核反應堆壓力容器檢測機器人控制系統(tǒng)研發(fā)*

趙 琛，陶澤勇

(國核電站運行服務技術(shù)公司，上海 200233)

0 引 言

隨著自動控制技術(shù)和核電技術(shù)的迅速發(fā)展，機器人技術(shù)被廣泛應用于核工業(yè)領(lǐng)域。特別是在有放射性的核環(huán)境下，通過工作人員遠程控制機器人完成相應的無損檢測的任務，不但可以有效減少現(xiàn)場作業(yè)人員的輻射傷害并減輕工作負擔，而且能提高無損檢測效率和準確性[1-3]。

核反應堆壓力容器和壓力容器頂蓋是核電站重要部件，在核電站役前和在役期間均需要進行必要的檢查。由于工況的特殊性，人員無法進入壓力容器內(nèi)部或頂蓋下方[4-5]，同時出于無損檢測重復性及穩(wěn)定性的需要，針對壓力容器及頂蓋的檢查主要由6軸/5軸機器人的末端攜帶超聲或者其他檢測探頭進行自動檢測[6-9]。筆者提出核反應堆壓力容器監(jiān)測機器人控制系統(tǒng)的一種設計方法，可遠程控制攜帶的超聲檢測儀，相互配合，實現(xiàn)手動掃查和自動掃查任務。

1 檢測機器人系統(tǒng)總體方案設計

1.1 設計背景與技術(shù)特點

現(xiàn)有核反應堆壓力容器的超聲檢測工作采用的是美國西屋公司生產(chǎn)的SUPREEM六自由度機械手搭載端部效應器進行。其軟件控制系統(tǒng)集成于UNIX操作系統(tǒng)中，無法脫離西屋服務器單獨應用，系統(tǒng)的靈活性和適應性較差，功能受限。且部分服務器、運動控制器、驅(qū)動器等設備已出現(xiàn)故障，部分零部件已經(jīng)停產(chǎn)，這對控制系統(tǒng)設備維修造成很大麻煩[10-13]。為全面實現(xiàn)核反應堆壓力容器焊縫檢測系統(tǒng)的國產(chǎn)化，保證后續(xù)役前和在役檢測能夠有備用設備順利進行，在現(xiàn)有控制系統(tǒng)設計理念上進行改進和調(diào)整。

1.2 總體方案設計

檢測機器人實施檢查時，機器人安裝于上、下部平臺上，平臺則坐落在法蘭面和下部支撐塊上，如圖1所示。本控制系統(tǒng)主要包含軌跡規(guī)劃層(遠程PC)、位置速度控制層(運動控制器+FGPA模塊)、電流控制層以及機器人本體四個部分。和現(xiàn)有控制系統(tǒng)有所不同的是，驅(qū)動控制器由常見的I/O卡、CPU卡、運動控制卡和旋變轉(zhuǎn)換卡的組合更換為FPGA、固高控制卡的組合，F(xiàn)GPA控制模塊使用FGPA作為主控制芯片，主要完成機器人關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼、機器人關(guān)節(jié)速度環(huán)的控制、接收上位機控制指令、產(chǎn)生電流環(huán)控制指令、監(jiān)控驅(qū)動器工作狀態(tài)。固高控制卡采用嵌入式工控機+多軸運動控制卡的方式，主要根據(jù)任務路徑規(guī)劃運動路徑，完成機器人關(guān)節(jié)位置的控制，同時產(chǎn)生速度指令信號。驅(qū)動器根據(jù)機器人運行環(huán)境和檢測對象的不同，分為PWM驅(qū)動模塊與線性放大器模塊。當機器人在岸上調(diào)試運行時，使用PWM驅(qū)動模塊，當機器人攜帶端部效應器在壓力容器水環(huán)境中進行巡檢作業(yè)時，使用線性放大器驅(qū)動以減小對端部效應器的干擾。操作人員通過PC進行軌跡規(guī)劃，并通過Ethernet TCP/IP通訊方式給本地控制器發(fā)出運行指令，實現(xiàn)檢測機器人的遠程控制，總體方案圖如圖2所示。

圖1 核反應堆壓力容器檢查時機器人狀態(tài)模型示意圖

圖2 機器人整體系統(tǒng)總體方案

2 關(guān)節(jié)信號處理與軌跡規(guī)劃

機器人的軌跡規(guī)劃和速度控制是核反應堆壓力容器檢測機器人控制系統(tǒng)中的重要組成部分。即在機械手進行作業(yè)時，通過預設規(guī)劃路徑來設計起始位置到目標位置的合理路徑，并且保證各自由度之間力矩平衡，各關(guān)節(jié)速度、位置無偏差，機械臂及超聲檢測掃查器與核反應堆壓力容器內(nèi)壁等環(huán)境結(jié)構(gòu)無碰撞作業(yè)，針對不同的檢測對象、不同的檢測環(huán)境，配合末端超聲掃查器完成不同速度的自動或手動檢測任務。

2.1 關(guān)節(jié)信號處理

對機器人各關(guān)節(jié)控制信號的處理采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組合的閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要由雙旋轉(zhuǎn)變壓器、調(diào)理電路和解碼、控制FPGA板組成，雙旋變關(guān)節(jié)信號處理框圖如圖3所示。假設給定位置信號u1，檢測實際轉(zhuǎn)子位置信號u2，兩者比較后得到位置誤差信號Δu=u1-u2，該位置誤差信號經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)后，通過FPGA輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定信號ωr；由于實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號經(jīng)實際轉(zhuǎn)子位置信號差分運算后得到ωf，則速度誤差信號為指令轉(zhuǎn)子速度與實際速度的差值Δω=ωr-ωf，該誤差信號作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，再經(jīng)過轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)輸出電流指令ir；系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器供電電壓為24 V，其產(chǎn)生的計數(shù)脈沖為0～24 V高低電平，檢測到的電機實際電流值if，與輸出電流指令ir比較后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器控制算法即可確定功率開關(guān)器件導通的占空比，輸出相應的PWM波形，使轉(zhuǎn)子按照控制要求運行，從而調(diào)整關(guān)節(jié)速度、位置。

圖3 雙旋變關(guān)節(jié)信號處理框圖

2.2 軌跡規(guī)劃跟蹤

(1)

選取跟蹤誤差變量e和滑模變量s分別為：

e=qd-q

(2)

(3)

考慮到自適應魯棒控制器τr為：

(4)

則滑模變量s的軌跡規(guī)劃跟蹤的閉環(huán)誤差動態(tài)方程：

(5)

根據(jù)誤差動態(tài)方程，可得出機器人自適應魯棒軌跡規(guī)劃跟蹤控制器結(jié)構(gòu)框圖4所示。

圖4 軌跡規(guī)劃跟蹤控制器結(jié)構(gòu)框圖

機器人軌跡跟蹤控制算法以FPGA為硬件載體，采用帶抗積分飽和的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器來設計關(guān)節(jié)電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中電流環(huán)和速度環(huán)控制，外部設置神經(jīng)網(wǎng)絡補償項來進行參考軌跡趨近的不確定性處理，對軌跡跟蹤誤差，參數(shù)調(diào)整，通過自適應魯棒控制器，以減小檢測機器人外部噪聲擾動，確保軌跡跟蹤魯棒性。為實現(xiàn)機器人軌跡實時跟蹤控制，通過帶抗積分飽和的數(shù)字PID調(diào)節(jié)進行位置調(diào)整后，采用軌跡跟蹤控制算法使機械手各關(guān)節(jié)按規(guī)定轉(zhuǎn)動方式運轉(zhuǎn)，末端按指定軌跡運動。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，大體可以分為電源模塊、接口電路模塊、旋變解碼模塊和FPGA模塊等四個模塊，通過串行外設接口SPI和I/O口進行通訊。

圖5 控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)控制軟件是機器人完成無損檢測任務的核心，直接關(guān)系到核反應堆壓力容器超聲檢測的穩(wěn)定性、魯棒性和安全性等。WESTINGHOUSE公司提供的機器人控制軟件基于ROBCAD仿真平臺開發(fā)，集成于Linux操作系統(tǒng)中，為了便于后續(xù)軟件安裝、機器人功能修改、操作人員使用學習，ROBCAD仿真平臺開發(fā)在Windows操作系統(tǒng)下實現(xiàn)，在進行超聲檢測時，通過以太網(wǎng)通信模塊實現(xiàn)上位機與機器人下位機軟件的通訊、機器人本體狀態(tài)檢測、各關(guān)節(jié)傳感器信息融合與處理，同時，配合音/視頻控制系統(tǒng)多角度視頻監(jiān)控和遠程對話，實現(xiàn)機器人檢測系統(tǒng)的遠程遙控。機器人軟件設計目的在于接收上位機指令并解析生成機器人控制命令，通過讀取機械手位姿、各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速和位置等信息，分析各傳感器反饋參數(shù)、軌跡規(guī)劃跟蹤誤差和超聲檢測質(zhì)量等數(shù)據(jù)，來實時控制檢測機器人，并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息可視化處理于上位機界面。具體設計流程如圖6所示。

圖6 軟件設計流程

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 系統(tǒng)仿真測試

為保證系統(tǒng)運行安全可靠，現(xiàn)場測試前需進行系統(tǒng)仿真測試，利用Matlab對本系統(tǒng)的控制方法進行實驗仿真驗證，根據(jù)實際機器人參數(shù)，使用改進型DH法建立機器人模型，如圖7所示。

圖7 機器人及焊縫模型

在關(guān)節(jié)空間中，對每個關(guān)節(jié)進行三次樣條曲線的插補，獲得每個關(guān)節(jié)的位置速度曲線。按照固高控制器的伺服周期，選取一系列位置速度點作為實際控制點，并利用機器人的轉(zhuǎn)換矩陣和雅可比矩陣將其轉(zhuǎn)換為世界坐標系下的實際運動軌跡與速度，通過對比實際運動軌跡與焊縫的差值、實際速度與理論掃查速度的差值，驗證控制系統(tǒng)的誤差性能。

本實驗仿真中，在一圈焊縫上選取了32個粗插補點進行控制測試，得到位置誤差曲線，截取了其中1/4圓弧作為觀察，由于焊縫所在平面垂直于X軸，因此其速度誤差主要是YZ方向的速度差，實驗仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 32個點時的YZ方向速度誤差

實驗結(jié)果顯示，理論末端線速度100 mm/s，粗插補32個點時，最大速度波動為1 mm/s，小于設備允許的2%的速度波動。粗插補16個點時，最大速度波動為2.3 mm/s，不滿足設備要求。粗插補64個點時，最大速度波動0.7 mm/s，對比于32個點所得收益有限。通過實驗仿真，驗證了本控制系統(tǒng)方案下，軌跡規(guī)劃層采取32個粗插補點時，位置速度誤差在設備允許內(nèi)。

4.2 現(xiàn)場測試分析

現(xiàn)場測試在核反應堆壓力容器模擬體中進行，通過遠程控制端觀察機器人的狀態(tài)，手動控制機器人移動，對比狀態(tài)監(jiān)控結(jié)果是否正常。機器人攜帶某一型號的端部效應器在模擬壓力容器水環(huán)境中進行焊縫掃查，端部效應器的超聲掃查反饋信號如圖9所示。測試結(jié)果證明，本控制系統(tǒng)能夠控制機器人進行核反應堆壓力容器自動焊縫檢測功能。

圖9 超聲采集儀記錄數(shù)據(jù)

經(jīng)過以上實驗仿真及現(xiàn)場測試，本系統(tǒng)的理論部分得到了驗證，實際測試基本功能得到了滿足，完成了既定設計要求。

5 結(jié) 語

文中根據(jù)核電站換料大修期間核反應堆壓力容器焊縫巡檢機器人國產(chǎn)化的需求，設計了控制系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)，對遠程控制端和本地控制器進行了硬件和軟件的具體細節(jié)設計，提出了一套同時適合于遠程操作和本地調(diào)試的核反應堆壓力容器檢測機器人的控制系統(tǒng)。同時提出了機器人的關(guān)節(jié)信號處理方式和軌跡規(guī)劃跟蹤算法，并對機器人在本控制方案下可能產(chǎn)生的位姿誤差和速度誤差進行了理論分析。通過對該控制系統(tǒng)進行樣機實驗仿真及現(xiàn)場測試，此系統(tǒng)的理論部分得到了驗證，實際測試基本功能得到了滿足，完成了既定控制目標。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計合理，集成度高，具有很強的通用性，軟件模塊可以進一步豐富，對其他的機器人運動控制系統(tǒng)也有一定的借鑒意義。