基于PLC的自動噴砂機伺服控制系統研究

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.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451；2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451；3.中國海洋石油能源發展管道工程公司，天津 300452）

0 引言

噴砂除銹是目前管道涂裝表面預處理的主要方法。海底管道的補口區域作為整個管道防腐的瓶頸部位，其表面除銹處理的質量直接影響海底管道失效事故發生的頻率[1]。目前，干噴砂除銹技術由于其環境污染嚴重，危害人體健康而逐漸被限制使用；濕噴砂除銹技術和超高壓水除銹技術雖然避免了環境污染，但是濕噴砂后易產生浮銹，而超高壓水除銹技術價格高昂，還不能被廣泛采用[2]。

環保型管道自動噴砂除銹機的開發為解決上述問題提供了有效途徑。作為一種管道補口自動除銹裝置，可在最大范圍內減少環境污染，改善工人勞動環境，提高作業效率，并保證補口質量。由于自動噴砂機通常在工況條件惡劣的環境中使用，這對控制系統提出了更高的要求，其控制系統的優劣決定了設備的整體性能，并影響噴砂除銹的最終效果。

本文在噴砂除銹機運動學分析的基礎上，提出了三閉環控制系統方案和非線性應對措施，保證了系統的控制精度和響應速度，有效地抑制隨機干擾，實現自動噴砂除銹機的可靠運行。

1 自動噴砂除銹機

1.1 自動噴砂除銹機的組成及結構

自動噴砂除銹機運動系統可簡化為一類串聯式機構。運動系統結構示意見圖1，圖中A為運動系統本體，B為運動系統移動導軌，C為管道，D為噴砂補口區。由圖1可知，運動系統的進給方式包括沿軌道運行方向的回轉進給，沿管道軸向的軸向進給。當運動系統沿著導軌做圓周運動時，其回轉進給運動可以轉化為繞管道軸向的旋轉運動，旋轉半徑為r+r1。建立坐標系和系統機構如圖2所示，則機器人的運動可以簡化為關節1繞x軸的旋轉運動，關節2沿x軸的平移運動。

圖1 運動系統結構示意

1.2 自動噴砂除銹機的運動學分析

根據圖2中所示結構進行系統的運動學分析[3]，并在此基礎上討論其控制系統的研究與應用。由圖可知，沿x軸和沿z軸的運動量分別為l1和l2；繞x軸的旋轉角度為θ，旋轉半徑為r+r1。

圖2 機構簡圖

根據坐標旋轉變換法則，繞x軸的旋轉矩陣為：

沿x軸的平移矩陣為：

末端點P2的矢量方程為：

由上式推出運動學模型為：

將上式反解，推出逆運動學模型為：

2 控制系統設計

2.1 三閉環控制系統

本系統控制的核心是要進行精確的位置控制，而響應的快速性、靈活性、準確性是位置控制的主要指標。為滿足這些指標要求，本系統采用位置、速度雙閉環結構；同時根據本系統對電機輸出扭矩的要求，在速度環的內部嵌套了電流閉環調節，獲得近似最大恒流的啟動過程[4]，有效地控制電機的啟動特性和電流、轉矩的動態過程。控制系統原理見圖3。

圖3 三閉環伺服控制系統原理示意

對速度環和電流環組成的閉環結構而言，電流環作為內環，速度環作為外環，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，其構成轉速、電流雙閉環調速系統。作為內環的電流調節器，在外環轉速的調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 （即外環調節器的輸出量）變化，對電壓的波動起及時抗擾的作用，在調速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態過程。對位置環和速度環組成的閉環結構而言，速度環作為內環，位置環作為外環，其構成位置、速度雙閉環定位系統。轉速、電流雙閉環調速系統結構如圖4所示。

圖4 轉速、電流雙閉環調速系統結構

2.2 非線性分析

非線性對系統的性能有很大的破壞作用，甚至可以導致系統無法正常工作[5]。按照控制系統結構的外圍組成，本系統屬于典型的雙閉環 （位置環和速度環）控制系統，對于參數變化和擾動對系統狀態的影響，除了依靠系統自身抑制外，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視作無效信號予以去除[6-7]。在系統內部，非線性包括摩擦非線性、間隙非線性、死區非線性和飽和非線性等。其中間隙非線性是系統中一種常見的非線性因素， 是機構傳動間隙所引起的，主要發生在伺服系統的啟動和換向時刻，對系統產生的影響一是間隙的不確定性降低了系統的定位精度；二是間隙的存在給系統帶來滯后效應，降低了系統的穩定性， 加劇系統的自振蕩[8]。利用雙閉環的校正作用和信號的軟件濾波處理能有效消除這些因素的影響， 提高系統的精度及穩定性。系統抑制擾動和非線性的控制原理見圖5。

圖5 擾動和非線性的控制原理示意

3 仿真分析

根據以上對控制方案的設計，分別以階躍信號及等占空比方波信號作為輸入進行仿真分析，探索控制參數并觀察系統的穩定性、響應速度及準確性等性能指標。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的控制元素，電機模型模塊內部封裝了作為內環的電流調節器和濾波模塊。因此，速度閉環、電機和與外圍的位置控制環節一起構成雙閉環位置控制結構。

仿真結果表明，該控制策略可行。由圖7、8可以看出，系統在惡劣輸入信號和隨機干擾的作用下能保持較好的響應特性和較好的穩定性，濾波模塊作用顯著，系統對外界的干擾表現出較好的魯棒性，對預定軌跡信號跟蹤效果良好，能夠確保系統的控制精度。在理想狀態下，該控制策略能夠滿足系統對各項性能的要求。

圖6 MATLAB仿真程序

圖7 階躍信號仿真結果

圖8 方波信號仿真結果

4 應用試驗

在仿真分析的基礎上，進行了系統的應用試驗。控制系統采用可編程控制器PLC和伺服驅動單元相結合方式， 同時采用高精度傳感器進行系統信號的采集。利用PLC梯形圖編寫控制程序，并進行軟件濾波模塊的設計。

通過運行程序，由PLC計算指令脈沖數與脈沖頻率，確定脈沖方向，并輸出指令脈沖作為驅動器的給定信號。伺服驅動器將脈沖指令轉化為驅動信號，并實現電流環、速度環和位置環的調節控制功能，進行伺服控制的動態調整。濾波模塊的設計采用了延時消抖和數字濾波相結合的方法，有效消除開關量輸入抖動和各種隨機干擾對系統產生的影響，使該系統具有動態響應快、定位精度高、系統穩定性好等特點。

設備試驗的噴砂除銹效果見圖9。

圖9 噴砂除銹試驗結果

經與標準板比對，除銹效果可達Sa2.5級以上，滿足海底管道鋪設噴砂除銹指標的要求。

5 結論

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

（2）在外部電磁干擾強烈的工況下，軟件濾波是對采集信號處理的必要手段，并且軟件濾波器設計的優劣直接影響信號的準確性及系統的性能。

（3）采用PLC作為控制系統核心的自動噴砂除銹機運行穩定、性能可靠，具有良好的除銹效果，目前，該技術已在中海油、勝利油田及中石油海上項目中得到了廣泛的應用。結果表明，采用全自動噴砂除銹技術，可有效提高管道噴砂除銹的工作效率，減輕工人的勞動強度，減少對周圍環境的污染，從而節約了海底管道鋪設成本，縮短了管道鋪設周期。

[1]朱熀秋，張騰超.可編程序控制器在鋼管壁面噴砂除銹作業線中的應用［J］.新技術新工藝，2005， （12）：15-17.

[2]龍斌，呂喜軍，唐德渝，等.環保型全自動管道噴砂除銹機的研制及應用[J].石油工程建設，2011，37（6）:36-38.

[3]PathakPM，Mukherjee A，DasguptaA.Impedance control of spacerobot[J].International Journal of Modelling and Simulation，2006，26（4）:316-322.

[4]熊有倫.機器人技術基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2008.

[5]吳晨曦，蔣嶸.基于PLC—伺服驅動的位置控制系統設計[J].制造業自動化，2008，30（4）:84-86.

[6]張立勛，董玉紅.機電系統仿真與設計[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2006.

[7]黃曉玲.PLC控制系統的抗干擾分析及措施[J].機電技術，2010，（3）：47-48.

[8]Robert N Bateson.Introduction to Conrol System Technology[M].New Jersey:Pearson Education Inc.，2002.