許 紅 李著信 李媛媛 龔利紅 劉澤山

(1.解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401311；2.92635部隊(duì)，山東 青島 266000)

差壓式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人依靠流體壓能和動(dòng)能產(chǎn)生的推力，隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，不需要額外能源供應(yīng)，是一種比較理想的檢測(cè)裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊及無需額外動(dòng)力源等優(yōu)點(diǎn)。但長(zhǎng)距離油氣輸送管道，內(nèi)部空間有限，流體流速不穩(wěn)定且管道環(huán)境較差，機(jī)器人的速度波動(dòng)較大，不但影響機(jī)器人檢測(cè)探頭的數(shù)據(jù)精度，而且在彎管處出現(xiàn)機(jī)器人與管壁的撞擊將導(dǎo)致檢測(cè)元件損毀。因此需要加強(qiáng)機(jī)器人速度穩(wěn)定性的研究，設(shè)計(jì)一個(gè)速度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人速度可控，運(yùn)行穩(wěn)定[1～4]。模糊自適應(yīng)PID的發(fā)展給機(jī)器人速度控制技術(shù)的發(fā)展起到了很好的推動(dòng)作用[5]。

1 差壓式管道檢測(cè)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)和調(diào)速原理①

差壓式管道機(jī)器人由調(diào)速盤、機(jī)器人本體及

支撐機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)管內(nèi)流體速度較低或機(jī)器人進(jìn)入爬坡管道時(shí)，會(huì)引起機(jī)器人速度降低甚至因流體驅(qū)動(dòng)力不足停止前進(jìn)，可以利用蓄電池的能量驅(qū)動(dòng)調(diào)速盤迎流面積變大，獲取更大的流體驅(qū)動(dòng)力以保持恒定的速度運(yùn)行，當(dāng)機(jī)器人的速度高于恒定速度時(shí)，減小調(diào)速盤迎流面積；當(dāng)管內(nèi)流體速度較高或機(jī)器人進(jìn)入下坡管道時(shí)，會(huì)引起機(jī)器人速度過快，首先可以通過減小調(diào)速盤迎流面積來減小驅(qū)動(dòng)力，其次可以增大支撐機(jī)構(gòu)與管壁的摩擦力以獲得較大的摩擦阻力來降低機(jī)器人的速度。每組支撐機(jī)構(gòu)有3套支撐組件，包括電磁鐵、剎車元件、支撐輪和機(jī)身支撐桿，每個(gè)支撐組件之間的角度為120°，均勻地分布在機(jī)器人本體上。

圖1 差壓式管道檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

2 速度控制系統(tǒng)和控制流程

速度控制系統(tǒng)由以下幾部分組成：直徑大小可調(diào)的調(diào)速盤機(jī)械機(jī)構(gòu)、剎車組件、控制部件和反饋部件。直徑大小可調(diào)的調(diào)速盤機(jī)械機(jī)構(gòu)包括：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)螺桿和調(diào)速盤?？刂撇考ǎ嚎刂破骱蛿?shù)字控制電路。反饋部件包括：速度傳感器及位置傳感器等。剎車組件由電磁線圈、彈簧、支撐輪、剎車元件及機(jī)身支撐桿等組成。

機(jī)器人放進(jìn)管道以后，速度傳感器發(fā)出模擬信號(hào)，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)輸入到控制器，控制器處理速度信號(hào)以后，計(jì)算出當(dāng)前工作間隙的大小，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，由傳動(dòng)螺桿帶動(dòng)推拉桿動(dòng)作，從而達(dá)到控制變速翼與管道之間間隙的目的，再通過位置傳感器的測(cè)量，反饋給處理器，計(jì)算出控制后的間隙值與預(yù)期的間隙值之差，再控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來調(diào)整間隙，通過閉環(huán)控制，精確調(diào)節(jié)間隙和摩擦因數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人的速度。速度控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

圖2 速度控制系統(tǒng)方框圖

首先，配置好機(jī)器人開始的工作狀態(tài)，包括機(jī)器人本體質(zhì)量、調(diào)速盤的直徑大小、每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)調(diào)速盤的大小和電磁鐵通電量分別對(duì)應(yīng)的機(jī)器人運(yùn)行速度的范圍。

當(dāng)管道環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，通過速度傳感器采集一定時(shí)間內(nèi)當(dāng)前機(jī)器人的移動(dòng)速度，然后判斷當(dāng)前機(jī)器人速度是否在正常工作速度范圍內(nèi)。當(dāng)機(jī)器人速度過快時(shí)，則根據(jù)偏離的速度值計(jì)算出需要改變的電磁鐵通電量，同時(shí)將調(diào)速盤直徑調(diào)至最??；當(dāng)機(jī)器人速度過慢時(shí)，則根據(jù)偏離的速度值計(jì)算出需要改變的調(diào)速盤直徑大小，同時(shí)關(guān)閉通電線圈。機(jī)構(gòu)控制方法及其流程如圖3所示。為了精確控制調(diào)速盤直徑大小或電磁鐵通電量，防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)生失步現(xiàn)象，采用了閉環(huán)控制，通過傳感器的信號(hào)，計(jì)算出實(shí)際的調(diào)速盤直徑大小或電磁鐵通電量是否達(dá)到了預(yù)期的理論控制值，再修正步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，最終得到準(zhǔn)確的參數(shù)，完成以后，更新當(dāng)前的參數(shù)。

圖3 速度控制流程

3 基于模糊自適應(yīng)PID的速度控制器設(shè)計(jì)

3.1 模糊自適應(yīng)PID速度控制器原理

應(yīng)用自適應(yīng)控制思想，將模糊控制[6]和PID[7]控制相結(jié)合就構(gòu)成了模糊自適應(yīng)PID控制。其原理是運(yùn)用基于模糊理論的模糊控制器，根據(jù)人工控制經(jīng)驗(yàn)對(duì)PID控制器的Kp、Ki、Kd3個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定[8，9]。

(1)

(2)

(3)

圖4 管道機(jī)器人速度模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)

3.2 模糊語(yǔ)言變量的確定

把速度誤差e和誤差變化率ec的精確值作為輸入語(yǔ)言變量，ΔKp、ΔKi、ΔKd作為輸出語(yǔ)言變量。把輸入語(yǔ)言變量的模糊輸入空間定義為輸入變量的基本論域，輸出語(yǔ)言變量的模糊輸出空間定義為輸出變量的基本論域。設(shè)速度誤差e的模糊基本論域?yàn)閇-m,-m+1,…, 0,…,m-1,m]，誤差變化率ec的模糊基本論域?yàn)閇-n,-n+1,…, 0,…,n-1,n,]，輸出控制變量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊基本論域?yàn)閇-k,-k+1,…,0,…,k-1,k]。模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，分別表示{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。這種劃分能夠滿足該速度控制系統(tǒng)對(duì)較高品質(zhì)的要求。

3.3 隸屬函數(shù)的確定

模糊化的實(shí)質(zhì)就是找出輸入精確量對(duì)應(yīng)的每個(gè)模糊子集的隸屬函數(shù)值。隸屬函數(shù)常用來表征模糊集合，確定隸屬函數(shù)和各個(gè)語(yǔ)言值的隸屬度就定義了一個(gè)模糊集合。隸屬函數(shù)一般是離散的，也可以是連續(xù)的。各模糊狀態(tài)的隸屬函數(shù)有正態(tài)形、對(duì)稱三角形及對(duì)稱梯形等。對(duì)稱三角形隸屬函數(shù)其形狀只與它的直線斜率有關(guān)，運(yùn)算量小，所占內(nèi)存空間也小，因此比較適合有隸屬函數(shù)在線調(diào)整的模糊控制。在此選三角形為語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)。輸入e、ec，輸出ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬函數(shù)曲線分布如圖5所示。

圖5 e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬函數(shù)

3.4 模糊推理

控制規(guī)則是模糊控制器的核心。對(duì)于模糊自適應(yīng)PID控制器，速度誤差e和誤差變化率ec在控制過程中對(duì)PID控制參數(shù)影響的基本規(guī)律為：

a. 誤差e較大時(shí)，為加快系統(tǒng)穩(wěn)定速度，應(yīng)取較大的Kp，消除偏差，同時(shí)Kd值應(yīng)取小一點(diǎn)以避免e變大引起的微分飽和，對(duì)于Ki值應(yīng)趨于零，避免系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào);

b. 誤差e為中等值時(shí)，Kp應(yīng)取一個(gè)較小值以減小超調(diào)，同時(shí)Ki、Kd取合適的值;

c. 誤差e較小時(shí)，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，Kp、Ki取值應(yīng)大一些，同時(shí)Kd取一個(gè)合適的值。

根據(jù)上述e、ec對(duì)PID參數(shù)調(diào)整的基本規(guī)律，結(jié)合差壓式管道機(jī)器人在運(yùn)行過程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可以設(shè)計(jì)出管道機(jī)器人速度模糊自適應(yīng)PID控制器模糊規(guī)則表。根據(jù)模糊控制規(guī)則表對(duì)速度誤差e和誤差變化率ec進(jìn)行模糊推理，就可以得到輸出ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集合。目前，使用較多的模糊推理方法有Baldwin法、Zadeh法及最大值最小值法等。管道機(jī)器人速度模糊自適應(yīng)PID控制器采用最大值最小值法進(jìn)行模糊推理，主要步驟為：

a. 計(jì)算速度輸入量e、ec的隸屬度。

b. 求前件部隸屬度。選取速度輸入量e、ec隸屬度最小值為最終的前件部隸屬度。

c. 求有效的后件部隸屬函數(shù)。以前件部的隸屬度切割后件部的隸屬函數(shù)，獲得有效的輸出結(jié)果。

d. 計(jì)算總結(jié)。綜合邏輯和運(yùn)算所有結(jié)論，得到最終推理結(jié)果。

通過以上幾個(gè)步驟，利用e、ec的隸屬函數(shù)和ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規(guī)則表最終求得ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集。

3.5 解模糊

模糊推理得到的是模糊輸出量，而速度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)只能對(duì)清晰量進(jìn)行識(shí)別，因此控制器必須把模糊量進(jìn)行解模糊，使其轉(zhuǎn)化為精確量。解模糊化是模糊化的逆過程，加權(quán)平均法是模糊控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的解模糊方法[10]，即：

(4)

其中，yi為輸出模糊集合的第i個(gè)隸屬度值，也可稱為加權(quán)系數(shù)；ki為輸出模糊集合的第i個(gè)隸屬函數(shù)的權(quán)重。

實(shí)際處理中，上面的計(jì)算都是離線進(jìn)行的，制成控制決策表并存放在計(jì)算機(jī)中，在控制過程中采用查表法來讀取數(shù)據(jù)，減少了在線計(jì)算時(shí)間，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

在差壓式管道檢測(cè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)與調(diào)速原理的基礎(chǔ)上，依據(jù)其速度控制流程，應(yīng)用模糊自適應(yīng)理論，結(jié)合模糊控制與PID控制，設(shè)計(jì)了能滿足差壓式管道機(jī)器人速度檢測(cè)需求的速度控制器，為進(jìn)一步開發(fā)差壓式管道檢測(cè)機(jī)器人速度模擬仿真系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。