随着飞机向着"体积大"、"速度快"方向发展,采用多轴数控加工、具有气动外形复杂结构的整体壁板类构件日益增多。由于这些结构件空间位置的限制,普通有效的双面焊接方法无法实施。针对航空焊接常见的自由曲面零件,如何保证成形质量下,实现高效率的自动化焊接控制,是现代航空制造一个关键难题。本研究针对航空制造这一特点,提出了自由曲面焊接质量精确控制方法。即基于焊接热过程解析公式的研究,获得焊接正面熔池信息(正面熔宽与熔池熔长)与表征焊缝成形质量的信息(背面熔宽)的关系,进而通过控制正面熔池信息达到控制焊缝成形质量的目的。焊接过程是存在高噪声干扰、有较大时滞和动态突变性的多种因素耦合过程,传统的单变量控制无法实现稳定控制。通过分析焊接工艺参数与焊接熔池信息的复杂耦合关系,建立了以焊接电流、焊接速度为输入量,正面熔宽、熔池熔长为输出量的双变量控制模型。针对测试法建模的弊端,利用解析法建立数学模型。即通过解析公式推导出输入与输出的数学关系,进行函数关系曲线的拟合,与一阶系统阶跃响应曲线对比,发现两者相似,推导得到输入与输出的传递函数。对建立的双变量耦合控制系统,通过前馈补偿解耦器消除输入与输出之间的耦合关系,将多变量系统拆解成两个单变量系统。采用PI控制策略,消除输出信号与给定量的偏差。设计了Smith预估补偿器消除时滞对系统稳定性的影响。通过MATLAB的Simulink的仿真试验,证实前馈补偿解耦控制器消除了输入与输出的耦合关系,PI控制器实现了系统的稳定控制,Smith预估补偿器消除了时滞的影响。对连续变板厚工件进行TIG焊接试验,首先基于解析公式得到正面熔宽与背面熔宽的关系,计算不同板厚时正面熔宽与焊接电流的关系。然后通过观察到的正面熔宽与计算值进行比较,调节焊接电流得到稳定的背面熔宽。实验结果证实了通过控制正面熔宽得到恒背面熔宽的可行性。