基于自适应的容器内壁堆焊焊炬高度跟踪技术研究——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文由新疆大学智能制造现代产业学院的张宁等人发表于《制造技术与机床》2025年第1期，研究背景直指立式容器内壁自动化堆焊修复中焊炬高度实时跟踪这一核心难题。在石化、电力、冶金等行业中，大型立式容器因腐蚀、冲蚀等原因需要定期进行内壁堆焊修复，传统手工堆焊效率低、质量不稳定，而自动化堆焊对焊炬高度的精确控制提出了极高要求。容器内壁为曲面，焊炬沿内壁行走时，因母材厚度不均、锈层、旧焊缝凸起等因素，焊接电流会持续波动，若不能实时补偿焊炬高度偏差，将导致熔敷金属成形不良、稀释率超标甚至产生未熔合等缺陷。该研究正是针对这一工程痛点展开的。

核心技术方案解读

模型参考自适应控制原理

作者设计了一种基于积分项的模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control, MRAC）焊炬高度跟踪控制器。MRAC的基本思想是建立一个理想参考模型，将实际系统输出与参考模型输出进行比较，通过自适应律实时调整控制器参数，使实际系统跟踪参考模型的动态响应。在焊炬高度跟踪中，参考模型描述的是理想状态下焊接电流与焊炬高度之间的稳态关系，当实际电流偏离参考值时，控制器自动调整焊炬升降以消除偏差。

引入积分项是本文的一个关键创新点。传统MRAC控制器在面对焊接过程中的低频干扰（如母材厚度渐变、铁锈层不均匀等）时，容易产生稳态误差。积分项的作用是累积误差信号，使控制器对持续性偏差具有零稳态误差的跟踪能力。具体而言，积分项将电流偏差的积分值作为附加控制量，对焊炬高度进行慢速补偿，从而有效抑制低频干扰对跟踪精度的影响。

无限脉冲响应滤波器应用

作者采用无限脉冲响应滤波器（IIR）对采集的堆焊电流信号进行滤波处理。焊接电流信号中含有大量高频噪声，包括电弧振荡、电源纹波等，这些噪声若不滤除，将导致控制器误判焊炬高度偏差，产生高频振荡甚至失控。IIR滤波器相比有限脉冲响应滤波器（FIR），在相同滤波效果下所需阶数更低，计算量更小，更适合实时控制系统。滤波器的截止频率选择需要在噪声抑制和信号延迟之间取得平衡——截止频率过低会导致有效电流信号延迟过大，影响控制响应速度；过高则噪声滤除不充分。

焊炬高度-焊接电流数学模型

研究建立了横焊条件下焊炬高度与焊接电流之间的数学模型，用于计算焊炬高度偏差。这一模型是控制系统的核心环节，其精度直接决定了控制效果。横焊时，焊炬与母材之间的几何关系相对简单，电流随焊炬高度的变化规律较为明确：焊炬升高时电弧长度增加，电弧电压升高，焊接电流下降；反之焊炬降低时电弧长度缩短，焊接电流增大。模型需考虑电弧特性曲线、电源外特性以及母材导热等因素的综合影响。

试验结果与技术参数分析

±0.34 mm的最大跟踪误差在自动化堆焊领域属于优良水平。一般认为，焊炬高度跟踪误差控制在±0.5 mm以内即可满足大多数堆焊工艺要求，而本文的±0.34 mm意味着焊道成形的一致性更高，稀释率波动更小，有利于获得均匀的熔敷金属成分和稳定的力学性能。对于容器内壁修复而言，这一精度水平能够有效避免因高度波动导致的未熔合、咬边等缺陷。

工程实践思考与启示

与现有技术的对比

在实际工程中，焊炬高度跟踪常用方法包括：

本文采用的MRAC方法在抗干扰能力和精度方面具有明显优势，但算法实现和参数整定难度较大。在实际推广中，需要充分考虑现场工况的复杂性和操作人员的调试能力。

工程应用建议

基于本文研究，在容器内壁堆焊自动化改造中，建议从以下几个方面着手：

1. 前期准备：对容器内壁进行彻底清理，去除锈层、旧焊缝凸起和腐蚀产物，减小母材表面不均匀性对跟踪精度的影响。
2. 参数优化：根据具体焊材和工艺条件，优化MRAC控制器的自适应增益和积分时间常数，确保在不同工况下均能稳定跟踪。
3. 联锁保护：设置焊炬高度偏差报警和自动停机保护，当偏差超过设定阈值时立即停止焊接，避免产生不合格焊道。
4. 过程监控：实时记录焊接电流、电压、焊炬高度等参数曲线，便于质量追溯和工艺优化。

个人反思

在阅读本文过程中，我深感自适应控制在焊接自动化领域的应用前景广阔。传统焊接控制多依赖PID等固定参数控制器，面对复杂工况时往往力不从心。MRAC等自适应控制方法的引入，使焊接系统具备了"自学习"和"自调节"能力，能够适应母材厚度变化、锈层分布不均等不确定因素。然而，自适应控制器的参数整定需要深厚的理论功底和丰富的工程经验，如何在保证控制性能的同时降低调试难度，是工程应用中需要重点解决的问题。此外，本文研究针对横焊位置，对于立焊、仰焊等更复杂位置的焊炬高度跟踪，控制模型和控制策略需要进一步拓展和完善。

总体而言，本文在理论方法上具有创新性，试验结果令人信服，为容器内壁自动化堆焊修复提供了可靠的技术方案。随着智能制造技术的发展，自适应控制在焊接领域的应用将更加广泛，有望显著提升堆焊质量和效率，降低对高技能焊工的需求，这对我国大型设备修复行业的转型升级具有重要意义。