авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Перемещением колесного робота в трубопроводах с переменным проходным сечением

На правах рукописи

Кадхим Дхиргаам УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ КОЛЕСНОГО РОБОТА В ТРУБОПРОВОДАХ С ПЕРЕМЕННЫМ ПРОХОДНЫМ СЕЧЕНИЕМ Специальность 05.02.05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Владимирский государственный универ ситет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столето вых»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Егоров И.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Татмышевский К.В.

кандидат технических наук Захаров А.В.

Ведущее предприятие: КГТА им. В.А. Дегтярева, г. Ковров.

Защита состоится « » июня 2011 г. на заседании диссертационного со вета Д.212.025.05 Владимирского государственного университета по адре су: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направить ученому секретарю совета по указанному выше адресу.

Тел. (4922) 479-928, e-mail: sim_vl@nm.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского го сударственного университета. Автореферат размещен на сайте www.vlsu.ru Автореферат разослан « » мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Е.А. Новикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Важнейшей составной частью энерге тического комплекса являются магистральные газо-, нефте- и нефтепро дукто-трубопроводные системы и трубопроводы газораспределительных сетей. Из общего числа отказов трубопроводов примерно 23 % отказов приходится на долю дефектов геометрии типа овализации, образований вмятин, гофр и других дефектов приводящих к изменению проходного се чения трубопроводов.

Внедрение многоуровневой интегрированной системы обследования технического состояния трубопроводов, диагностирования их, проведени ия мониторинга и ремонтно-восстановительных работ является одним из путей обеспечения эксплуатационной надежности трубопроводов. Значи тельный вклад в обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводов внесли ученые академических и отраслевых институтов АН Респ. Башкор стан, ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, ИПТЭР Минэнерго РФ, ОАО «ВНИИСТ», ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ОАО «Гипротрубопровод», лабораторий и кафедр ВУЗов (РГУНГ им.

И.М. Губкина, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Уфимского гос. нефт. техн. уни верситета, Ухтинского ГТУ, Тюменского ГНГУ) и других научных цен тров страны.

Особенностью дефектоскопии нефте-газотрубопроводов, в т.ч. трубо проводов газораспределительных сетей является выполнение внутритруб ной диагностики в условиях переменности поперечного сечения вследст вие наличия: дефектов формы типа овализации, вмятин, гофр;

плановых изгибов, сужений и других изменений диаметра трубопровода;

внешних включений в виде загрязнения и посторонних предметов. На первом этапе внутритрубной дефектоскопии трубопроводов по РД-51-2-97 определяют ся особенности и дефекты геометрии (вмятины, гофры, овальности, сплю щивания, сужения), вызывающие уменьшение его проходного сечения.

Протяжнность трубопроводов газораспределительных сетей, в т.ч.

региональных газопроводов и газопроводов-отводов среднего и высокого давления (до 0,6 МПа) в России сегодня превышает 840 тыс. км, что почти в 4 раза превышает протяжнность всех магистральных трубопроводов.

Поэтому создание мобильных роботов (МБР) для технической диагности ки состояния, неразрушающего контроля и ремонтно-восстановительных работ внутри трубопроводов газораспределительных сетей - одно из пер спективных направлений развития современной робототехники и мехатро ники.

Одним из путей обеспечения требуемого качества выполнения опера ций внутритрубной диагностики и ремонта трубопроводов региональных газопроводов и газопроводов-отводов среднего и высокого давления в по добных условиях является применение адаптивных МБР.

Диссертационная работа основывается на результатах, достигнутых научными коллективами под руководством С.Ф. Бурдакова, В.Г. Градецко го, Е.А.Девянина, И.Н. Егорова, С.Л. Зенкевича, И.М. Макарова, Ю.Г. Мартыненко, И.В. Мирошника, Д.Е. Охоцимского, Ю.В. Подураева, Е.И. Юревича, А.С. Ющенко, С.Ф. Яцун, Erich R., Galvez J.A., Ho rodinca M., Komori M., Lee S., Okamoto J., Sukhatme G. S., Suzumori K. и др.

Рассматриваемая в диссертации проблема позиционно-силового управления перемещением адаптивных МБР при выполнении технологи ческих диагностических операций внутри трубопроводов в условиях пе ременности их поперечного сечения и действия внешних связей, обуслов ленных взаимодействием робота с поверхностью трубопровода является актуальной.

Целью диссертационной работы является расширение технологиче ских возможностей при проведении внутритрубной дефектоскопии трубо проводов региональных газопроводов и газопроводов-отводов среднего и высокого давления посредством применения диагностических колесных МБР с позиционно-силовым управлением.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следую щие задачи:

анализ кинематических схем механизмов поджатия колесных модулей МБР к поверхности трубопровода с целью создания адаптивной системы передвижения в условиях переменности поперечного сечения трубопровода;



разработка кинематических и динамических моделей колесного МБР при прохождении прямолинейных участков, отводов и тройников трубопровода;

анализ и разработка структур и алгоритмов кинематического и динамического управления движением МБР в условиях переменности тра ектории перемещения и поперечного сечения трубопровода;

анализ возможности распознавания движущимся диагностиче ским роботом круглых дефектов типа «несплошности в виде круглого от верстия, плавного изменения толщины круглой формы с остаточной глу биной» и определения координат их местоположения;

проведение исследований эффективности разработанных струк тур и алгоритмов путем моделирования в среде Matlab Simulink.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы методы теории автоматического управления, дифференци альных уравнений, теоретической механики, робототехнических систем и математического моделирования динамических систем.

Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту основ ные результаты, обладающие научной новизной:

кинематические и динамические модели колесного МБР, позво ляющих создать новые алгоритмы управления системой его передвижения внутри трубопроводов с переменным поперечным сечением;

структуры адаптивной системы передвижения робота со стаби лизацией силы прижатия его колесных модулей к внутренней поверхности трубопровода в условиях переменности проходного сечения;

структурно-алгоритмическое обеспечение нечеткой системы по зиционно-силового управления движением в условиях действия внешних связей, переменности геометрии внутренней поверхности трубопровода при отсутствии проскальзывания колесной системы робота.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

разработана методика определения параметров системы пере движения электромеханического колесного робота внутри трубопроводов с переменной геометрией;

предложены альтернативные варианты компоновки систем адаптации поджатия колесных модулей робота;

разработана методика анализа характеристик системы передви жения диагностического робота на основе моделирования его взаимодей ствия с внутренней поверхностью трубопровода;

разработана компьютерная Simulink модель и программа моде лирования системы нечеткого позиционно-силового управления переме щением диагностического мобильного робота.

Внедрение результатов исследования осуществлено в г/б НИР № 572/09 университета при проектировании систем с неполностью наблю даемой регулируемой координатой и в учебный процесс специальности 220401 "Мехатроника" по дисциплинам «Интеллектуальные мехатронные системы» и «Электромеханические и мехатронные системы». В диссерта ции имеются соответствующие акты внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: 6-й Междунар. научной конфер. по математ. теории управления и механике, Суздаль, 2007;





научно-технич. конфер. «Мехатро ника, автоматизация, управление» (MAУ-2008), СПб, 2008;

Междунар. на учной конфер. по дифференц. уравнениям и динамике систем, Суздаль, 2008;

Междунар. научной конфер. по математич. теории управления и ме ханике, Суздаль, 2009;

Междунар. научно-технич. конфер. «Состояние и перспективы развития электротехнологий» (XV Бенардосовские чтения), Иваново, ИГЭУ им. В.И.Ленина, 2009;

Девятом Междунар. симпозиуме «Интеллектуальные системы, INTELS 2010» ВлГУ;

заседании кафедр «Ав томатические и мехатронные системы» и «Автоматизация технологиче ских процессов»;

научно-технической конференции ВлГУ.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опуб ликованы в десяти печатных работах, в т.ч. трех статьях - в изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем основ ного содержания работы составляет 157 страниц, включая 1 таблицу, рисунка, 2 страницы приложений и список литературы из 122 наименова ний.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, описыва ются цель и задачи диссертации, определена область исследования и пока зано ее практическое значение.

В первой главе представлен аналитический обзор областей примене ния подвижных колесных роботов;

приведена их классификация, рассмот рена обобщенная структура и устройство управления системы передвиже ния мобильного робота (МБР).

Показано, что дефектоскопия газоотводов низкого и среднего давле ния с помощью диагностического снаряда (магнискана), вследствие пере мещения его с многочисленными остановками на сужениях и кольцевых сварных швах вызывает серьзные технологические трудности. В снарядах традиционной конструкции реализация плавного продвижения через су жения трубопровода также невозможна, что приводит к потере диагности ческих данных на многих участках газопровода. В последнее время в газо проводах для решения проблемы неравномерности движения диагностиче ских средств используются снаряды с управляемым байпасным отверсти ем или применением активных подвижных манжет. Поэтому, в ряде случа ев, наиболее эффективным средством реализации технологии внутритруб ной диагностики газопроводов является применение дефектоскопов, пе ремещаемых с помощью мобильных роботов.

В качестве базового варианта транспортного устройства МБР, учиты вая необходимость прохождения отводов, наклонных и особенно верти кальных участков трубопровода рассматривается трехсекционная 9-ти ко лесная система с лучеобразной кинематической схемой и самотормозя щимся вентильным исполнительным приводом.

Анализ исследований в области создания колесных MБP, работающих в условиях переменности поперечного сечения и действия связей выявил необходимость оснащения систем передвижения роботов механизмами адаптации поджатия колесных модулей (МАПКМ) к внутренней поверхно сти трубопроводов.

Вторая глава посвящена анализу динамики и синтезу электроприво дов (ЭП) системы передвижения колесных МБР (СПР) с учетом позицион но-силового взаимодействия колесных модулей (КМ) с поверхностью тру бопровода.

Исходя из анализа особенностей компоновок и конструкций МБР предложена обобщенная функциональная схема адаптивной системы пере движения колесного MP, показанная на рис.1. Управляющие воздействия с устройства управления движением поступают на блок исполнительных приводов, где преобразуются в силовые потоки, приводящие в движение КМ и механизм адаптации поджатия КМ. На основе информации с датчика или наблюдателя проскальзывания изменяются алгоритмы управления СПР и МАПКМ.

Устройство компьютерного управления Информационное Блок электроприводов устройство Система Механизм перемещения адаптации робота Колесные модули Датчик проскальзывания Трубопровод Рис. 1. Функциональная схема адаптивной системы передвижения колесного МБР Для исключения проскальзывания необходимо увеличивать силу дав ления ведущих КМ на поверхность трубопровода с помощью механизмов пассивной или активной адаптации поджатия движителей. Активная адап тация положения КМ при изменении диаметра поперечного сечения тру бопровода осуществляется путем управляемого углового или линейного перемещения КМ с помощью двигателей М1i,М2i (i=1,2,3) приводов враща тельного или линейного типа.

Настройка диаметра робота при изменении поперечного сечения тру бопровода осуществляется регулированием длины базы крепления LI,LII КМ и, соответственно углов наклона 1 и 2 рычажно-параллелограммных подпружиненных механизмов (РППМ).

Если нормальная сила равна N=FТ/3µ, то силы в каждой опоре и на строечные параметры МАПКМ при весе робота G определяются следую щими выражениями:

N cos 2 Ni G sin F1i ( Ni ) i 4 sin 1 (i 1,2,3) ;

(1) F ( N ) Ni cos 1 N i G sin 2 sin 1 2i i L Lr cos2 L f cos1 Lk ;

(2) rт H f k D 1 rт Arc sin ;

(3) Lf rт H r k D 2 rт Arc sin. (4) Lr Увеличение количества секций системы передвижения до трех и при менение механизмов комбинированной (пассивно-активной) адаптации (рис.2), позволяет проходить не только прямолинейные участки, но также отводы, тройники и разветвители трубопроводов, в т.ч. при наличии пре пятствий и вертикальном расположении трубопровода.

N N E B 2 L L1 K L rт a n Трубопровод D X A N Fx М Редуктор С F Fy 4 G N N N Рис.2. Кинематическая схема МБР с 3-х секционной системой передвижения и механизмом комбинированной адаптации поджатия КМ: РВП-роликовинтовая пере дача;

1,2- электродвигатели с самотормозящимися червячными передачами, обеспечи вающие вращение всех КМ робота;

L, L1,L2- длины звеньев ED,DK,KN;

,- углы меж ду звеньями ED, KN и осью X;

- угловая ориентация робота;

- угол наклона трубо провода;

Np - сила поджатия КМ к поверхности трубопровода;

N1, N 2 и N 3 – реак ция поверхности трубопровода на два ведущих колесах из-за веса робота;

Fx и Fy – проекции силы F, действующей на звено 4;

С, x - коэффициент жесткости и переме щение пружины.

Комбинированная адаптация к изменению диаметра трубопровода обеспечивается применением активного механизма на базе мехатронного модуля линейного перемещения состоящего из роликовинтовой передачи (РВП), вентильных двигателей фирмы Maxon, подвижного звена 4 и упру гого кинематического звена в виде пружины, связанной с корпусом 5.

Величина перемещения пружины механизма адаптации равна:

x L1 cos L2 cos. (5) Уравнение равновесия сил и реакций связей без учета ( N1, N 2, N 3 ) мо жет быть записано в следующем виде:

Fx L2 sin N p L L1 cos (6).

Fy Откуда, получаем:

x L1 cos tg L2 cos N p Fx L L cos Fx L L sin.

(7) 1 С учетом ( N1, N 2, N 3 ) N 3 0;

при 60 60 ;

60 180 ;

N1 0;

при (8) N 2 0;

при 180 300 ;

находим тяговую силу колеса мобильного робота FТ N N p ;

(9) L L sin F Fx T N 1 L cos, (10) где при 60 60 ;

2G cos cos ;

60 180 ;

.

N 2G cos( 120o ) cos ;

при (11) 2G cos( 240 ) cos ;

при 180 300.

o Система управления ЭП механизма активной адаптации поджатия КМ представляет собой двухканальную систему с переменной структурой, реализующей алгоритм независимого ПСУ (рис.3).

Регулятор Rp0 Да er радиуса (Rp) МР Нет u Rp Rp Датчики обратных ИМ РППМ Foc uF свиязей Регулятор FT0 eFoc Focd осевой силы Расчет осевой силы ( Foc ) Рис.3. Структурная схема ЭП механизма адаптации поджатия КМ с независимым ПСУ: ИМ-исполнительный вентильный механизм;

RР, FT,, - задания диамет 0 ра трубы, тяговой силы, угла наклона трубопровода и угловой ориентации ро бота.

На первом этапе, после изменения диаметра трубопровода КМ под жимаются к внутренней поверхности трубопровода с силой ( FT0 ), обеспе чивающей необходимое сцепление. Перемещение робота осуществляется в режиме нечеткого импедансного управления с одновременной стабилиза цией силы поджатия колес за счет соответствующих наблюдателей и не четких регуляторов. При появлении препятствий, в т.ч. вследствие разрыв ности поверхности трубопровода осуществляется переход на чисто сило вое управление приводом адаптации или управление с силовым доминиро ванием.

Переменность поперечного сечения и геометрии профиля трубопро вода являются одними из важных параметров, определяющих структуру системы ЭП и алгоритм управления перемещения робота. Основой предла гаемой адаптивной системы передвижения МБР является применение по зиционно-силового управления вентильным ЭП, самотормозящихся меха нических передач (СМП), соответствующих информационных устройств и упругих звеньев второго рода в виде РППМ. Система приводов движения представляет собой три групповых замкнутых электропривода. Исполни тельный электродвигатель каждого ЭП через СМП и передающие устрой ства приводит в движение 3 колесных модуля расположенных в 3-х парал лельных плоскостях. Исполнительные электродвигатели каждой секции расположены друг относительно друга под углом 120 градусов.

Математическая модель ЭП с СМП представлена в виде нелинейных дифференциальных уравнений с разрывной правой частью. Нелинейное динамическое передаточное отношение СМП представлено в виде особого нелинейного звена типа - ячейки. Поэтому, динамика ЭП рассматривает ся как динамика нелинейной системы с существенно неидеальными связя ми. Основными методами анализа и синтеза данной системы ЭП являются приближенные методы гармонической линеаризации и цифровое модели рование в среде Simulink MatLab.

В третьей главе приводятся результаты работы по созданию кинема тических и динамических моделей с расчетными схемами системы пере движения колесного МБР в отводах и тройниках трубопровода, синтезу нечеткого регулятора для ЭП механизма адаптации с ангулярной кинема тикой и алгоритма управления в условиях нестационарности параметров изображения дефектов трубопровода и положения перемещающегося ро бота.

Кинематические и динамические модели отражают характер взаимо действия колесного движителя с поверхностью трубопровода, параметров робота (вес, размеры) и характера его движения по поверхности трубопро вода с различными величинами относительных углов наклона.

Перемещение центра тяжести колесного МБР в проекциях на декарто вых осях координат имеет вид:

cos xn x y y x 0 0, sin n n 0 где x x0 y0 геометрический параметр;

x0, y0 координаты местопо 2 ложения центра тяжести колесного МБР.

Радиус вектор d i d xi d yi T, определяющий расстояние от центра криволинейного изгиба трубы до точек соприкосновения ведущих колес с поверхностью трубопровода можно записать в виде:

1.5D 0.5D cos 1.5D 0.5D cos d y d x1 (12) d 1.5D 0.5D cos 1200 cos, sin, d y 2 1.5D 0.5D cos x2 d y 3 1.5D 0.5D cos d x 3 1.5D 0.5D cos 1200 где D- диаметр трубопровода;

угловая ориентация центра робота на оси Х, который может отражать его вращение вокруг центральной оси тру бопровода.

Из (12) может быть получены следующие выражения для нормальной реакции поверхности стенки трубы на трех ведущих колесах робота:

2mg cos cos( ) 600 N i 2mg cos( 1200 ) cos (13) 600 1800, i 2mg cos( 240 ) cos 1800 где угловая ориентация центра робота относительно оси Y.

Математическая модель колесного МБР при движении в изгибе трубы на основе уравнений Лагранжа может быть записана в виде:

v x1 u v x v x v M 1 C v M 1K B v M 1R K B u, (14) 2 x2 1 y y v x 3 u где v x v y T вектор абсолютных линейных и угловой скоростей ро бота;

M diag (m, m, J ) вектор масс и моментов инерции робота;

v x1 v x 3 T вектор линейных скоростей ведущих колес робота;

v x u1 u2 u3 T вектор напряжений управления электроприводов;

K1, K 2 конструктивные коэффициенты двигателя;

rw радиус колеса.

Управление движением в частях трубопроводов с изгибами и отвода ми является двухканальным: управление движением за счет взаимосвязан ного позиционного управления ЭП колес;

обеспечение постоянного кон такта колес с поверхностью трубопровода при решении задачи стабилиза ции силы прижатия.

Одна из проблем диагностики состояния поверхности магистральных и распределительных газотрубопроводов заключается в распознавании движущимся диагностическим роботом круглых дефектов типа «несплош ности в виде круглого отверстия и плавного изменения толщины круглой формы с остаточной глубиной» и определении координат их местополо жения. Диагностика подобных дефектов в распределительных газопрово дах с помощью магнисканов практически невозможна вследствие нерав номерности передвижения снарядов. При ультразвуковой диагностике, вследствие использования большого числа датчиков и сложных алгорит мов обработки информации резко возрастают объем электроники, потреб ляемая мощность и, как следствие, число секций и длина внутритрубного дефектоскопа.

Поэтому, при решении подобных задач целесообразно применять ин теллектуальные МБР, оснащенных гибридными системами, состоящими как из подсистем управления перемещением, так и подсистем видеодиаг ностики и телеинспекции трубопроводов. Идентификация местонахожде ния, формы и размеров круглых дефектов осуществляется с помощью ви зуальных алгоритмов и системы нечеткого управления.

В четвертой главе приводятся результаты моделирования системы траекторного управления перемещением колесного робота на основе раз работанных кинематической, динамической и нечеткой моделей.

Система управления движением на основе динамической модели по казана на рис.4. В общем случае процедура управления включает этапы решения обратной динамической задачи и силового управления.

x y u Решение Решение обратной u обратной кинематической динамической v x задачи задачи u v y ex ux evx Регулятор uvx Регулятор рx ud e vxd v xd x u р vx u vy v v y vy d e yd yd u Динамическая Кинематическая d u d Расчет d Регулятор e Регулятор Расчет Расчет Расчет модель модель u траекторных ошибок заданий заданий рy колесного колесного ошибок р скорости напряжение скорости робота робота v x Регулятор x v р y Регулятор y рY ey uy Датчики обратных свиязей Рис. 4. Структура системы управления движением на основе динамиче ской и кинематической моделей: x, y,, e x, e y, e - задания траектории и ошибки по осям X, Y и углу изгибу трубопровода;

u x, u y, u - управляющие воздействия вдоль осей x, y, ;

v x, v y,, - задания линейной угловой скорости;

evx - ошибка линейной скорости по оси Х;

u, uvx, uvy - управление по угловой и линейным скоростям вдоль осей x, y, ;

ud 1, ud 2 и u d 3 сигналы задания электромеханических приводов;

v x, v y и продольная, поперечная и угловая скорости мобильного робота.

Структура системы слежения МБР с автомобильной компоновкой шасси за программной траекторией, в общем случае рассмотрена в рабо тах С.Ф. Бурдакова и И.В. Мирошника. Поскольку системы уравнений, описывающие случаи взаимодействия колесного МБР с поверхностью трубопровода, не имеют аналитического решения, позволяющего учиты вать отрыв колес от поверхности, нелинейность тяговых усилий и сил со противления движению на КМ т.п., то требуется разработка соответст вующих компьютерных моделей. Для получения дополнительной инфор мации о форме и особенностях поверхности трубопровода могут быть ис пользованы датчики или наблюдатели сил и моментов.

При перемещении МБР в трубопроводе реализуется принцип движе ния в желаемом направлении вдоль наложенных на него удерживающих связей, который позволяет формировать «квазипрограммную» траекторию движения. С точки зрения позиционно-силового управления это нечеткое импедансное управление.

Рассматриваемая в диссертации система управления имеет три обрат ных связи: по положению, силе и главную обратную связь с импедансным регулятором. Нечеткий механизм адаптации изменяет импеданс обратной связи в соответствии с невязкой между фактическим и желательным зна чением силы. Нечеткий регулятор (механизм адаптации) имеет два входа:

первый вход F - отклонение текущего значения силы от требуемого зна чения силы;

второй вход – аналог производной от силы F. Выход нечет кого регулятора - k,, которые обеспечивают адаптацию параметров импедансного регулятора. Блок нечеткого устройства самонастройки обес печивает прохождение возникающих в трубопроводе препятствий.

Моделирование характерных режимов работы МАПКМ диагностиче ского робота с позиционно-силовым управлением в условиях изменения поперечного сечения трубопровода осуществлялось в среде Simulink MATLAB (рис.5).

Модели различных подсистем, входящих в состав модели системы управления МАПКМ показаны на рис. 6: подсистема расчета задания осе вой силы (рис. 6, а);

линейного электропривода (рис. 6,б);

расчета парамет ров U1,U 2,U 3 и U 4 (рис. 6, в).

-K K Rp P ID if( u 1 0 ) u e ls e S ig n a l If RT P I D C o n t ro l l e r _ R p x F cd X Rp A c tio n Rp fi P ID F o cd li n e a r a c tu a to r Foc B a ll-s c r e w gam a S ig n a l 1 F t_ d F t_ d Foc P I D C o n t r o l l e r_ F o c d p a r a m e t e r s ( k 1,k 2. k S u b s ys te m d i s re d,k 4 ) r a d i u s r o b o t R p th ru s t fo r c e _ F o c d & t h r u s t fo r c e F o c -K KF oc S ig n a l a n g le _ fi S ig n a l a n g le _ g a m a Рис. 5. Структурная схема модели МАПКМ с позиционно-силовым управлением Rp -K K -K Gain -C mu Subtract h Product Constant u(1)^ Divide -C- sqrt(u(1)) Fcn rw Fcn1 Fc_d -C- u(1)^ L -K Gain -C L -C- sqrt(u(1)) u(1)^ L Fcn -C- Product Ft_d L а) speed Conn Motor Linear position Solver Current Friction Speed (mm/s) Configuration Subsystem f(x)=0 R C Current X Sensor Load 6.25:1 3mm Lead i Force Worm Gear Screw V_i + S PS S S O A P R Linear Fcd C R + PWM & Current Position (mm) H-Bridge Controller DC Motor C V_i Vr Vr V+ V_iref REV REV V RPM Hall Effect Speed Sensor Controller rpm R V_w V_w Speed Demand rpm2volts (rpm) V_iref -K- V_wref б) -C fi U2 gama U -K u(1)^ Gain4 In f(u) K -K- Out In2 Fc -C Gain 2 u(1)^ fi fi Fcn U -C fi в) Рис. 6. Подсистемы моделирования МАПКМ На рис. 7 приведены результаты исследования зависимости продоль ных скоростей v x1, v x 2, v x 3 1,2 и 3-го ведущих колес МБР при перемеще нии в отводе трубопровода диаметром 250 мм от угловой ориентации трубопровода.

v x1, мvxминc 2. / 1, M / D=250mm 120o, 1. 60o 0. t, c 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 v x 2, м / мин 2. D=250mm 240o 1. 60o 120o 0. t, c 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 v x 3, м / мин 2. D=250mm 60o 120o 1. 240o 0. t, c 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Рис. 7. Результаты моделирования продольной скорости v x1, v x 2, v x 3 1,2 и 3-го ве дущих колес МБР в отводе трубопровода диаметром D=250мм при различной угло вой ориентации трубопровода.

Результаты исследования зависимости скоростей движения ведущих колес v x1, v x 2, v x 3 МБР в отводе трубопровода диаметром 300мм и 350 мм от угловой ориентации приведены в диссертации. На рис. 8 и рис. приведены графики изменения осевой силы Fос и силовой ошибки в сис теме с нечетким регулятором для механизма адаптации внутритрубного робота при перемещении в трубопроводе диаметром D=250мм, 300мм и K1 1.23, 350мм при следующих значениях коэффициентов:

K 2 16.5, K3 0.33.

FOC 102, Рис. 8. Изменение осевой силы Fос МБР в трубопроводе с диаметром: D=250мм, D=300мм, D=350мм.

eFOC 10 2, Рис. 9. Ошибка осевой силы eFoc МБР в трубопроводе с диаметром: D=250мм, D=300мм, D=350мм.

Из данных рисунков следует, что с увеличением диаметра трубопро вода величина осевой Fос и ошибки eFoc уменьшается.

Основные результаты и выводы Проведенные теоретические исследования, расчеты и компьютерное моделирование позволило получить следующие основные результаты и сделать ряд выводов.

1. На основе анализа методов управления перемещением диагности ческих устройств в трубопроводах разработана структура нечеткой пози ционно-силовой системы, позволяющей управлять перемещением колес ных диагностических роботов в трубопроводах газораспределительных се тей с переменным поперечным сечением.

2. Предложена кинематика системы перемещения адаптивного колес ного робота обеспечивающая стабилизацию силы прижатия к внутренней поверхности трубопровода в условиях переменности его геометрии и по перечного сечения.

3. Разработана методика анализа кинематических и динамических ха рактеристик системы перемещения робота на основе моделирования взаи модействия колесных модулей робота с внутренней поверхностью трубо провода.

4. На основе разработанных кинематических и динамических моделей мобильного робота предложены алгоритмы управления движением мо бильного робота в трубопроводе с переменной геометрией.

5. Разработан алгоритм и структура адаптивной системы позиционно силового управления обеспечивающая движение диагностического робота в условиях действия внешних связей, изменения геометрии и поперечного сечения трубопровода с обеспечением отсутствия проскальзывания колес ных модулей.

6. Рассмотрены алгоритмы обработки изображения подвижных объек тов, позволяющие распознавать круглые дефекты типа «несплошности в виде круглого отверстия и плавного изменения толщины круглой формы с остаточной глубиной».

7. Разработана компьютерная Simulink модель и программа моделиро вания системы нечеткого позиционно-силового управления, обеспечиваю щая исследование перемещения МБР в трубопроводе с дефектами геомет рии.

8. Проведенное цифровое моделирование подтвердило высокую эф фективность нечеткого позиционно-силового управления движением и ориентацией МБР в условиях изменения геометрии и поперечного сечения трубопровода.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Статьи, опубликованные в журналах по перечню ВАК 1. Егоров И.Н., Кадхим Д.А. Управление технологическим оборудова нием в условиях нестационарности параметров изображения и положения подвижного объекта / Проектирование и технология электронных средств, 2009, вып. № 3.- С. 65-70.

2. Егоров И.Н., Кадхим Д.А. Управление перемещением диагностиче ских роботов в трубопроводах с переменным поперечным сечением. «На учно-технический вестник Поволжья», 2011, №2.- С. 82-86.

3. Егоров И.Н., Кадхим Д.А. Применение колесных мобильных роботов при внутритрубной дефектоскопии трубопроводов с переменным попереч ным сечением // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2011.

№ 3. URL: http://www.ogbus.ru/authors/ Egorov I.N./Egorov I.N._3.pdf.- 12 С.

Статьи в научных журналах 4. Могош М.А., Кадхим Д.А. Гибридная модель робота с дистанцион ным управлением по сети Интернет. В мире научных открытий, №3, часть 2. - Красноярск: НИИЦ, 2009. – С. 148-152.

Материалы научных конференций 5. Кадхим Д.А. Структурно-алгоритмическое обеспечение системы управления мобильного робота при выполнении ремонтно осстановительных операций в газовых трубопроводах. Междунар. конфер.

по математ. теории управления и механике: тезисы докладов. - Владимир:

ВлГУ. 2007. - С. 23-24.

6. Кадхим Д.А.Управление движением и динамика колесных модулей мобильного робота для трубопроводных газовых систем.19-я Всеросс. на учно-технич. конфер. с междунар. участием «Экстремальная робототехни ка»: сб. тезисов СПб: изд-во «Тринадцатая нота». 2008. - С. 101.

7. Егоров И.Н., Кадхим Д.А. Структурно-алгоритмическое обеспечение системы управления электроприводами мобильного робота. 15 Междунар.

научно-технич. конфер. «Бенардосовские чтения». Состояние и перспекти вы развития электротехнологии: материалы конференции-Иваново, ИГЭУ им. В. И. Ленина», 2009.-С.246.

8. Егоров И.Н., Кадхим Д.А. Математическая модель и управление движением мобильного робота. Междунар.конфер. по математ. теории управления и механике: тезисы докладов. - Владимир: ВлГУ. 2009. - С. 69 70.

9. Kadhim D.A. Modulation Motion of mobile wheeled robot in pipelines.

Междунар. конфер. по математ. теории управления и механике: тез. докла дов. - Владимир: ВлГУ. 2009. - С. 163-164.

10.Егоров И.Н., Кадхим Д.А. Нечеткое позиционно-силовое управление перемещением мобильного робота в трубопроводах с нестационарными геометрическими параметрами. Труды Девятого междунар. симпозиума «Интеллектуальные Системы» (INTELS' 2010)/ Под ред. К.А. Пупкова.-М.:

РУСАКИ, 2010. - С. 554.

Личный вклад соискателя в публикациях:

[1] – структура системы управления;

[2]-структуры систем слежения и нечеткого управления;

[3]-кинематическая схема роботов с механизмом адаптации, алгоритм вычисления сил и реакций связи, структура системы управления механизмом адаптации;

[4] – система гибридного управления роботом;

[7] – алгоритмическое обеспечение;

[8] – математическая модель робота;

[10] – моделирование нечеткой системы управления.

Подписано в печать 20.05.11.

Формат 60х84/18. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз.

Заказ Издательство Владимирского государственного университета 600000, Владимир, ул. Горького, 87.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.