0 引言

鍋爐是化工行業(yè)中最常見(jiàn)的熱力設(shè)備，而水冷壁管是鍋爐壁上重要的結(jié)構(gòu)件，一般鍋爐中有40%～50%甚至更多的熱量是由水冷壁管所吸收[1]。由于流化床鍋爐水冷壁管所處環(huán)境極其惡劣，易因腐蝕、磨損而老化，甚至爆裂，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的安全，因此必須定期進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)[2]。傳統(tǒng)水冷壁管的磨損檢測(cè)都是人工進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，這種檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，危險(xiǎn)系數(shù)高。隨著石化工業(yè)的迅速發(fā)展，研制一種能自主爬壁并代替人工進(jìn)行超聲無(wú)損檢測(cè)的機(jī)器人勢(shì)在必行。

在控制技術(shù)領(lǐng)域，氣壓傳動(dòng)技術(shù)是其一個(gè)重要的分支。由于氣體的可壓縮性、閥體流動(dòng)的非線性及氣缸摩擦力的影響，使氣動(dòng)定位系統(tǒng)的控制算法通常比傳統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前，也出現(xiàn)一些成熟的定位控制方法，如采用非線性控制理論構(gòu)造控制器，且把微分幾何方法引入非線性控制系統(tǒng)，并對(duì)非線性系統(tǒng)反饋線性化[3]；也有基于PLC和模糊PID控制的控制技術(shù)對(duì)氣缸進(jìn)行定位[4,5]。實(shí)際應(yīng)用中也出現(xiàn)了成熟的定位控制器，如FESTO公司開(kāi)發(fā)出的SPC200，是應(yīng)用十分廣泛的軸控制器，可以達(dá)到1mm內(nèi)的精度要求。

本文針對(duì)鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)需要，設(shè)計(jì)了一種上下位機(jī)結(jié)合控制的爬壁機(jī)器人，對(duì)檢測(cè)部分的氣動(dòng)裝置采用專家PID控制來(lái)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人代替人工進(jìn)行檢測(cè)操作，并通過(guò)上位機(jī)對(duì)鍋爐水冷壁厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使其能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的需求。

1 爬壁檢測(cè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)鍋爐水冷壁的磨損檢測(cè)的需求和生產(chǎn)工作環(huán)境，本設(shè)計(jì)采用履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人，并配以超聲波測(cè)厚儀來(lái)實(shí)現(xiàn)智能無(wú)損檢測(cè)。

圖1 爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，爬壁機(jī)器人本體由超聲波無(wú)損檢測(cè)機(jī)構(gòu)，爬行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，永磁吸附裝置等組成。超聲波無(wú)損檢測(cè)裝置安裝在該爬壁機(jī)器人的前側(cè)，爬壁機(jī)器人左右側(cè)各裝有前后兩個(gè)帶輪，分別與裝有永磁體塊的履帶嚙合緊緊地的吸附在鍋爐壁面，通過(guò)電機(jī)安裝于蝸輪蝸桿減速器減速后帶動(dòng)鏈輪，鏈輪帶動(dòng)鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車體向上爬行。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)流化床水冷壁磨損進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)是關(guān)鍵所在。本文根據(jù)爬壁機(jī)器人所要達(dá)到的要求，著重介紹爬壁機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)的控制。

2 控制系統(tǒng)組成

流化床鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)為上下兩層體系結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器數(shù)據(jù)接收電路、氣缸控制電路和人機(jī)交互界面等組成。下位機(jī)系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，協(xié)調(diào)各部分電路工作；上位機(jī)采用PC為主控計(jì)算機(jī)，用于參數(shù)初始化，任務(wù)規(guī)劃和狀態(tài)監(jiān)控，兩者通過(guò)RS232通訊，控制系統(tǒng)總框圖如圖2所示。

圖2 磨損檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)總框圖

流化床鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)爬壁機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)主要任務(wù)是將超聲測(cè)厚探頭移動(dòng)到管壁待測(cè)點(diǎn)處，放下探頭對(duì)管壁進(jìn)行測(cè)試，最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理，在檢測(cè)過(guò)程中攝像頭實(shí)時(shí)傳輸圖像信息到人機(jī)交互界面。完成一次作業(yè)任務(wù)的順序?yàn)椋核揭苿?dòng)→探頭定位氣缸推桿下降→耦合劑氣泵打開(kāi)→經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，關(guān)閉耦合劑氣泵→探頭氣缸推桿下降→傳輸數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)→探頭定位塊和探頭氣缸推桿縮回。

為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，該檢測(cè)系統(tǒng)配置1個(gè)攝像頭、1個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)、1個(gè)增量編碼器、1個(gè)水平導(dǎo)軌、4個(gè)氣缸、2個(gè)氣泵、2個(gè)探頭定位塊、2個(gè)位移傳感器、2個(gè)超聲探頭和2個(gè)比例閥。其中直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)損檢測(cè)裝置在水平導(dǎo)軌上移動(dòng)；氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖3所示，比例閥控制氣缸的伸縮，而4個(gè)氣缸的其中2個(gè)用于探頭定位塊的伸縮，另外2個(gè)用于超聲探頭的伸縮。探頭定位氣缸和探頭定位塊通過(guò)萬(wàn)向球頭連接，用于探頭的定位；探頭氣缸和探頭之間通過(guò)緩震彈簧連接，用于管壁測(cè)量。

圖3 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3 氣缸定位控制

針對(duì)本控制系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，以及STM32系列單片機(jī)集成度高，處理速度快，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。此次設(shè)計(jì)的主控芯片采用STM32系列中時(shí)鐘頻率達(dá)72MHz的STM32F103RCT6微控制器。系統(tǒng)通過(guò)STM32控制器從輸出接口發(fā)送PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦間接驅(qū)動(dòng)比例閥，由比例閥通斷控制氣缸的收縮，再由位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)I/O反饋給單片機(jī)，單片機(jī)的控制程序計(jì)算出運(yùn)行距離，最后結(jié)合專家PID控制使氣缸能準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置，氣缸定位控制如圖4所示。

圖4 氣缸定位控制圖

STM32單片機(jī)通過(guò)專家PID控制器反饋的信號(hào)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，并通過(guò)推挽輸出口來(lái)控制比例閥的工作，信號(hào)通過(guò)光耦能隔離保護(hù)弱電部分元器件，續(xù)流二極管可以在斷電時(shí)，自身消耗反電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)其他元器件不被損壞。單片機(jī)PWM輸出口的原理圖如圖5所示。

圖5 輸出口原理圖

3.1 氣動(dòng)位置系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

氣缸位置的控制主要是對(duì)氣缸兩腔壓力的調(diào)節(jié)，下面對(duì)氣動(dòng)比例閥控缸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)[7]。為簡(jiǎn)化推導(dǎo)，作如下假設(shè)：工作介質(zhì)視為理想氣體；供氣壓ps和溫度Ts恒定，氣體流動(dòng)狀態(tài)均為等熵絕熱過(guò)程；氣動(dòng)氣路沒(méi)有泄漏，且氣缸內(nèi)氣體均勻；動(dòng)態(tài)過(guò)程為小擾動(dòng)。氣缸上下兩腔的壓力、容積、氣體密度分別為p1、v1、ρ1和p2、v2、ρ2。

理想氣體狀態(tài)方程：

式(1)中，R為理想氣體常數(shù)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流入氣缸氣體質(zhì)量流量等于容腔的質(zhì)量變化率：

按假設(shè)，過(guò)程溫度T1、T2和起始溫度T10、T20滿足絕熱條件：

式(3)中，k為絕熱指數(shù)，對(duì)空氣，k=1.4。

在小擾動(dòng)假設(shè)下，設(shè)初始值在中間平衡位置，取p10=p20，T10=T20=T0，由于所用氣缸內(nèi)徑直徑和活塞桿直徑比為4:1，所以有桿腔截面積/無(wú)桿腔截面積=15:16，可以近似的看作V10=V20=V0，且dV=Ad Δy，再根據(jù)式(1)、式(2)，以及絕熱條件，可以得出流量連續(xù)性方程：

式中，Δpm=Δp1-Δp2。

閥口的氣體流動(dòng)過(guò)程，采用Sanville流量公式：

式中，A為節(jié)流孔最小截面積，單位mm2；ps、p1均為絕對(duì)壓力，單位MPa；Ct為臨界壓力比，Ct=0.528。

由于通過(guò)滑閥氣體質(zhì)量流量?jī)H與閥芯位移X和氣缸兩腔的壓力p1和p2有關(guān)，公式如下：

則零位附近線性化的壓力-流量特性為：

其中：

由上式可得：

根據(jù)牛頓第二定律，可列出氣缸活塞的力平衡方程：

其中，M為活塞及慣性負(fù)載質(zhì)量；f為粘性阻尼系數(shù)；FL為外負(fù)載力；Ff為摩擦力；y為氣缸輸出位移。

若忽略摩擦力，并降階處理，近似認(rèn)為面積相等，式(8)寫成增量形式：

由式(4)、式(7)和式(9)構(gòu)成閥控缸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

其中

得到活塞位移對(duì)閥芯位移的傳遞函數(shù)為：

實(shí)際工作系統(tǒng)中，k4很小，可忽略不計(jì)。

所以，式(11)中：

比例閥工作過(guò)程是：輸入電壓與反饋電壓通過(guò)反饋控制電路后產(chǎn)生信號(hào)電流，電流經(jīng)過(guò)線圈，產(chǎn)生電磁力使閥芯移動(dòng)，輸出相應(yīng)氣體流量。電-氣比例閥的傳遞函數(shù)如下：

其中，ω0為比例閥的固有頻率，ξ0為比例閥的阻尼比，Ku為放大器的增益；Kfk為傳感器的增益；Kt為電磁力系數(shù)；Rc為控制線圈電阻；rp為放大器內(nèi)阻；Kb為線圈反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；m為線圈組件的質(zhì)量；B為線圈組件的阻尼系數(shù)。

最后通過(guò)閥控缸數(shù)學(xué)模型式(11)和比例閥數(shù)學(xué)模型式(12)，可以得到氣動(dòng)比例位置系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

實(shí)際應(yīng)用中，比例閥響應(yīng)速度較快，而動(dòng)力機(jī)構(gòu)的固有頻率是控制回路中最低的，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有決定性作用，所以系統(tǒng)傳遞函數(shù)可近似為：

3.2 專家PID控制器

考慮到普通PID控制在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅增減時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，引起系統(tǒng)的較大超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)振蕩，這是在生產(chǎn)控制中必須避免的，所以系統(tǒng)控制采用專家PID控制，專家PID控制實(shí)質(zhì)就是，基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，無(wú)須知道被控對(duì)象的精確模型，利用專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)PID參數(shù)[8]。

專家PID控制器可根據(jù)響應(yīng)誤差及其變化進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)誤差絕對(duì)值朝減小方向變化，進(jìn)行保持等待；當(dāng)誤差絕對(duì)值朝增大的方向變化時(shí)，需要根據(jù)誤差的大小分情況采取控制措施，以抑制動(dòng)態(tài)誤差。下面分五種情況對(duì)該控制器進(jìn)行控制設(shè)計(jì)：

1）當(dāng)|e(k)|＞M1，說(shuō)明誤差絕對(duì)值已經(jīng)很大，應(yīng)實(shí)施開(kāi)環(huán)控制，使誤差絕對(duì)值以最大速度減??；

2）當(dāng)e(k)Δe(k)＞0或Δe(k)=0，說(shuō)明誤差絕對(duì)值增大方向變化或者誤差未發(fā)生變化，若|e(k)|≥M2，誤差較大，考慮實(shí)施較強(qiáng)控制作用，控制器的輸出為：

式中，k1為增益放大系數(shù)，k1＞1；

若|e(k)|＜M2，誤差并不大，考慮實(shí)施一般控制作用，控制器的輸出為：

其中M1、M2為設(shè)定的誤差界限，M1＞M2＞0；

3）當(dāng)e(k)Δe(k)＜0、Δe(k)Δe(k-1)＞0或e(k)=0，說(shuō)明誤差絕對(duì)值朝減小方向變化，或已達(dá)到平衡狀態(tài)，可保持控制器輸出不變；

4）當(dāng)e(k)Δe(k)＜0、Δe(k)Δe(k-1)＜0，說(shuō)明誤差處于極值狀態(tài)，如考慮實(shí)施較強(qiáng)控制作用：

式中，em(k)為誤差e的第k個(gè)極值；若|e(k)|＜M2，考慮實(shí)施較弱控制作用：

式中，k2為抑制系數(shù)；

5）當(dāng)|e(k)|≤ε，說(shuō)明誤差絕對(duì)值很小，加入積分減少穩(wěn)態(tài)誤差。

根據(jù)上面推斷的出來(lái)的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，代入本系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)M=0.5kg，無(wú)桿腔面積A1=3.117×10-3m2，有桿腔面積A2=2.803×10-3m2，氣缸行程L=300mm，得出系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

在Matlab上進(jìn)行模型仿真，輸入信號(hào)為一個(gè)階躍響應(yīng)曲線，PID參數(shù)設(shè)為kp=0.5，ki=0.01，kd=0.01分別得到專家PID控制器與普通PID控制器控制下的系統(tǒng)響應(yīng)輸出曲線如圖6所示。

從圖6專家PID控制器與普通PID控制器控制的仿真結(jié)果中可以看出，相對(duì)于普通PID算法，專家PID算法的調(diào)節(jié)時(shí)間短，約0.1s達(dá)到目標(biāo)值，是普通PID控制速度的兩倍，且曲線平滑幾乎沒(méi)有振蕩。因此可以得出專家PID控制器根據(jù)控制誤差絕對(duì)值的大小和變化方向?qū)崟r(shí)改進(jìn)控制作用，從而使控制誤差迅速減小，相對(duì)于普通的PID控制器有較好的適應(yīng)性和魯棒性，提高了系統(tǒng)的工作速度。

4 上位機(jī)控制

爬壁機(jī)器人下位機(jī)系統(tǒng)把氣動(dòng)檢測(cè)探頭放置到最佳位置，隨即超聲測(cè)厚儀對(duì)管壁進(jìn)行測(cè)量，并把測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和保存。本文爬壁機(jī)器人采用的分級(jí)控制系統(tǒng)是通過(guò)上下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊共同實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)機(jī)器人的控制。為了更直觀的使上下位機(jī)進(jìn)行無(wú)障礙交流，本設(shè)計(jì)基于VS2010平臺(tái)使用MSComm控件建立串口通訊，因?yàn)镸SComm控件建立串口通訊較為方便，同時(shí)它是微軟基于組件模型（COM）開(kāi)發(fā)的，因此穩(wěn)定性和運(yùn)行效率很好[9]。圖7是本控制系統(tǒng)基于MFC設(shè)計(jì)的一套友好的人機(jī)交互界面，該界面簡(jiǎn)單明了，可以使工業(yè)生產(chǎn)者快速上手，只要在PC與單片機(jī)之間建立相同的波特率、數(shù)據(jù)位和停止位，通過(guò)RS232通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)檢測(cè)工作環(huán)節(jié)的控制。

上位機(jī)通過(guò)串口對(duì)超聲測(cè)厚儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)基于VS2010平臺(tái)編寫代碼，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、判斷并顯示在人機(jī)交互界面上，有利于操作者對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行快速分析并做出相應(yīng)的對(duì)策。如圖7所示，上位機(jī)把下位機(jī)測(cè)得的連續(xù)10個(gè)管壁厚度實(shí)時(shí)顯示在界面上，并自動(dòng)做出計(jì)算判斷，同時(shí)把所得數(shù)據(jù)保存到文件夾中，以便日后匯總檢查。

攝像頭將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，操作者可隨時(shí)了解機(jī)器人運(yùn)行路況以及管壁是否有明顯傷痕等，猶如親臨現(xiàn)場(chǎng)，使該控制系統(tǒng)更加人性化。

5 結(jié)論

圖7 磨損檢測(cè)機(jī)器人的人機(jī)交互界面

本設(shè)計(jì)的鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)爬壁機(jī)器人的分級(jí)控制系統(tǒng)上位機(jī)操作方便，人們不用親臨現(xiàn)場(chǎng)就可以控制機(jī)器人檢測(cè)動(dòng)作并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理，還可以高效的處理龐大的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)得出結(jié)論以便采取相應(yīng)對(duì)策，具有較高的智能化水平；系統(tǒng)下位機(jī)采用STM32控制電磁閥和專家PID控制算法對(duì)機(jī)器人氣缸進(jìn)行定位控制，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制算法比傳統(tǒng)的PID控制算法更加優(yōu)化，大大提高了工作效率。綜上所述，該控制系統(tǒng)采用集成度高的STM32F103RCT6單片機(jī)和精度靈敏的超聲測(cè)厚儀，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)檢測(cè)準(zhǔn)確控制，且結(jié)合了穩(wěn)定的串口通訊和友好的人機(jī)交互界面，完全能夠勝任枯燥危險(xiǎn)的鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)工作，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

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