光成形过程中与成形效果密切相关的中间过程输出参数，该参数的实时检测为调整扫描间距，确定合理搭接率，提高熔覆表面平整度具有重要作用。提出了一种基于卡尔曼滤波技术的激光熔覆宽度检测方法。利用视觉传感系统获取激光加工过程中的熔池图像，经过图像处理求熔池宽度作为参量建立系统状态方程和测量方程，应用卡尔曼滤波原理对图像上的熔宽和熔宽变化进行状态估计，得到最小均方差条件下的熔覆宽度最佳预测值，从而减小过程噪声和测量噪声引起的熔覆宽度测量偏差，实现加工过程熔覆宽度的精确检测。 5. 成形过程动态辨识，利用阶跃响应法进行了激光参数与熔覆高度、熔覆宽度的辨识实验，建立了激光功率、扫描速度、送粉速率与熔覆高度、熔覆宽度之间的数学模型，对成形过程有了基本了解，为控制器设计与动态过程调节规范确立打下良好基础。 6. 设计了PID熔覆高度控制系统，并利用遗传算法进行了PID参数寻优，寻优获得的参数可以实现较好的控制效果，但不适于实时控制过程。为此设计了模糊PID控制系统，利用模糊逻辑算法对PID参数实现在线自动调整，控制系统具有较强的适应能力和实时处理能力，对于金属粉末激光成形过程具有较好的控制效果。

激光金属沉积成形过程热行为的研究

激光金属直接快速成形技术是在80年代末期出现的快速原型技术（Rapid Phototyping, RP）基础上结合同步同轴送料激光熔敷（On-axis Laser Cladding）技术发展起来的一项先进制造技术。它涉及机械、激光、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、材料科学等领域的关键技术。它突破了传统快速成形工艺方法和成形材料的局限，是目前快速成形诸多方法中研究最多、最有发展前途的新型制造技术。它基于材料累加思想，能够在无需任何刀具和模具的情况下由CAD模型直接驱动沉积成形金属零件，从而大大缩短了新产品的研发周期并节省了大量的资源。中国科学院沈阳自动化研究所开展了该技术的研究，并研制开发了激光金属沉积成形系统（Laser Metal Deposition Shaping, LMDS）。本文介绍了金属零件激光直接快速成形技术的原理和特点，分析了当前金属零件激光快速成形过程数值模拟研究的热点和发展趋势。结合激光金属沉积成形系统的研究需要和遇到的实际问题，阐述了激光、金属粉末和基板三者之间的相互作用，利用有限元的方法数值模拟了各种影响成形精度和效率的因素对激光金属沉积成形系统过程热行为的影响，包括不同扫描方式、不同基板预热温度等，并利用激光金属沉积成形系统系统进行了验证。具体的研究内容如下： 1. 阐述了激光与金属粉末之间的相互作用。激光快速成形过程中，高功率激光束与基板金属交互作用产生熔池，同步送入的金属粉末在熔池内被迅速熔化然后迅速凝固。熔池内的冶金动力学过程包括传热、传质、对流及气-液界面冶金反应和固-液界面扩散等与工艺质量的好坏密切相关，直接影响成形零件内气体和夹渣物的吸收、聚集和逸出，进而影响成形零件的微观组织、成分变化及其它物理冶金性能。基于熔池内传质、传热及流动对成形层的组织和性能的决定性作用，建立了激光金属沉积成形过程的数学模型和有限元模型。 2. 利用有限元分析中的“单元生死”技术，通过APDL语言编程建立了激光金属沉积成形系统过程三维多道多层的数值模拟模型，得到了激光金属沉积成形系统过程中试样和基板内的温度、温度梯度以及热应力分布规律。 3. 研究了沿长边平行往复扫描、沿短边平行往复扫描以及层间正交变向平行往复扫描等不同扫描方式对激光金属沉积成形系统过程热行为的影响，得到了不同扫描方式下试样和基板的温度、温度梯度和热应力变化规律，并结合快速凝固理论对这一过程中出现的现象进行解释。 4. 为了实现基板的预热，根据热传导理论自主设计开发了用于激光金属沉积成形系统过程的基板预热系统。该系统由基板预热器、智能PID控制器以及计算机串口温度检测和反馈控制等部分组成，具有结构简单、功能完善、可靠性高等特点。它既可以通过智能PID控制器实现对基板预热温度的控制，也可以通过计算机串口实现对基板预热温度的实时检测、记录以及反馈控制，从而使基板预热温度在室温～600℃之间连续调节。此外，它的计算机串口温度检测模块还可以用来实现对激光金属沉积成形系统成形过程基板温度的实时监测，为数值计算提供较为准确的边界条件以及用来检验和校正数值模型的正确性与可靠性。 5. 利用数值模拟的方法研究了基板预热温度分别在室温、200℃、300℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃时对激光金属沉积成形系统过程温度、温度梯度以及热应力的影响。在相同的条件下，利用激光金属沉积成形系统系统和基板预热系统进行了实际成形实验。对成形实验得到的试样进行了深入的研究，包括：成形试样的成形高度和表面质量与基板预热温度的关系；成形试样的利用扫描电镜分析成形试件沉积层的显微组织特征；利用能谱仪分析沉积层合金元素的化学成分偏析情况。 6. 建立了集数值模拟和成形加工于一体的软件平台。它既可以实现简单零件变模型尺寸、变热物性参数和变工艺参数的数值模拟，也可以直接驱动激光金属沉积成形系统完成简单零件的快速成形。这为研究各工艺参数如激光功率、扫描速度、送粉速率、光斑尺寸以及基板预热温度等对激光金属沉积成形系统过程的影响提供了一个平台。

基于DSP的视觉焊缝跟踪控制系统的设计

目前，随着科技水平的进步，人们对焊接质量的要求越来越高，为了保证焊接质量，通常配备焊缝自动跟踪系统。视觉传感方式由于其采集信息量大，避免了与工件直接接触，易于实现焊接跟踪智能化，在焊缝跟踪领域得到广泛的应用。由于主动光视觉与被动光视觉相比具有抗干扰能力强等诸多优点，所以本文采用基于主动光视觉的焊缝跟踪系统。 论文第一部分介绍了焊缝跟踪图像采集与处理系统。对本文中所使用的图像传感器、光路系统的结构及获取特征点的图像处理方法进行了说明。 第二部分对焊缝跟踪控制系统的硬件设计进行说明。硬件部分主要是以TMS320F2812数字信号处理器为核心进行外围电路的设计。包括电源模块、串口通信模块、CAN口通信模块、接口电路模块等。为了使跟踪系统达到所需要的精度和快速性，电机是系统组成中一个非常重要的环节，是很关键的组成部件。所以本部分最后对伺服电机的选型过程进行详细说明。 第三部分介绍控制系统的软件结构。控制器软件系统包括初始化模块、串行通信模块、CAN通信模块、指令处理模块、纠偏控制模块等。针对超前检测式跟踪机构的特点，推导出超前偏差公式，实现纠偏控制模块的功能。 最后对控制方法进行仿真研究。针对焊缝跟踪系统的特点，应用MATLAB的Simulink模块进行控制方法的仿真研究。设计了PID控制器和模糊控制器，分别进行仿真研究，并且对仿真结果进行对比分析。

基于MAX197的电量测控系统

利用单片机技术设计多路电量测控系统,实现对电量的精确测量、控制,同时输出人工智能或位式开关控制信号。系统以单片机为核心,利用模数转换器MAX197构成多路测量电路,利用放大器构成输出电路,实现多路一一对应的闭环测量控制。系统软件采用PID控制器。实践表明:可根据需要增减系统信号采样通道的数目,采用软件抗干扰措施,采样数据可靠性高。采用参数密码保护和自检系统,有效防止由于错误控制而引起的不可预知的甚至危险的后果。输入输出硬件结构简单,系统低成本高速度,具有较好的测量控制精度。

带肋钢筋穿水冷却控制系统

本文主要讨论一种用于提高带肋钢筋品质的穿水冷却控制系统。该系统根据棒材轧制过程特点结合其质量控制目标,分析了穿水冷却系统的控制方法及特点,提出了一种控制方案。该方案结合高效的湍流管穿水冷却系统可靠地提高了棒材轧制的产品质量。