王 偉

(北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617)

PID調(diào)節(jié)在管道缺陷檢測機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 偉

(北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617)

本文介紹了管道機(jī)器人PID控制方法，實(shí)現(xiàn)了PID控制參數(shù)的在線自動(dòng)整定，完成對管道缺陷檢測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，保證檢測機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行和缺陷的準(zhǔn)確檢測.試驗(yàn)表明，該控制方法具有很高的可靠性和有效性.

管道機(jī)器人；PID控制；伺服電機(jī)；PMAC

隨著控制理論的不斷發(fā)展，在電機(jī)控制方面，出現(xiàn)了許多新型的、智能的控制方法，例如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制、PID控制、遺傳算法控制等，在眾多控制方法中，PID控制在機(jī)器人工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，是普遍采用的一種控制方法，自計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器組成控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實(shí)現(xiàn)PID控制算法，而且使PID控制更加靈活[1].本文就是采用PID控制方法對管道機(jī)器人進(jìn)行控制研究.

1 管道缺陷檢測機(jī)器人控制系統(tǒng)

管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示.它由機(jī)器人機(jī)械本體、圖像采集系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和電力供給系統(tǒng)四大部分組成.

圖1 管道機(jī)器人系統(tǒng)

其工作過程是：管道機(jī)器人通過管道檢查口進(jìn)入管道，在計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令控制下以一定的速度在管道中運(yùn)行，通過安裝在管道機(jī)器人機(jī)械本體上的圖像傳感器，實(shí)時(shí)的把管道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和管道機(jī)器人的自身狀態(tài)反饋給管外的監(jiān)控系統(tǒng)，便于操作人員掌握、控制管道機(jī)器人的工作過程[2].

管道缺陷檢測機(jī)器人控制系統(tǒng)是保證機(jī)器人平穩(wěn)行走和缺陷準(zhǔn)確檢測的核心，如圖2所示.本文采用模塊化分布式控制系統(tǒng)，選擇PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡(PMAC)的控制模式，以PC機(jī)作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息處理與人機(jī)交互的作用，根據(jù)電機(jī)的型號(hào)設(shè)定相應(yīng)的控制模式及輸出控制指令；以運(yùn)動(dòng)控制卡(PMAC)作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制功能[3].

圖2 管道檢測機(jī)器人控制系統(tǒng)

為了獲得系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，在管道缺陷檢測機(jī)器伺服電機(jī)系統(tǒng)中采用了兩套PID控制，即伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)之間的PID調(diào)節(jié)和控制板卡與驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)之間的PID調(diào)節(jié)，這兩套PID調(diào)節(jié)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)同時(shí)產(chǎn)生作用，前者完成粗調(diào)，后者完成細(xì)調(diào)，首先要進(jìn)行的是驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的PID調(diào)節(jié)，當(dāng)此PID參數(shù)調(diào)試完成后，再進(jìn)行控制板卡的PID調(diào)節(jié)，使得電機(jī)運(yùn)行的更安全、平穩(wěn)[4].PID調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是比例系數(shù)、微分系數(shù)、積分系數(shù)等參數(shù)的選定.

2 PID參數(shù)選定

2.1伺服驅(qū)動(dòng)器的PID參數(shù)的選定

首先進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)器本身的PID的調(diào)節(jié)，即粗調(diào)，調(diào)節(jié)方式可分為兩種：手動(dòng)和自動(dòng)，手動(dòng)調(diào)節(jié)即按照PID的曲線圖像以及電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)手動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，這個(gè)對工作人員要求比較高，需要有一定的工程經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)殡姍C(jī)在不同位置，不同負(fù)載的情況下PID的參數(shù)調(diào)節(jié)是不一樣的，所以一般對于初調(diào)者不宜采用，一般使用第二種調(diào)節(jié)方法，即系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié).圖3是安川伺服驅(qū)動(dòng)器的PID參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)界面.PN100、PN101、PN102分別對應(yīng)著比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)之間的PID調(diào)節(jié).

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)器PID參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)

2.2PMAC的PID參數(shù)的選定

當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器的PID調(diào)節(jié)結(jié)束后，再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制卡(PMAC)的PID參數(shù)調(diào)節(jié)，即細(xì)調(diào).PMAC本身提供了PID參數(shù)調(diào)節(jié)軟件PEWIN TUNING，調(diào)節(jié)界面如圖4所示.

通過給伺服電機(jī)一個(gè)階躍信號(hào)，觀察系統(tǒng)對階躍信號(hào)的響應(yīng)，通過PEWIN TUNING軟件自動(dòng)生成的調(diào)試曲線圖及統(tǒng)計(jì)出衡量系統(tǒng)性能的指標(biāo)數(shù)值，可以對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能及動(dòng)態(tài)品質(zhì)有個(gè)準(zhǔn)確的把握.在用階躍信號(hào)來調(diào)試反饋增益時(shí)，主要調(diào)整PMAC卡參數(shù)Kp(比例系數(shù)Ix30)、Ki(微分系數(shù)Ix31)、Kd(積分系數(shù)Ix32)的數(shù)值.從圖4中可以看到各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，可以手動(dòng)改動(dòng)，每改變一個(gè)參數(shù)值可以讓電機(jī)試運(yùn)行，查看參數(shù)修改后的曲線圖，然后根據(jù)結(jié)果繼續(xù)修改，直到合適為止(如圖5所示).

圖5中，1代表命令值，2代表響應(yīng)值，從圖中可以看出，命令值和響應(yīng)值基本符合，但是在TIME=570ms時(shí)，存在一定的震動(dòng)，響應(yīng)不是很準(zhǔn)確，還有就是在時(shí)間剛開始的時(shí)候，響應(yīng)速度不是特別快，可以根據(jù)圖像反應(yīng)的問題進(jìn)一步調(diào)節(jié)Kp、Ki、Kd.對于本文的管道機(jī)器人系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試選擇調(diào)節(jié)參數(shù)為Kp=11000、Kd=1800、Ki=2500.

3 結(jié)論

通過管道缺陷檢測機(jī)器人控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定，可使系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)管道缺陷的準(zhǔn)確檢測.應(yīng)用PEWIN TUNING軟件系統(tǒng)，通過階躍響應(yīng)曲線還可以獲得控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)；在調(diào)節(jié)PID的過程中，要根據(jù)管道機(jī)器人實(shí)際工作指標(biāo)調(diào)節(jié)，不能漫無目的的調(diào)節(jié)，通過試驗(yàn)的方法對控制器PID參數(shù)進(jìn)行整定，以獲得最佳的控制效果.

[1] 唐君君．較大容積容器的壓力控制研究[D]．南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[2] 王偉，封立澤，劉占民．管道檢測機(jī)器人的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析[J]．安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013,36(6):546-549.

[3] 王偉,林順英.基于PMAC的管道缺陷檢測機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，37(1)：43-46.

[4] 唐鵬.基于PMAC的管道機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].撫順：遼寧石油化工學(xué)院，2012.

[5] 朱立達(dá)，朱春霞，蔡光起.PID調(diào)節(jié)在PMAC運(yùn)動(dòng)控制器中的應(yīng)用.控制與檢測，2007，(2):50-53.

Astract: This paper described the pipeline robot PID control method， realized the on-line automatic setting of PID control parameters, achieved the motion control of the pipeline detection robot and ensured the accurate defect detection and the smooth operation of the inspection robot. Tests showed that this control method had high reliability and validity.

ApplicationofPIDAdjustmentintheControlSystemofPipeDetectionRobot

WANG Wei

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petro-Chemical Technology, Beijing 102617, China)

pipe detection robot; PID control; servo motor; PMAC

2014-03-25

國家自然科學(xué)基金(51275051).

王偉(1968-)，女，北京市人，副教授，碩士，從事測量與控制方面的教學(xué)和科研工作.

王偉.PID調(diào)節(jié)在管道缺陷檢測機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，37(4)：339-342.

TP242

A

1001-2443(2014)04-0339-04