王克寬1，2，呂喜軍3，龍 斌1，2，唐德渝1，2，相政樂3，劉明珠1，2

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451；3.中國海洋石油能源發(fā)展管道工程公司，天津 300452）

0 引言

噴砂除銹是目前管道涂裝表面預(yù)處理的主要方法。海底管道的補(bǔ)口區(qū)域作為整個(gè)管道防腐的瓶頸部位，其表面除銹處理的質(zhì)量直接影響海底管道失效事故發(fā)生的頻率[1]。目前，干噴砂除銹技術(shù)由于其環(huán)境污染嚴(yán)重，危害人體健康而逐漸被限制使用；濕噴砂除銹技術(shù)和超高壓水除銹技術(shù)雖然避免了環(huán)境污染，但是濕噴砂后易產(chǎn)生浮銹，而超高壓水除銹技術(shù)價(jià)格高昂，還不能被廣泛采用[2]。

環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹機(jī)的開發(fā)為解決上述問題提供了有效途徑。作為一種管道補(bǔ)口自動(dòng)除銹裝置，可在最大范圍內(nèi)減少環(huán)境污染，改善工人勞動(dòng)環(huán)境，提高作業(yè)效率，并保證補(bǔ)口質(zhì)量。由于自動(dòng)噴砂機(jī)通常在工況條件惡劣的環(huán)境中使用，這對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求，其控制系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了設(shè)備的整體性能，并影響噴砂除銹的最終效果。

本文在噴砂除銹機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出了三閉環(huán)控制系統(tǒng)方案和非線性應(yīng)對(duì)措施，保證了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，有效地抑制隨機(jī)干擾，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴砂除銹機(jī)的可靠運(yùn)行。

1 自動(dòng)噴砂除銹機(jī)

1.1 自動(dòng)噴砂除銹機(jī)的組成及結(jié)構(gòu)

自動(dòng)噴砂除銹機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為一類串聯(lián)式機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1，圖中A為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)本體，B為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)導(dǎo)軌，C為管道，D為噴砂補(bǔ)口區(qū)。由圖1可知，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)給方式包括沿軌道運(yùn)行方向的回轉(zhuǎn)進(jìn)給，沿管道軸向的軸向進(jìn)給。當(dāng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)沿著導(dǎo)軌做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)化為繞管道軸向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)半徑為r+r1。建立坐標(biāo)系和系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖2所示，則機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為關(guān)節(jié)1繞x軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)2沿x軸的平移運(yùn)動(dòng)。

圖1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 自動(dòng)噴砂除銹機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)圖2中所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[3]，并在此基礎(chǔ)上討論其控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。由圖可知，沿x軸和沿z軸的運(yùn)動(dòng)量分別為l1和l2；繞x軸的旋轉(zhuǎn)角度為θ，旋轉(zhuǎn)半徑為r+r1。

圖2 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換法則，繞x軸的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

沿x軸的平移矩陣為：

末端點(diǎn)P2的矢量方程為：

由上式推出運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為：

將上式反解，推出逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為：

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 三閉環(huán)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)控制的核心是要進(jìn)行精確的位置控制，而響應(yīng)的快速性、靈活性、準(zhǔn)確性是位置控制的主要指標(biāo)。為滿足這些指標(biāo)要求，本系統(tǒng)采用位置、速度雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)；同時(shí)根據(jù)本系統(tǒng)對(duì)電機(jī)輸出扭矩的要求，在速度環(huán)的內(nèi)部嵌套了電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，獲得近似最大恒流的啟動(dòng)過程[4]，有效地控制電機(jī)的啟動(dòng)特性和電流、轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程?？刂葡到y(tǒng)原理見圖3。

圖3 三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)原理示意

對(duì)速度環(huán)和電流環(huán)組成的閉環(huán)結(jié)構(gòu)而言，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，其構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。作為內(nèi)環(huán)的電流調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化，對(duì)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用，在調(diào)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。對(duì)位置環(huán)和速度環(huán)組成的閉環(huán)結(jié)構(gòu)而言，速度環(huán)作為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)作為外環(huán)，其構(gòu)成位置、速度雙閉環(huán)定位系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 非線性分析

非線性對(duì)系統(tǒng)的性能有很大的破壞作用，甚至可以導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作[5]。按照控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外圍組成，本系統(tǒng)屬于典型的雙閉環(huán) （位置環(huán)和速度環(huán)）控制系統(tǒng)，對(duì)于參數(shù)變化和擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響，除了依靠系統(tǒng)自身抑制外，還需采用軟件濾波的方式加以有效抑制，將來自外部的干擾信號(hào)視作無效信號(hào)予以去除[6-7]。在系統(tǒng)內(nèi)部，非線性包括摩擦非線性、間隙非線性、死區(qū)非線性和飽和非線性等。其中間隙非線性是系統(tǒng)中一種常見的非線性因素， 是機(jī)構(gòu)傳動(dòng)間隙所引起的，主要發(fā)生在伺服系統(tǒng)的啟動(dòng)和換向時(shí)刻，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響一是間隙的不確定性降低了系統(tǒng)的定位精度；二是間隙的存在給系統(tǒng)帶來滯后效應(yīng)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 加劇系統(tǒng)的自振蕩[8]。利用雙閉環(huán)的校正作用和信號(hào)的軟件濾波處理能有效消除這些因素的影響， 提高系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性。系統(tǒng)抑制擾動(dòng)和非線性的控制原理見圖5。

圖5 擾動(dòng)和非線性的控制原理示意

3 仿真分析

根據(jù)以上對(duì)控制方案的設(shè)計(jì)，分別以階躍信號(hào)及等占空比方波信號(hào)作為輸入進(jìn)行仿真分析，探索控制參數(shù)并觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度及準(zhǔn)確性等性能指標(biāo)。搭建的MATLAB仿真程序如圖6所示，控制器模塊分別封裝了各閉環(huán)的控制元素，電機(jī)模型模塊內(nèi)部封裝了作為內(nèi)環(huán)的電流調(diào)節(jié)器和濾波模塊。因此，速度閉環(huán)、電機(jī)和與外圍的位置控制環(huán)節(jié)一起構(gòu)成雙閉環(huán)位置控制結(jié)構(gòu)。

仿真結(jié)果表明，該控制策略可行。由圖7、8可以看出，系統(tǒng)在惡劣輸入信號(hào)和隨機(jī)干擾的作用下能保持較好的響應(yīng)特性和較好的穩(wěn)定性，濾波模塊作用顯著，系統(tǒng)對(duì)外界的干擾表現(xiàn)出較好的魯棒性，對(duì)預(yù)定軌跡信號(hào)跟蹤效果良好，能夠確保系統(tǒng)的控制精度。在理想狀態(tài)下，該控制策略能夠滿足系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)性能的要求。

圖6 MATLAB仿真程序

圖7 階躍信號(hào)仿真結(jié)果

圖8 方波信號(hào)仿真結(jié)果

4 應(yīng)用試驗(yàn)

在仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)?？刂葡到y(tǒng)采用可編程控制器PLC和伺服驅(qū)動(dòng)單元相結(jié)合方式， 同時(shí)采用高精度傳感器進(jìn)行系統(tǒng)信號(hào)的采集。利用PLC梯形圖編寫控制程序，并進(jìn)行軟件濾波模塊的設(shè)計(jì)。

通過運(yùn)行程序，由PLC計(jì)算指令脈沖數(shù)與脈沖頻率，確定脈沖方向，并輸出指令脈沖作為驅(qū)動(dòng)器的給定信號(hào)。伺服驅(qū)動(dòng)器將脈沖指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制功能，進(jìn)行伺服控制的動(dòng)態(tài)調(diào)整。濾波模塊的設(shè)計(jì)采用了延時(shí)消抖和數(shù)字濾波相結(jié)合的方法，有效消除開關(guān)量輸入抖動(dòng)和各種隨機(jī)干擾對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，使該系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定位精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

設(shè)備試驗(yàn)的噴砂除銹效果見圖9。

圖9 噴砂除銹試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)板比對(duì)，除銹效果可達(dá)Sa2.5級(jí)以上，滿足海底管道鋪設(shè)噴砂除銹指標(biāo)的要求。

5 結(jié)論

（1）采用三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，能夠在獲得較高控制精度的同時(shí)有效控制啟動(dòng)力矩，并能充分抑制非線性因素對(duì)系統(tǒng)的影響。

（2）在外部電磁干擾強(qiáng)烈的工況下，軟件濾波是對(duì)采集信號(hào)處理的必要手段，并且軟件濾波器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響信號(hào)的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)的性能。

（3）采用PLC作為控制系統(tǒng)核心的自動(dòng)噴砂除銹機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠，具有良好的除銹效果，目前，該技術(shù)已在中海油、勝利油田及中石油海上項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)果表明，采用全自動(dòng)噴砂除銹技術(shù)，可有效提高管道噴砂除銹的工作效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少對(duì)周圍環(huán)境的污染，從而節(jié)約了海底管道鋪設(shè)成本，縮短了管道鋪設(shè)周期。

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