基于自适应的容器内壁堆焊焊炬高度跟踪技术研究学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《制造技术与机床》2025年第1期，由新疆大学智能制造现代产业学院张宁等四位作者完成。研究聚焦于立式容器内壁自动化堆焊修复中的焊炬高度跟踪难题，提出了一种基于积分项的模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control, MRAC）方法，并引入无限脉冲响应滤波器（Infinite Impulse Response, IIR）对堆焊电流信号进行预处理。该研究获得新疆维吾尔自治区自然科学基金面上基金（2022D01C391）和新疆大学优秀博士研究生创新项目（XJU2022BS092）资助，具有较强的工程应用导向。

在石化、煤化工、电力等行业中，立式容器内壁的腐蚀减薄和磨损损伤是常见失效模式，堆焊修复是恢复设备使用性能的核心手段。然而，容器内壁呈曲面形态，焊接过程中焊炬与工件表面的距离变化剧烈，传统定值控制或简单PID控制难以实现精确的高度跟踪，直接影响熔池稳定性、焊缝成形质量以及稀释率控制。本文的研究正是针对这一工程痛点展开的。

核心控制策略解读

模型参考自适应控制原理

MRAC控制的核心思想是建立一个理想的参考模型，使被控对象的输出尽可能跟踪参考模型的输出。在焊炬高度跟踪场景中，参考模型描述了期望的焊炬高度-焊接电流关系，而实际焊接过程中由于工件表面起伏、焊丝消耗、熔池动态变化等因素，实际电流信号偏离理想值。控制器通过实时比较偏差并调整控制量，驱动焊炬升降机构进行纠偏。

本文的创新之处在于在MRAC控制器中引入了积分项。传统的MRAC控制器主要依靠比例控制，对于存在恒定干扰的场景（如焊丝直径的缓慢变化、工件表面渐变的腐蚀坑），比例控制会产生稳态误差。积分项的引入使得控制器能够对累积误差进行补偿，显著提升了跟踪电流的抗干扰能力。从控制理论角度看，积分项相当于增加了系统的开环增益，提高了对低频干扰的抑制能力，但同时也可能降低系统的相位裕度，需要在工程实现中进行适当的参数整定。

电流信号滤波处理

堆焊电流信号中包含了大量的噪声成分，包括电弧本身的随机波动、电磁干扰、以及机械振动引起的信号抖动。如果直接使用未经处理的电流信号进行控制，控制器会对高频噪声产生过度响应，导致焊炬频繁抖动，不仅降低跟踪精度，还会加速升降机构磨损。

本文采用IIR滤波器对电流信号进行滤波处理。与FIR滤波器相比，IIR滤波器以较少的阶数即可实现较高的滤波效果，计算量小，更适合嵌入式控制系统中的实时处理。在焊接自动化领域，电流信号的滤波是一个关键但常被忽视的环节。我在工程实践中观察到，很多自动化堆焊设备虽然在控制器算法上做了大量优化，但忽视了信号预处理，导致控制效果始终不理想。IIR滤波器的截止频率需要根据焊接电流的变化特性来设定——既要滤除高频噪声，又不能过度平滑导致控制滞后。

焊炬高度与焊接电流的数学模型

横焊位置下的焊炬高度-焊接电流关系是控制器的基础模型。在横焊过程中，焊炬相对工件表面呈一定倾角，电弧力、熔池重力和表面张力的综合作用使得电流与高度的关系呈现非线性特征。当焊炬高度增加时，电弧长度增大，电弧电阻增大，在恒压条件下电流下降；反之亦然。但这一关系并非简单的线性比例，而是受到电弧形态、熔滴过渡模式、保护气体流量等多种因素的耦合影响。

关键技术参数与试验结果分析

试验结果表明，采用积分项MRAC控制方法的最大跟踪误差为±0.34 mm。对于容器内壁堆焊而言，这一精度水平是能够满足焊接质量控制要求的。在工程实践中，堆焊焊炬高度通常控制在3~6 mm范围内，±0.34 mm的误差意味着高度变化幅度约为5%~11%，处于可接受范围内。但需要注意的是，跟踪误差的大小还与焊接速度、电流大小、工件表面粗糙度等因素相关，实际应用中需要根据具体工况进行验证。

与工程实践的结合思考

控制系统的工程实现要点

在将本文的MRAC控制策略应用于实际工程时，需要关注以下几个关键问题。第一，升降机构的响应速度必须与控制器的输出频率相匹配，否则再好的控制算法也无法转化为实际的焊炬运动。第二，传感器系统的精度和响应速度直接影响控制效果，电流传感器的采样频率至少应达到1 kHz以上，以保证对电流变化的实时捕捉。第三，控制器的参数整定需要针对具体焊接材料和工艺条件进行标定，不同焊丝直径、不同焊接电流下的MRAC参数不能通用。

与现有技术的对比

从焊接自动化技术的发展历程来看，焊炬高度控制经历了从定值控制、简单反馈控制到自适应控制的演进过程。定值控制适用于平面焊接，无法应对曲面工件；简单PID反馈控制虽然能应对一定程度的表面起伏，但对于复杂曲面和动态变化的焊接条件适应性不足。MRAC控制的优势在于其自适应能力——控制器能够根据焊接过程的实时状态自动调整控制参数，无需人工干预。但自适应控制也带来了参数整定复杂、调试周期长等工程挑战。

FMEA视角下的风险分析

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度审视，焊炬高度跟踪系统的潜在失效模式包括：升降机构卡滞导致焊炬无法升降、电流传感器故障导致信号丢失、控制器参数漂移导致跟踪精度下降、以及工件表面存在突发性缺陷（如深坑、焊瘤）导致跟踪失控。针对这些失效模式，工程实践中应采取冗余设计、定期标定、参数自学习等对策。

学习心得与启示

本文的研究体现了控制理论与焊接工艺深度融合的趋势。在自动化堆焊领域，控制算法的进步正在成为提升焊接质量的关键驱动力。积分项MRAC控制器的设计思路——在经典自适应控制框架中引入积分作用以增强抗干扰能力——是一个值得借鉴的工程化创新。这种"在成熟框架上做针对性改进"的研究方法，比追求全新的控制理论更适合工程应用。

从更宏观的角度看，容器内壁修复的自动化水平提升，将显著降低人工焊接的作业风险和成本，提高修复质量的一致性和可追溯性。对于石化、煤化工等高危行业而言，这一技术进步具有重要的安全价值。我期待看到更多将先进控制理论与焊接工艺相结合的研究成果，推动焊接自动化向智能化方向发展。