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

本文出自新疆大学智能制造现代产业学院张宁等作者，刊载于《制造技术与机床》2025年第1期，属于新疆维吾尔自治区自然科学基金面上基金资助项目。该研究聚焦立式容器内壁自动化堆焊修复中的焊炬高度实时跟踪难题，提出了一种基于积分项的模型参考自适应控制策略，并结合无限脉冲响应滤波器对堆焊电流信号进行预处理，最终实现了最大跟踪误差±0.34 mm的控制精度。这一成果对于石化、电力等行业大型容器内壁腐蚀修复具有直接的工程指导价值。

在钢管与管件制造领域，堆焊修复是应对内壁减薄、腐蚀坑蚀等失效模式的重要手段。立式容器内壁堆焊的难点在于：作业空间封闭、焊炬运动轨迹复杂、熔池状态难以直接观测，传统恒压控制或简单PID控制在面对熔池波动、母材厚度不均等干扰时往往难以维持稳定的焊接质量。本文提出的MRAC方案正是针对这一痛点展开的。

核心技术原理与方案解读

模型参考自适应控制的基本框架

MRAC的核心思想是设定一个理想的参考模型，当被控对象（此处为焊接过程）的实际输出与参考模型输出产生偏差时，控制器自动调整参数以使实际输出趋近参考输出。在焊炬高度跟踪场景中，参考模型代表理想状态下焊炬与工件表面之间的恒定距离所对应的焊接电流，而实际焊接电流则反映了焊炬与工件间的真实距离状态。

本文的创新点在于在标准MRAC基础上引入了积分项。标准MRAC依赖比例控制进行偏差修正，但比例控制在存在稳态误差时无法完全消除偏差。引入积分项后，控制器能够累积历史偏差信息，有效抑制电流信号的稳态漂移，增强了系统对堆焊过程中熔池波动、飞溅干扰等动态扰动的抗干扰能力。从控制理论角度分析，积分项的加入相当于在控制回路中增加了低通特性，使系统对高频噪声不敏感，同时保留了低频偏差的修正能力。

无限脉冲响应滤波器的应用

堆焊电流信号中往往含有高频噪声，这些噪声来源于电弧本身的波动、电源纹波以及电磁干扰。如果直接将未经处理的电流信号输入控制器，高频噪声会导致控制器产生不必要的调节动作，反而降低跟踪精度。本文采用IIR滤波器对电流信号进行滤波处理，IIR滤波器相较于FIR滤波器具有更少的系数和更高的计算效率，适合实时控制系统的应用需求。

滤波器的设计需要权衡滤波深度与相位延迟。过度滤波会引入较大的相位延迟，导致控制器响应滞后；滤波不足则无法有效抑制噪声。在实际工程实施中，滤波截止频率的选择需要结合焊接电流的采样频率、电弧波动的典型频率范围以及控制器的响应速度要求来综合确定。

焊炬高度与焊接电流的数学模型

横焊过程中，焊炬高度与焊接电流之间存在非线性关系。当焊炬距离工件表面过近时，电弧长度缩短，电流增大，熔池扩大，甚至可能出现短路；当焊炬距离过远时，电弧长度增加，电流减小，熔池收缩，可能出现未熔合。本文建立了焊炬高度与焊接电流之间的数学模型，通过该模型将电流测量值转换为高度偏差估计值，再输入积分项MRAC控制器进行纠偏。

与工程实践的结合思考

从工程实践角度来看，焊炬高度跟踪控制精度±0.34 mm对于容器内壁堆焊而言是一个相当不错的指标。在实际的石化容器修复项目中，内壁堆焊层通常要求厚度均匀、与母材冶金结合良好、无裂纹和气孔等缺陷。焊炬高度的波动直接导致熔深变化，进而影响稀释率和堆焊层的力学性能。

在实际操作中，还需关注以下几个工程问题。

1. 传感器布置与信号采集：电流传感器的响应速度直接影响控制回路的带宽，需要选用快速响应的霍尔传感器或分流器，并确保采集系统的采样率满足奈奎斯特采样定理的要求。
2. 焊接位置适应性：横焊、仰焊、立焊等不同焊接位置的熔池流动特性不同，焊炬高度与电流的关系模型可能存在差异，需要根据焊接位置分别建立模型或采用参数自适应的方法。
3. 母材表面状态的影响：容器内壁可能存在腐蚀坑、残留焊渣、涂层等，这些表面不平整度会干扰焊炬高度跟踪的稳定性，需要在预处理阶段尽可能清理平整。
4. 多道焊的适应性：内壁修复往往需要多层多道堆焊，每道焊的起始位置和熔池状态都不同，控制器需要具备快速适应新工况的能力。

从FMEA的角度分析，焊炬高度跟踪失效可能导致以下后果：熔池过深导致烧穿、熔池过浅导致未熔合、稀释率过高导致堆焊层性能劣化、飞溅增大导致成形不良。针对这些潜在失效模式，应设置多重保护机制，如电流超限报警、焊炬姿态监测、焊接过程中断保护等。

关键疑问与思考

本文提出的方案在理论上较为完善，但在实际工程推广中可能面临以下挑战。

第一，模型参数的标定问题。焊炬高度与电流之间的数学模型需要在具体焊接条件下进行标定，不同材料、不同焊接参数、不同保护气体条件下的模型参数可能不同。如何快速准确地完成模型标定，是工程推广的关键。

第二，动态响应速度的限制。MRAC控制器的自适应速度取决于自适应律的设计，过快可能导致系统振荡，过慢则无法及时响应扰动。在容器内壁堆焊这种低速焊接过程中，自适应速度的选择需要仔细权衡。

第三，与现有焊接设备的兼容性。工业现场已有的焊接设备可能不具备实时数据采集和控制接口，需要增加相应的硬件模块，这会增加系统的复杂性和成本。

学习心得与启示

本文的研究思路体现了"感知-建模-控制"这一自动化焊接技术的基本范式。在焊炬高度跟踪这一经典难题上，通过引入积分项增强抗干扰能力、利用IIR滤波器优化信号质量、建立高度-电流数学模型实现间接测量，形成了一套完整的解决方案。最大跟踪误差±0.34 mm的结果证明了方案的有效性。

对于从事钢管与管件制造的技术人员而言，这一研究的意义在于：它展示了如何将先进的控制理论应用于实际的焊接工程问题。在实际的管件堆焊修复、管道内表面修复等场景中，类似的焊炬高度跟踪问题普遍存在。掌握自适应控制的基本原理，结合工程实际选择合适的传感器和控制策略，可以有效提升自动化堆焊的质量和一致性。

此外，本文也提示我们，在焊接自动化领域，信号处理与控制算法的优化往往能够带来显著的性能提升。未来可以进一步探索将视觉传感、多传感器融合等技术引入焊炬高度跟踪系统，实现更加鲁棒和智能的焊接过程控制。