管道内壁减阻结构加工机器人控制系统研究

摘要

随着能源行业的快速发展，油气输送管道的应用越来越广泛，对于油气管道减阻的研究日益受到人们的重视。仿生减阻理论的研究结果表明，在管道内壁加工出微型仿生结构表面能够起到很好的减阻效果。管道内壁加工机器人是一种能够在管道内自主移动并能在指定位置加工微型仿生减阻结构的新型机器人。设计一种控制精度高、信号采集准确、数据传输可靠、操控方便的控制系统具有重要意义。
　　 对管道内壁加工机器人整体结构及行走、加工装置的具体结构特点进行分析，建立了支撑结构的动力学方程和行走机构的牵引力方程。对仿生减阻沟槽加工过程进行了分析，研究沟槽加工过程的力学特性。应用轮系传动原理建立了加工装置的结构模型，对其进行动力学分析。
　　 分析了机器人的控制要求，确定了上、下位机主从式控制系统的设计方案。在对机器人不同状态运动规律的研究基础上，完成了机器人单步行走、加工作业的运动控制方案设计。对机器人连续行走步态规划的目标函数和约束条件进行研究，完成了机器人连续行走步态规划算法的设计，为实现机器人的自动行走功能奠定了基础。
　　 根据机器人结构及力学特性，建立加工装置及行走装置机电控制传递函数。通过对闭环控制系统特点的分析，确定了加工装置和行走装置的速度-位置双闭环控制方案。结合PID控制器的特点和机器人的控制要求，进行了控制系统速度环和位置环控制器的研究，完成了加工装置和行走装置下位机控制策略的设计。应用Simulink软件对控制系统的响应速度和误差进行仿真分析，验证控制系统的控制能力。
　　 在前述研究结果的基础上进行了控制系统硬件电路的设计研究，通过软件编程的方式进行了上位机控制界面开发和控制系统的程序设计。