基于模糊自適應PID控制器的差壓式管道檢測機器人速度控制系統(tǒng)設計

許 紅 李著信 李媛媛 龔利紅 劉澤山

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

差壓式管道內(nèi)檢測機器人依靠流體壓能和動能產(chǎn)生的推力，隨著管內(nèi)流體的流動而運動，不需要額外能源供應，是一種比較理想的檢測裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊及無需額外動力源等優(yōu)點。但長距離油氣輸送管道，內(nèi)部空間有限，流體流速不穩(wěn)定且管道環(huán)境較差，機器人的速度波動較大，不但影響機器人檢測探頭的數(shù)據(jù)精度，而且在彎管處出現(xiàn)機器人與管壁的撞擊將導致檢測元件損毀。因此需要加強機器人速度穩(wěn)定性的研究，設計一個速度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人速度可控，運行穩(wěn)定[1～4]。模糊自適應PID的發(fā)展給機器人速度控制技術(shù)的發(fā)展起到了很好的推動作用[5]。

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

差壓式管道機器人由調(diào)速盤、機器人本體及

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

圖1 差壓式管道檢測機器人結(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)速盤機械機構(gòu)、剎車組件、控制部件和反饋部件。直徑大小可調(diào)的調(diào)速盤機械機構(gòu)包括：步進電動機、傳動螺桿和調(diào)速盤。控制部件包括：控制器和數(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、剎車元件及機身支撐桿等組成。

機器人放進管道以后，速度傳感器發(fā)出模擬信號，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號輸入到控制器，控制器處理速度信號以后，計算出當前工作間隙的大小，控制步進電動機正向或反向轉(zhuǎn)動的角度，由傳動螺桿帶動推拉桿動作，從而達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量，反饋給處理器，計算出控制后的間隙值與預期的間隙值之差，再控制步進電動機來調(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)，最終實現(xiàn)控制機器人的速度。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，配置好機器人開始的工作狀態(tài)，包括機器人本體質(zhì)量、調(diào)速盤的直徑大小、每個脈沖對應調(diào)速盤的大小和電磁鐵通電量分別對應的機器人運行速度的范圍。

當管道環(huán)境發(fā)生變化時，通過速度傳感器采集一定時間內(nèi)當前機器人的移動速度，然后判斷當前機器人速度是否在正常工作速度范圍內(nèi)。當機器人速度過快時，則根據(jù)偏離的速度值計算出需要改變的電磁鐵通電量，同時將調(diào)速盤直徑調(diào)至最小；當機器人速度過慢時，則根據(jù)偏離的速度值計算出需要改變的調(diào)速盤直徑大小，同時關閉通電線圈。機構(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，防止步進電動機發(fā)生失步現(xiàn)象，采用了閉環(huán)控制，通過傳感器的信號，計算出實際的調(diào)速盤直徑大小或電磁鐵通電量是否達到了預期的理論控制值，再修正步進電機的脈沖數(shù)，最終得到準確的參數(shù)，完成以后，更新當前的參數(shù)。

圖3 速度控制流程

3 基于模糊自適應PID的速度控制器設計

3.1 模糊自適應PID速度控制器原理

應用自適應控制思想，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PID控制。其原理是運用基于模糊理論的模糊控制器，根據(jù)人工控制經(jīng)驗對PID控制器的Kp、Ki、Kd3個參數(shù)進行整定[8，9]。

(1)

(2)

(3)

圖4 管道機器人速度模糊自適應PID控制器結(jié)構(gòu)

3.2 模糊語言變量的確定

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

3.3 隸屬函數(shù)的確定

模糊化的實質(zhì)就是找出輸入精確量對應的每個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)和各個語言值的隸屬度就定義了一個模糊集合。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、對稱三角形及對稱梯形等。對稱三角形隸屬函數(shù)其形狀只與它的直線斜率有關，運算量小，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。對于模糊自適應PID控制器，速度誤差e和誤差變化率ec在控制過程中對PID控制參數(shù)影響的基本規(guī)律為：

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

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

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

根據(jù)上述e、ec對PID參數(shù)調(diào)整的基本規(guī)律，結(jié)合差壓式管道機器人在運行過程中的實際經(jīng)驗，可以設計出管道機器人速度模糊自適應PID控制器模糊規(guī)則表。根據(jù)模糊控制規(guī)則表對速度誤差e和誤差變化率ec進行模糊推理，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。管道機器人速度模糊自適應PID控制器采用最大值最小值法進行模糊推理，主要步驟為：

a. 計算速度輸入量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. 計算總結(jié)。綜合邏輯和運算所有結(jié)論，得到最終推理結(jié)果。

通過以上幾個步驟，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)行機構(gòu)只能對清晰量進行識別，因此控制器必須把模糊量進行解模糊，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個隸屬函數(shù)的權(quán)重。

實際處理中，上面的計算都是離線進行的，制成控制決策表并存放在計算機中，在控制過程中采用查表法來讀取數(shù)據(jù)，減少了在線計算時間，提高了系統(tǒng)的實時性。

4 結(jié)束語

在差壓式管道檢測機器人的基本結(jié)構(gòu)與調(diào)速原理的基礎上，依據(jù)其速度控制流程，應用模糊自適應理論，結(jié)合模糊控制與PID控制，設計了能滿足差壓式管道機器人速度檢測需求的速度控制器，為進一步開發(fā)差壓式管道檢測機器人速度模擬仿真系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。