基于模糊PID的變電站巡檢機器人運動控制研究

楊惠

摘要：傳統的變電站巡檢方式主要以人工為主，存在一定的弊端。隨著機器人技術的發展，使用巡檢機器人代替人工完成變電站的巡檢任務，能有效提高巡檢效率，這將成為今后變電站巡檢的發展趨勢。文章就變電站巡檢環境設計了一種基于模糊PID的運動控制系統。仿真和試驗表明，相對于常規的PID控制，該模糊PID運動控制系統具有很好的響應速度、穩定性和精度，能夠滿足變電站巡檢機器人運動控制的設計要求。

關鍵詞：變電站；巡檢機器人；模糊PID；運動控制

中圖分類號：TP319? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著經濟的高速發展，電力系統規模逐漸擴大，保障電力系統的穩定性具有很重要的作用。變電站是電網的核心，對變電站內的設備進行巡檢，對電力系統的安全運行有著很重要的作用。傳統的變電站巡檢主要以人工方式為主，這種方式有一定的弊端：勞動強度大，巡檢效率低，容易受天氣影響，而且需要工作人員憑借經驗來判斷設備是否有漏油、裂痕、異常聲響等故障，甚至還會對工作人員的人身安全造成危險。隨著機器人技術的發展，使用巡檢機器人代替人工完成變電站的巡檢任務，可以大大降低工作人員的勞動強度，提高工作效率，降低人工操作的安全風險，具有廣闊的應用前景［1］。

本文研究的機器人為搭載紅外熱像儀和可見光攝像頭的變電站巡檢機器人，它通過2個步進電機控制機器人底盤的運動。為了使機器人實現安全可靠的巡檢任務，需要在機器人作業過程中，對內部電機進行精確控制。傳統的電機控制采用PID控制，由于步進電機在運行過程中容易受到負載、摩擦力等影響，會造成步數丟失、2個步進電機不能保持同步的現象。為了達到可靠的控制效果，本文采用模糊PID控制的方法。

1 硬件總體設計

運動控制器位于變電站巡檢機器人系統的中間層，運動控制系統硬件共由5個模塊組成，分別是中央計算器模塊、電磁傳感器模塊、速度檢測模塊、電機驅動模塊、電源模塊。其中，中央計算器模塊負責處理和決策所有數據；電磁傳感器模塊負責感知；速度檢測模塊負責檢測速度信息；電機驅動模塊負責機器人動力；電源模塊負責整個系統的供電。

本課題設計的變電站巡檢機器人運動控制系統主要適用于環境不是十分惡劣及路面狀況比較簡單的一般中小型變電站，以三門峽某110 kV變電站為例，聯合使用傳統PID控制算法和模糊控制，形成了具有自適應調節功能的智能控制器，以實現機器人運動控制系統精確控制，保障巡檢機器人運動時的平衡性，提升巡檢效率。

2 機器人運動模型

機器人的機械結構由2個驅動輪和2個萬向輪組成。由于機器人運動方式為前輪轉向、后輪驅動，為了便于分析，把機器人運動方式簡化為兩輪驅動的形式［2］。機器人按照設定好的路線進行巡檢，到達變電站內檢測點停下來對設備進行巡檢，檢查結束繼續按照設定好的路線運行。因為巡檢機器人在變電站內的運動路線是固定的，所以本文主要研究對機器人轉向和速度的控制。

為了更精準地描述車輛運動狀態，本設計首先構建一個多個自由度下的車輛模型，主要包含發動機、輪胎、底盤、傳動系統等部件。機器人系統是非線性系統，隨著車輪速度的改變，各項參數也會有很大的變化，在低速時，車輛表現為動力學特性。因此，本文在對巡檢機器人運動控制系統進行分析時，把車輛當做在地平面內運動，不考慮車輛的側滑效應，主要分析車輛的動力學模型［3］。

3 模糊PID控制

傳統PID控制器結構簡單、穩定，是自動控制領域的主要技術之一。在建立系統模型時，對結構和參數不確定的系統，采用PID控制，但是PID控制器具有一定局限性。首先，需要操作者具有豐富的經驗；其次，需要建立系統精確的數學模型，對于復雜的非線性系統，由于操作者無法精確描述控制過程中各種信號量，PID控制難以實現精確的控制；最后，對于參數實時調整的系統，PID控制器不能實現在線調整。

近20年，模糊控制在理論和技術方面發展迅速，在生活和工業中應用廣泛，已經成為智能控制系統中應用很廣的一個分支。將PID和模糊控制相結合，使用模糊PID控制，達到在線調整控制過程中的各種參數、優化系統參數、提高控制效果的目的。模糊PID在工業、交通、航空、生活中應用廣泛，如溫度控制、汽車駕駛、發酵等。

3.1 模糊PID控制器結構

在本系統中，將誤差e和誤差變化率ec作為輸入，即將機器人轉向時轉速的輸入信號與反饋信號作為輸入，建立一個模糊PID控制器，實現對機器人的左右輪速度控制；系統利用兩輪速度反饋的速度信號之差來調節巡檢機器人的運行方向，實現巡檢任務；對不同時刻轉速的誤差e和誤差變化率ec，系統通過不斷修正的方法，在線調節PID的參數，克服機器人轉向時候參數的改變以及障礙物等因素，提高巡檢機器人運動控制系統的自整定能力和穩定性。

3.2 模糊控制器的設計

3.2.1 模糊子集及其隸屬函數的確定

該模糊PID控制器的輸入變量為速度誤差偏差e和誤差隨時間的導數ec，即ec= de/dt。設計控制器時，將輸入變量和輸出變量進行模糊化，用大中小模糊矢量分別來表示輸入和輸出變量信息，模擬成人能感知到的信息。將輸入和輸出變量分為7個模糊量，分別為：{NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。E（零）、PS（正?。M（正中）、PB（正大）}。將輸入變量偏差e和偏差變化量ec的論域設定為［-3，3］，將輸出變量KP、KI、KD的論域設定為［-1.5 1.5］、［-0.1 0.5］、［-0.1 0.1］。

本系統隸屬函數采用三角形隸屬函數。對于三角形隸屬函數，形狀尖對應系統的分辨率和靈敏度就高；形狀緩對應系統的穩定性就越好［4］。為了提高在零點附近的控制精確度，將系統中零點附近的模糊子集劃分較細且占用的論域區段較小。

3.2.2 模糊控制規則

模糊控制規則的設計應滿足以下條件。

當機器人轉速偏差較大時，應使被控量誤差迅速減?。划敊C器人轉速偏差較小時，應維持系統的穩定性，避免出現超調的現象。

本控制器輸入變量為轉速偏差e及偏差的變化率ec，輸出變量為KP、KI、KD。根據多次試湊以及人工經驗總結，結合PID控制的特點，得出機器人轉向時的輸入變量和輸出變量的整定原則。

（1）當系統偏差|e|較大時，適度增大比例系數KP和減小微分系數KD，可以有效提高系統響應速度；同時為了避免系統出現超調量過大的現象，還需要減小積分系數KI或令KI為零。

（2）當系統偏差|e|處于中等大小時，為了保證系統的響應速度，應減小比例系數KP，且保持較為適中的微分系數KD，同時為了消除誤差，抑制超調，可以適當增加積分系數KI。

（3）當系統偏差|e|較小時，為保證系統良好的穩態性能，應增大比例系數KP和積分系數KI，同時為避免平衡點附近出現振蕩現象，要根據偏差變化率ec值適當選取微分系數KD的值。

根據輸出變量參數整定的原則以及模糊規則的設計要求，分別確定輸出變量KP、KI、KD的控制規則表。

3.2.3 輸出量的清晰化

輸出量清晰化需要設置量化因子和比例因子。量化因子是為了進行模糊化處理，將輸入變量從基本論域轉換到相應的模糊集論域。本系統中，對于偏差e，其論域范圍為［-xe，xe］；對于偏差變化率ec，其論域范圍為［-xec，xec］。把論域轉化為整數N=［-n，-n+1，-L，0，L，n-1，n］，則量化因子分別為ke=nXe，kec=nXec。

模糊控制器得到模糊控制輸出值，需要將其轉換為控制對象能接受的基本論域中。模糊控制比例因子指在模糊控制系統設計中，用來確定模糊控制器輸出的系數。本系統輸出量的模糊論域范圍為［-u，u］，把論域轉化為整數N=［-y，-y+1，-L，0，L，y-1，y］，則比例因子為ku=yu。

根據得到的量化因子和比例因子，查詢巡檢機器人運動控制模糊控制規則表，得出機器人的左輪和右輪的速度，再把得到的輸出量去模糊化，變成實際需要的速度值。

4 模糊PID控制系統仿真

在 MATLAB的Simulink中對變電站巡檢機器人模糊PID控制器建立仿真模型并進行仿真，仿真模型如圖1所示。

本文分別對系統PID控制和模糊PID控制進行仿真。仿真結果表明，與傳統PID控制器仿真結果對比，模糊PID控制器的穩定性較強。模糊PID控制響應時間幾乎沒有增加，具有穩定性好、自適應能力強、控制精度高等優點，且模糊PID控制幾乎沒有超調，可以很好地滿足變電站巡檢機器人運動控制系統的設計要求。

在實際應用中，當機器人速度偏差較大時，模糊PID控制器可以快速響應縮小系統偏差，提高機器人巡檢工作的靈敏性；當機器人速度接近設定值時，模糊PID控制器可以避免超調，提高巡檢機器人的控制精度。

5 結語

本文對變電站巡檢機器人的運動控制系統進行研究，設計模糊PID控制器，在MATLAB/Simulink中建立機器人模糊控制PID控制器仿真模型，仿真結果表明，基于模糊PID的變電站巡檢機器人運動控制系統，具有穩定性好、響應速度快、自適應能力強、控制精度高等優點，綜合性能優于傳統的PID控制算法。后續對巡檢機器人進行測試，測試結果表明，本文設計的變電站巡檢機器人運動控制策略可以很好地滿足巡檢機器人運動控制方面的設計要求。

參考文獻

［1］張營，魯守銀.基于模糊控制算法的變電站巡檢機器人路徑規劃［J］.制造業自動化，2015（11）：53-55.

［2］段曉東.變電站巡檢機器人運動控制系統設計與實現［D］.廊坊：北華航天工業學院，2019.

［3］楊睿琬.變電站巡檢機器人運動控制器研究［D］.貴陽：貴州大學，2018.

［4］李金鑫，張年松，何勇.基于模糊PID的武裝機器人運動控制研究［J］.控制工程，2014（增刊1）：41-44.

（編輯 沈 強）

Research on motion control of substation inspection robot based on fuzzy PID

YANG? Hui

（Sanmenxia Polytechnic， Sanmenxia 472000， China）

Abstract： The traditional substation inspection method mainly relies on manual labor， which has certain drawbacks. With the development of robotics technology， using inspection robots instead of manual labor to complete the inspection tasks of substations can effectively improve inspection efficiency and become the future trend of substation inspection. This article designs a motion control system based on fuzzy PID for substation inspection environment. Simulation and experiments show that compared to conventional PID control， the fuzzy PID motion control system has good response speed， stability， and accuracy， and can meet the design requirements of substation inspection robot operation control.

Key words： substation; inspection robot; fuzzy PID; motion control