基于模糊PI的管道清淤機器人控制系統研究

羅繼曼，戴璐璐，印 輝，劉澤明，劉士恒

(沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

目前，很多高校和公司正致力于管道機器人的研發并取得了可觀的成就，而可以進行自主清除淤泥工作的機器人還很少，清淤機器人控制系統設計還不完善。江蘇工業學院研究并開發了一種纜控清淤機器人，該清淤機器人的控制系統核心為51單片機。上海交通大學對管道檢測機器人控制和導航系統進行了詳細的研究，實現了管道機器人自主路徑規劃、導航和動作的智能控制[1-3]。上述文獻中所涉及的清淤機器人均只具備檢查管道內部破損情況以及代替工作人員進行穿纜作業的功能，自主清淤能力較差，所以對清淤機器人控制系統的研發工作仍然需要進一步深入，提高清淤機器人的自動化水平。

本文根據該機器人的結構特點和功能要求進行了整機控制系統的設計，以增強該機器人的可控性，實現自主清淤。為了確保該機器人能夠平穩、可靠地運動，需要對輪式機構協調運動控制策略進行深入研究，其中包括提高單組行走單元控制性能的控制算法和增強多電機系統同步性能的協調控制策略。

1 機器人的結構和硬件配置

1.1 管道清淤機器人機械系統結構

清淤機器人的結構如圖1所示，其機械本體主要由3個部分組成，分別為輪式行走機構、步進機構和清淤機構。

圖1 新型管道清淤機器人總體結構

由圖1可知，輪式行走機構處于整機的中間位置，是機器人前進的主要驅動機構。輪式行走機構結構如圖2所示，該機構主要由均布在圓周內3組行走單元組成，各由1個電機驅動。該機器人采用全驅動的方式，在理想狀態下，3個獨立的驅動電機速度應保持一致，所以該控制系統需要有較好的調速能力，使機器人能夠平穩、可靠地運動。

圖2 輪式行走機構

步進推動機構是管道清淤機器人前進的輔助機構，結構如圖3所示。當輪式行走機構中的行走單元的3組輪都處于打滑狀態時，步進推動機構啟動輔助清淤機器人前進。

清淤機構通過內置電機1帶動主軸旋轉實現清淤頭的轉動，從而刮削下管道內壁的淤泥，是機器人完成清淤作業的主要執行機構，其結構如圖4所示。

圖3 步進機構

圖4 清淤機構

1.2 控制系統硬件配置

根據設計的目的和要求，給出了如圖5所示的系統框圖。本機器人控制系統可按功能劃分為上位機和微控制器STM32。輸入模塊由壓力檢測模塊、測速模塊、光電模塊組成；輸出模塊由電機驅動模塊、驅動電機、電推桿組成；通訊模塊是Wi-Fi模塊。STM32單片機作為系統的核心控制器件負責對各電機的精確控制、上位機的命令識別及數據的傳輸[4-5]。電機驅動模塊將控制器產生的小信號放大[6]，并根據微處理器輸出的PWM信號控制直流電機的速度和方向。編碼器負責實時測量直流電機的速度和方向，便于對驅動電機進行閉環控制。

圖5 系統框圖

2 行走單元控制系統的研究與仿真

清淤機器人驅動系統是機器人順利完成作業的核心，是清淤機器人具有良好的通過性和越障能力的保障。在理想狀態下，3個獨立的行走單元的運動應具有同步性。但如果每組行走單元對于轉速的跟隨能力不強，使轉速跟蹤誤差較大時，單組行走單元的控制性能不能達到要求，那么輪式驅動系統的同步協調性能也不能夠得到保證。因此必須采用適當的控制算法來提高行走單元的控制精度及抗干擾性。

為了滿足運行中電機控制需要達到一個較高精度的要求，本文的行走單元驅動系統采用廣泛使用的雙閉環調速方法[7]，如圖6所示。從行走單元控制系統的反饋結構上看，以電流為內環反饋，轉速為外環反饋。考慮到轉速環調節是能確保該調速系統具有良好的跟隨性和抗干擾性的根本因素。故電流環的調節器采用傳統的PID控制算法，而轉速環調節器采用模糊PID控制算法，以提高系統的自適應性與魯棒性,實現電機無靜差穩態調節[8]。

圖6 雙閉環控制系統

2.1 傳統PID控制算法

在行走單元控制系統中，電流環控制器采用了傳統的PID控制算法，該算法以其高穩定性，原理簡單等特點廣泛應用在直流電機的控制系統中，PID控制原理如圖7所示。

圖7 PID控制原理

在實際應用中，可根據系統需要靈活地進行比例、積分、微分環節的組合。微分調節器對輸入信號的噪聲很敏感，令控制系統容易受到高頻電磁的干擾，降低系統的抗干擾性能。由于管道環境較復雜，行走單元驅動電機工作時所需轉速及承受的負載隨時可能變化。例如，為了提升清淤效率，機器人需要根據淤積量匹配不同的轉速。同時機器人承受的阻力產生變化，反映到電機上即為電機負載變化[9]。因此為了避免降低電機控制系統的抗干擾性，本次設計控制系統調節器采用的是PI控制。

2.2 自適應模糊PI控制算法

PID控制一直用不變的參數控制系統的整個過程,當電機所受負載或速度波動較大時，可能導致原來的參數不再適應變化后的電機控制系統。因此，想要從根本上提高控制系統的動態性能以及控制精度，就要求PID控制器具有很好的時變性，能根據控制系統的變化而變化。模糊PID控制直接采用語言控制規則，可完全不依賴于被控對象的精確數學模型，通過用模糊控制理論規則針對PID控制器實時在線自動對其參數進行整定。它在電機控制系統應用中具有控制精度強和魯棒性好等優點[10]，對外界的干擾也具有很強的抑制能力[11]。

轉速環模糊PI控制器原理如圖8所示，直流電機模糊PI參數的整定為[12]：

KP=KP0+ΔKP

(1)

KI=KI0+ΔKI

(2)

ΔKP和ΔKI為模糊控制器輸出的修正值；KP0和KI0為PI控制器參數的原始值。

圖8 模糊PI控制器

2.3 行走單元控制系統的仿真

本文利用Simulink軟件對行走單元的驅動系統進行建模和仿真。

轉速環采用模糊PI控制器，其中模糊化系數Ke=10，Kec=3.42；解模糊化系數K1=0.8，K2=48；PI控制器初始系數KP0=25，KI0=8。

電流環采用的是傳統PI控制器，為了防止電流過大，設置了限幅環節。經過反復調節，確定PI控制器參數KP1=14.8且KI1=5。輪式機構驅動電機的額定電流為13 A,因此電流環限幅[-18,18]。

2.4 仿真結果對比及分析

本文所設計的雙閉環控制系統中，轉速環是增強系統對負載變化能力抗干擾能力的主要控制環節，因此對轉速環控制器分別采用傳統PI和模糊PI算法進行仿真實驗對比。

2.4.1 行走單元調速仿真

設定行走單元的起始速度為180 r/min；在2.5 s時，調整行走單元設定轉速為150 r/min，行走單元的轉速仿真結果對比如圖9所示。

圖9 轉速仿真結果

由圖9可知，2種控制方法都能令轉速很快地達到指定值。但基于模糊PI控制的系統，在電機啟動時，轉速超調量更小，穩定性較好；進行減速控制時，響應速度較快，經過少量跌落后穩定在給定速度。

2.4.2 負載擾動仿真

行走單元給定轉速設為180 r/min，把負載改為擾動負載。行走單元的初始負載轉矩4 N·m；在1.5 s后負載變為6 N·m，電機轉速仿真結果對比如圖10所示。

圖10 轉速仿真結果

由圖10可知，在加上負載擾動的情況下，轉速有所下降，經過系統自動調節，使得轉速重新恢復為指定值。但模糊控制PI擁有更小的轉速下降量，并且恢復至指定轉速值的速度更快。

這說明模糊PI控制系統具有更好的穩定性、抗干擾力更強，有效提高了清淤機器人的控制靈敏性。

3 輪式行走機構的3組行走單元的同步控制研究與仿真

為了進一步提高該機器人運動的平穩性，增強3組行走單元的同步協調性，本文在該機器人行走單元各自控制系統的基礎上，通過速度補償器，建立3組行走單元運行時速度的關聯性，以保證行走單元運動特性的同步控制。

3.1 偏差耦合器設計

本文采用基于偏差耦合的控制策略實現3組行走單元的同步控制，對每一組行走單元而言，都要考慮自身的轉速跟蹤誤差和與其余行走單元的轉速同步誤差[13]。要使各行走單元同步運行，應使它們的跟蹤誤差和同步誤差穩定收斂，即滿足：

(3)

行走單元偏差耦合控制系統的結構如圖11所示，它主要由3個部分組成：系統的混合模塊(MUX)、每組行走單元對應的分離模塊(DEMUX)和速度補償器模塊。其中最重要的組成部分是速度補償器模塊，由它提供每組行走單元的補償信號[14]。由于該結構將系統的各行走單元耦合起來，形成一個閉環結構，因此當任意一組行走單元受到干擾時，其他行走單元都能實時、準確地調整速度，從而達到較高的同步性能。

圖11 偏差耦合控制系統

速度補償器1的內部結構如圖12所示，在該模塊中將行走單元1的反饋速度值與其他行走單元的反饋值做差，并分別乘以各自的耦合系數Kir，再將所有的結果相加后作為速度信號。

圖12 速度補償器1

速度耦合系數Kir所起到的作用是當任意行走單元驅動電機受到外界環境的擾動，例如負載突然增加或者減少，受到沖擊載荷等，減小電機間的同步偏差，并且不會增加系統的超調，從而避免了輸出轉矩的抖動。Kir的取值與電機的轉動慣量有關，計算公式為

Kir=Ji/Jrr=1，2

(4)

Ji為系統中第i臺電機的轉動慣量；Jr為電機i相鄰的第r臺電機的轉動慣量。則電機1的速度補償值e1=K11(w1-w2)+K12(w1-w3)。同理可得其他電機的速度補償值。

3.2 仿真結果分析

利用 MATLAB 中的 Simulink平臺對3組行走單元的同步控制進行仿真，其中各行走單元轉速均采用基于模糊PI控制的雙閉環控制系統，通過速度補償器，建立3組行走單元之間的耦合關系，以保證它們的同步協調運轉。

3.2.1 調速仿真

設定3組行走單元的起始速度均為180 r/min；在2 s時，調整電機設定轉速為150 r/min；在4 s時，調整電機設定轉速為100 r/min，電機轉速仿真結果如圖13所示。

圖13 轉速仿真結果

由圖13可知，3組行走單元的同步性較好，電機起動時出現了輕微超調，但很快穩定在給定轉速180 r/min上。當給定轉速變化時，3臺電機的轉速同步變化，速度產生輕微波動最終穩定在變化后的給定轉速量。

3.2.2 負載擾動仿真

設定行走單元給定速度為180 r/min，給定負載轉矩為4 N·m；在1.5 s時，給行走單元1加負載擾動；在4 s時，給3組行走單元同時添加負載擾動。電機轉速仿真結果如圖14所示。

電機系統穩態運行時，系統可以按照給定速度完成3組行走單元同步運行。在1.5 s時，僅行走單元1收到負載擾動，行走單元1轉速首先產生微量下降，由于行走單元轉速之間有耦合關系，行走單元2和行走單元3轉速很快跟隨變化。在4 s時，當3組行走單元同時受到負載擾動時，其轉速同時產生少量速度波動，并快速恢復至指令速度。

圖14 轉速仿真結果

因此當系統中一旦有電機出現擾動，由于耦合控制器的作用，就會使其他電機產生同步控制反應，相互傳遞擾動信號，使得整個系統都對擾動做出相應的反饋，進而消除擾動，可有效增強3組行走單元的協調控制性能，保證機器人在管道內平穩靈活地行駛。

4 實驗

在本次實驗中，主要按照以下3個步驟進行：整機功能測試、行走單元測試和輪式行走機構的同步測試。

4.1 整機功能測試

為了檢驗控制系統的穩定性和機器人各個功能模塊是否正常工作，先進行整機功能測試，查看機器人在水平管道內和15°坡度的管道內運行情況,如圖15和圖16所示。

圖15 水平管道內機器人運行情況

圖16 有坡度的管道內機器人運行情況

經測試，該機器人在水平管道內運動時各功能均按設計實現，且運動平穩；在管道內可沿直線行駛，無偏移現象，滿足設計要求；在啟動和停止時，沒有明顯抖動，說明該控制系統有效可靠。

4.2 輪式驅動機構的行走單元測試

對輪式驅動機構的1組行走單元進行實驗，檢測轉速反饋情況和速度的跟隨性。行走單元的行駛速度設為200 r/min，速度采樣周期為30 ms，系統在3 s內的電機的速度響應曲線如圖17所示。

圖17 速度響應曲線

由圖17可知，系統出現一次震蕩后便處于穩定，系統上升時間tr=0.5 s,調節時間ts=0.15 s，穩態誤差ess=5%，超調性很小；測量結果表明該系統控制精度高、具有良好穩定性。

4.3 輪式驅動機構3組行走單元同步測試

為了檢驗輪式行走機構的協調控制效果，僅對輪式驅動機構進行實驗，在管道內2個不同位置放置障礙，以檢測輪式行走機構3個行走單元的同步性。得到輪式驅動電機速度偏差曲線如圖18～圖20所示。

圖18 行走單元1與行走單元2速度偏差曲線

圖19 行走單元1與行走單元3速度偏差曲線

從電機的同步速度偏差曲線計算得出，穩態時系統的同步誤差幾乎為0，當機器人碰到障礙時，最大同步誤差為1.5 r/min。說明輪式驅動機構3個行走單元同步性良好，抗干擾性能力強，能夠滿足系統要求。

圖20 行走單元2與行走單元3速度偏差曲線

5 結束語

根據清淤機器人的行走方式，進行該機器人的整體控制系統設計，并完成了機器人控制系統各模塊硬件配置，經實驗驗證該控制系統可控性強，可實現對機器人在管道內運行的各個動作控制。

對清淤機器人的電機控制算法進行了研究，設計完成了基于模糊PI控制的電機控制系統，并利用Simulink對基于模糊PI控制和傳統PI控制的行走單元的轉速控制效果進行了比較。仿真結果表明基于模糊PI算法的控制系統速度跟隨性更好、系統具有更好的可控性和抗干擾性。可實現對該機器人輪式驅動系統的速度精確控制。

針對清淤機器人的輪式驅動系統，設計了速度補償器，使3組行走單元的控制系統之間具有耦合關系，以保證3個電機的同步控制。仿真結果表明，在3組行走單元負載有所差異的情況下仍然能夠實現同步控制，能夠滿足清淤機器人運動控制的設計要求。