基于自适应的容器内壁堆焊焊炬高度跟踪技术学习体会

文献概况与技术背景

本文出自《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、薛瑞雷、夏磊、康峰四位作者联合完成。研究聚焦于立式容器内壁自动化堆焊修复中的焊炬高度实时跟踪这一关键工程难题，提出了一种基于积分项的模型参考自适应控制方法，并通过IIR滤波器对堆焊电流信号进行预处理，最终将最大跟踪误差控制在±0.34 mm以内，达到了容器内壁自动化堆焊的质量控制要求。

从工程实践角度看，立式容器内壁修复是石油化工、能源储运等领域的常见需求。容器内壁通常存在局部减薄、腐蚀坑蚀或裂纹等缺陷，需要通过堆焊恢复壁厚并改善表面性能。然而，容器内壁的曲面几何特征、受限空间作业条件以及焊接过程中弧长变化对焊接质量的显著影响，使得焊炬高度的精确跟踪成为自动化堆焊的核心技术瓶颈。

核心控制方法与技术要点

模型参考自适应控制原理

本文的核心创新在于引入积分项增强模型参考自适应控制器的抗干扰能力。传统的MRAC控制方法通过构建参考模型，使被控对象的输出跟踪参考模型的输出，但在堆焊场景中，焊接电流受到多种干扰因素的影响，包括焊丝送进速度波动、工件表面不平整、熔池流动以及电弧力变化等。这些干扰会导致焊接电流信号出现噪声和漂移，单纯的比例-微分控制难以保证跟踪精度。

积分项的引入使得控制器能够消除稳态误差，提高对低频干扰的抑制能力。在工程实现中，积分项的增益参数需要仔细整定：过大会导致系统响应超调甚至振荡，过小则无法有效消除稳态误差。作者通过试验验证了积分项对跟踪精度的显著改善效果。

IIR滤波器在电流信号处理中的应用

堆焊电流信号的采集与处理是高度跟踪系统的关键环节。本文采用无限脉冲响应滤波器对采集的堆焊电流进行滤波处理，这一选择具有重要的工程意义。与有限脉冲响应滤波器相比，IIR滤波器在达到相同滤波效果时所需的阶数更低，计算量更小，更适合嵌入式控制系统中的实时信号处理。

横焊条件下的焊炬高度-电流模型

在横焊位置下，重力对熔池的影响显著，熔池金属倾向于向下方流动，导致焊接电流信号与焊炬高度之间的关系呈现非线性特征。作者建立了横焊条件下的焊炬高度与焊接电流之间的数学模型，通过该模型将电流偏差映射为高度偏差，进而驱动焊炬进行纠偏。这一模型建立过程需要充分的试验数据支撑，模型精度直接影响跟踪系统的控制效果。

工程实践分析与PDCA改进思路

从工程实践角度审视，本文提出的技术方案在实际应用中需要考虑以下几个关键因素：

1. 传感器布局与安装：在容器内壁受限空间内，电流传感器的安装位置和固定方式直接影响信号采集的稳定性。传感器与焊炬之间的距离、角度以及固定刚性都需要优化设计。
2. 执行机构响应速度：焊炬高度纠偏的执行机构需要具有足够的响应速度和精度，以跟上焊接过程的动态变化。常见的执行机构包括伺服电机驱动的升降机构或气动缸。
3. 参数在线整定：不同容器、不同焊材、不同焊接参数组合下，焊炬高度-电流模型存在差异，控制系统需要具备在线参数整定能力，以适应不同的焊接工况。

按照PDCA循环的思路，该技术方案在实际推广中可以进一步优化：在Plan阶段，需要根据具体容器规格和焊材特性建立初始模型；在Do阶段，通过试焊获取实际数据；在Check阶段，评估跟踪精度和焊接质量；在Act阶段，根据评估结果调整控制参数和模型系数。

关键疑问与思考

本文的研究成果令人振奋，但仍有一些值得深入探讨的问题：

• 多变量耦合问题：实际堆焊过程中，焊炬高度、焊接速度、送丝速度等参数相互耦合，单一变量控制策略在复杂工况下的适用性有待验证。
• 模型泛化能力：在不同直径、不同曲率的容器内壁，焊炬高度-电流模型是否需要重新标定？自适应控制器的在线辨识能力能否覆盖这种变化？
• 极端工况适应性：在存在较大腐蚀坑蚀或局部变形的容器内壁，焊炬高度变化幅度可能超出常规范围，控制系统的鲁棒性需要进一步验证。

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典型范例。作为焊接技术人员，我深刻体会到：自动化焊接不仅仅是设备的简单集成，更需要对焊接物理过程有深入理解，才能设计出有效的控制策略。积分项MRAC与IIR滤波器的组合方案，在工程实现上具有较好的可行性，其±0.34 mm的跟踪精度对于容器内壁堆焊修复而言已经能够满足大多数应用场景的质量要求。未来，随着数字孪生技术和数据分析方法的进一步发展，焊炬高度跟踪系统有望实现更加智能化、自适应的控制，但控制理论的基本原理始终是工程实践的基础。