1 弧焊技術發展現狀
近年來隨著計算機視覺技術、機器人技術、人工智能技術、數字化信息處理技術等科學技術的快速發展，使得弧焊技術的發展邁向了高速高效化、控制系統智能化、焊接過程控制數字化等方向。具有高效率高質量的焊接工藝主要包括：多元氣體保護焊，比如一種比較高效的MAG焊--TIME焊；多絲多弧焊，比如激光-MIG復合焊，雙絲MIG/MAG焊；活性化焊等。其中，多元氣體保護焊接工藝通過改變電弧保護氣體的成分，從而影響電弧的形態，增加焊絲的熔焊率，實現焊接過程形成良好的焊縫；多絲多弧焊接工藝通過增加焊絲和工件母材總能量輸入，合理配置用于形成熔池和熔化焊絲的瞬時功率，提高焊接過程的熔敷效率，實現穩定高質量的焊接過程；活性化焊接工藝是利用了鋁材料的活潑性，通過改變材料表面張力的分布情況，影響熔池金屬的流動方式，進而提高焊接效率和焊接質量，實現穩定可靠的焊接工藝過程。
焊接控制的數字化技術通過計算機技術來實現，控制焊接設備運行，直到達到焊接工藝要求，得到高質量的焊縫效果。就目前焊接工藝發展情況，數字化的焊接電源已經實現了較高效率的柔性化控制以及多種功能的集成，達到了較高的控制精度，系統運行較穩定，典型的產品包括Fxonius公司的Trabsplus synergic 2700/4000/5000等系列產品，實現了MIG/MAG焊、手工電弧焊等多種的焊接方法，這些產品可以存儲幾十個焊接程序，實現對弧長和熔滴過渡形式的精確控制。此外，網絡化技術的發展使得焊接電源具有網絡工藝管理和控制軟件升級的功能。
弧焊技術的智能控制不依賴于被控對象的數學模型，主要是通過技術人員的操作經驗、焊接知識、技術推理和控制系統相關信息得到具體的有效地控制動作，實現自動智能控制。由此可以看出智能控制技術適用于非線性控制過程或者不確定性的控制過程。弧焊控制技術的發展起源較早，出現了模糊控制、神經網絡、專家系統等多種典型的控制方法。其中，模糊控制技術主要用于電弧的穩定性控制，神經網絡控制技術主要通過其學習功能，檢測熔池熔深和熔寬參數，再結合模糊控制器，實現對焊接過程質量和焊縫的實時跟蹤，而專家系統結合多種控制技術，具有多種應用場合，包括熔深和熔寬的控制、焊縫的跟蹤、電弧的穩定性控制等，高度實現了智能化和自動化。多種控制方法控制技術相互融合，相互滲透，弧焊控制系統已經具有了較高自適應能力、自主控制能力，大大提高了焊接工藝質量和焊接效率。
2 脈沖MIG焊過程建模與控制發展現狀
焊接過程建模主要是指研究控制量與被控變量之間的關系，只有得到了具體的影響規律，才能從模型角度出發設計出良好的控制器。傳統的焊接過程建模方法是通過對焊接溫度場合流場的具體數值分析，然后進行模型擬合，得到焊接參量與熱場和流場的具體關系。在建立這些解析模型的過程中，需要對焊接條件和焊接過程做一些適當假設，而這些假設往往影響著焊接的結果，因此對理論模型產生了一定的誤差，目前焊接過程的具體解析模型在實際應用中存在一定的限制。一些實驗通過統計的方法建立了碳鋼熔化極氣體保護焊的焊接參數如焊接電壓、焊接電流、送絲速度等與焊接熔池尺寸如熔深、熔寬、焊縫堆高等之間的關系方程，在其特定實驗條件下能夠基本反映焊接參數與熔池的幾何尺寸之間的具體關系，但依然存在著一些誤差，可適用的范圍有限。焊接過程從焊絲送入、形成熔池、形成焊縫等，整個過程受到外界干擾因素很多，是個比較復雜的非線性過程，干擾因素的隨機性導致了在特定條件下的實驗結果并不完全適用于實際情況，產生了一定誤差，建立的數學模型表現為不精確。
為此，更多的研究學者充分利用控制理論中系統辨識方法對焊接過程進行了詳細研究，并取得了一定的研究成果。部分實驗研究了脈沖了GTAW的熔池動態特性，在經典控制理論的基礎上，經過多次試驗，對實驗數據采用面積法進行辨識，最后得到了熔池的動態特性的數學描述，并建立了以焊接過程中焊接速度和脈沖峰值時間為輸入，以熔寬為輸出的兩個單輸入單輸出的傳遞函數模型。通過Z變換的方法得到了焊槍高度和熔池寬度的傳遞函數模型，研究焊接過程中規范參數的影響，通過斜坡函數和階躍函數作為輸入，對模型進行了仿真和驗證，并設計了能夠控制焊槍高度和熔寬的數字控制系統，取得了零靜態誤差的控制效果。
蘭州理工大學樊丁教授課題組對鋁合金脈沖MIG焊進行了大量研究，并取得了一定的研究成果。通過視覺傳感器研究了脈沖焊規范參數對鋁合金MIG焊熔寬變化的調節規律，設計了基于被動式視覺傳感器原理的濾光系統，解決了電弧光對成像的干擾問題，成功獲取了清晰的熔池圖像，并通過形態學圖像處理算法提取了熔寬特征信息，為建立焊接過程動態模型和控制奠定了基礎。并通過系統辨識方法，得到了熔池動態過程中以基值電流、送絲速度、占空比、焊接速度為輸入，以正面熔寬為輸出的四個單輸入單輸出傳遞函數模型，并對模型進行了仿真和驗證，進行了PID控制和智能控制仿真。后又在此基礎上，通過平板堆焊實驗，研究了焊接規范參數對干伸長的影響規律，建立了各參數域干伸長之間的數學模型，最后得到了多輸入多輸出的傳遞函數模型，并采用多變量控制方法，進行了解耦控制系統仿真，取得了很好的控制效果。
山東大學孫同景教授課題組對鋁合金脈沖MIG焊數字化控制系統進行了研究。通過對MIG焊接電源的控制方案研究，設計了數字PWM控制器和控制電路，將反饋電流和三角波疊加后與給定的電流比較，產生PWM驅動脈沖，進而實現電流型PWM，在控制策略上采用的是副邊電流反饋、原邊峰值電流保護措施。最后通過現實面板硬件設計，對控制系統進行了測試，結果表明所設計的系統焊接過程比較平穩，達到了實際焊接要求。該課題組還針對多數MIG焊機驅動部分模擬電路控制中適應性差、穩定性不高等問題，確立了全數字脈沖MIG焊接電源的告訴數字逆變驅動電路設計方案、電流控制方案和弧長控制方案，通過對MIG焊熔滴過渡形式、弧長、電流控制需求分析，設計了基于電流和弧長的雙閉環控制方案，并設計了人機交互界面，實現了數字化自動控制，實驗效果良好，達到了焊接要求。
綜上所述，對于鋁合金MIG焊接過程的動態特性研究及模型辨識系統，國內外很多學者都進行了研究，并以此建立了多種模型和多種控制方法，但由于焊接過程的復雜非線性性，存在很多不確定隨機因素的影響，目前還沒有形成一種非常完美的控制方案，對于MIG焊工藝控制過程的研究仍具有重要意義。
1.3 MIG焊工藝PID技術控制發展現狀
PID控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好合可靠性高等優點，被廣泛應用于工業控制過程中，尤其是適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統中。但生產實際中往往具有非線性、時變不確定性，難以建立精確的數學模型，因此常規的PID控制技術已不能滿足要求。鋁合金的焊接過程就是一個復雜的非線性過程，近年來，研究人員對鋁合金MIG焊PID控制技術進行了大量研究，PID控制方法在焊接控制中得到了廣泛應用，并取得了一定的成績。山東大學王斐等人針對脈沖MIG焊接系統大慣性和非線性等特點，結合PID和模糊控制技術兩者的優點，設計了基于FPGA的模糊自適應PID控制器，并通過仿真和實際焊接試驗驗證了該控制器的可行性和有效性。華南理工大學趙舉東等人提出了采用自適應模糊控制方法對脈沖MIG/MAG焊接熔滴過渡形式進行在線實時控制，建立了以全數字控制IGBT逆變弧焊電源核心的自適應模糊控制系統，基于Fuzzy控制理論和大量實驗，設計了自校正PID參數控制器，并通過單片機實現控制效果，實驗結果表明焊接效果良好，達到了一定的焊接要求。
由于PID控制器對系統的適應能力較差，即隨著控制系統條件變化而調整自身性能的能力較低，且PID的控制一般比較適用于單輸入單輸出的控制系統，因此限制了PID控制技術在焊接控制中的發展。近年來，自適應控制、最優控制等方法在復雜的控制系統中表現出很好的適應能力，因此，將PID控制技術、自適應控制技術、模糊控制技術、神經網絡技術和專家系統等經典控制方法和現代控制方法結合，成為了焊接過程控制的主要研究方法。
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