基于STM32控制的水冷壁爬壁機器人的氣動檢測系統(tǒng)的研究

0 引言

鍋爐是化工行業(yè)中最常見的熱力設(shè)備，而水冷壁管是鍋爐壁上重要的結(jié)構(gòu)件，一般鍋爐中有40%～50%甚至更多的熱量是由水冷壁管所吸收[1]。由于流化床鍋爐水冷壁管所處環(huán)境極其惡劣，易因腐蝕、磨損而老化，甚至爆裂，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的安全，因此必須定期進行無損檢測[2]。傳統(tǒng)水冷壁管的磨損檢測都是人工進行無損檢測，這種檢測費時費力，效率低，危險系數(shù)高。隨著石化工業(yè)的迅速發(fā)展，研制一種能自主爬壁并代替人工進行超聲無損檢測的機器人勢在必行。

在控制技術(shù)領(lǐng)域，氣壓傳動技術(shù)是其一個重要的分支。由于氣體的可壓縮性、閥體流動的非線性及氣缸摩擦力的影響，使氣動定位系統(tǒng)的控制算法通常比傳統(tǒng)的電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前，也出現(xiàn)一些成熟的定位控制方法，如采用非線性控制理論構(gòu)造控制器，且把微分幾何方法引入非線性控制系統(tǒng)，并對非線性系統(tǒng)反饋線性化[3]；也有基于PLC和模糊PID控制的控制技術(shù)對氣缸進行定位[4,5]。實際應(yīng)用中也出現(xiàn)了成熟的定位控制器，如FESTO公司開發(fā)出的SPC200，是應(yīng)用十分廣泛的軸控制器，可以達到1mm內(nèi)的精度要求。

本文針對鍋爐水冷壁磨損檢測需要，設(shè)計了一種上下位機結(jié)合控制的爬壁機器人，對檢測部分的氣動裝置采用專家PID控制來實現(xiàn)智能機器人代替人工進行檢測操作，并通過上位機對鍋爐水冷壁厚度檢測數(shù)據(jù)進行分析，使其能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的需求。

1 爬壁檢測機器人機械結(jié)構(gòu)

根據(jù)鍋爐水冷壁的磨損檢測的需求和生產(chǎn)工作環(huán)境，本設(shè)計采用履帶式永磁吸附爬壁機器人，并配以超聲波測厚儀來實現(xiàn)智能無損檢測。

圖1 爬壁機器人機械結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計的爬壁機器人機械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，爬壁機器人本體由超聲波無損檢測機構(gòu)，爬行驅(qū)動機構(gòu)，永磁吸附裝置等組成。超聲波無損檢測裝置安裝在該爬壁機器人的前側(cè)，爬壁機器人左右側(cè)各裝有前后兩個帶輪，分別與裝有永磁體塊的履帶嚙合緊緊地的吸附在鍋爐壁面，通過電機安裝于蝸輪蝸桿減速器減速后帶動鏈輪，鏈輪帶動鏈條運轉(zhuǎn)，從而使機器人運動，進而驅(qū)動車體向上爬行。

為實現(xiàn)對流化床水冷壁磨損進行自動化檢測，爬壁機器人控制系統(tǒng)是關(guān)鍵所在。本文根據(jù)爬壁機器人所要達到的要求，著重介紹爬壁機器人檢測系統(tǒng)的控制。

2 控制系統(tǒng)組成

流化床鍋爐水冷壁磨損檢測機器人控制系統(tǒng)為上下兩層體系結(jié)構(gòu)，氣動檢測系統(tǒng)由STM32單片機、電機驅(qū)動電路、傳感器數(shù)據(jù)接收電路、氣缸控制電路和人機交互界面等組成。下位機系統(tǒng)以STM32單片機為核心，協(xié)調(diào)各部分電路工作；上位機采用PC為主控計算機，用于參數(shù)初始化，任務(wù)規(guī)劃和狀態(tài)監(jiān)控，兩者通過RS232通訊，控制系統(tǒng)總框圖如圖2所示。

圖2 磨損檢測機器人控制系統(tǒng)總框圖

流化床鍋爐水冷壁磨損檢測爬壁機器人的檢測系統(tǒng)主要任務(wù)是將超聲測厚探頭移動到管壁待測點處，放下探頭對管壁進行測試，最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行處理，在檢測過程中攝像頭實時傳輸圖像信息到人機交互界面。完成一次作業(yè)任務(wù)的順序為：水平移動→探頭定位氣缸推桿下降→耦合劑氣泵打開→經(jīng)過一段時間，關(guān)閉耦合劑氣泵→探頭氣缸推桿下降→傳輸數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)→探頭定位塊和探頭氣缸推桿縮回。

為實現(xiàn)上述任務(wù)，該檢測系統(tǒng)配置1個攝像頭、1個直流無刷電機、1個增量編碼器、1個水平導(dǎo)軌、4個氣缸、2個氣泵、2個探頭定位塊、2個位移傳感器、2個超聲探頭和2個比例閥。其中直流無刷電機驅(qū)動無損檢測裝置在水平導(dǎo)軌上移動；氣動系統(tǒng)原理圖如圖3所示，比例閥控制氣缸的伸縮，而4個氣缸的其中2個用于探頭定位塊的伸縮，另外2個用于超聲探頭的伸縮。探頭定位氣缸和探頭定位塊通過萬向球頭連接，用于探頭的定位；探頭氣缸和探頭之間通過緩震彈簧連接，用于管壁測量。

圖3 氣動系統(tǒng)原理圖

3 氣缸定位控制

針對本控制系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能，以及STM32系列單片機集成度高，處理速度快，功耗低，抗干擾能力強等特點[6]。此次設(shè)計的主控芯片采用STM32系列中時鐘頻率達72MHz的STM32F103RCT6微控制器。系統(tǒng)通過STM32控制器從輸出接口發(fā)送PWM信號，經(jīng)過光耦間接驅(qū)動比例閥，由比例閥通斷控制氣缸的收縮，再由位移傳感器實時檢測的數(shù)據(jù)通過I/O反饋給單片機，單片機的控制程序計算出運行距離，最后結(jié)合專家PID控制使氣缸能準(zhǔn)確地運動至目標(biāo)位置，氣缸定位控制如圖4所示。

圖4 氣缸定位控制圖

STM32單片機通過專家PID控制器反饋的信號調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，并通過推挽輸出口來控制比例閥的工作，信號通過光耦能隔離保護弱電部分元器件，續(xù)流二極管可以在斷電時，自身消耗反電動勢，保護其他元器件不被損壞。單片機PWM輸出口的原理圖如圖5所示。

圖5 輸出口原理圖

3.1 氣動位置系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

氣缸位置的控制主要是對氣缸兩腔壓力的調(diào)節(jié)，下面對氣動比例閥控缸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行推導(dǎo)[7]。為簡化推導(dǎo)，作如下假設(shè)：工作介質(zhì)視為理想氣體；供氣壓ps和溫度Ts恒定，氣體流動狀態(tài)均為等熵絕熱過程；氣動氣路沒有泄漏，且氣缸內(nèi)氣體均勻；動態(tài)過程為小擾動。氣缸上下兩腔的壓力、容積、氣體密度分別為p1、v1、ρ1和p2、v2、ρ2。

理想氣體狀態(tài)方程：

式(1)中，R為理想氣體常數(shù)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流入氣缸氣體質(zhì)量流量等于容腔的質(zhì)量變化率：

按假設(shè)，過程溫度T1、T2和起始溫度T10、T20滿足絕熱條件：

式(3)中，k為絕熱指數(shù)，對空氣，k=1.4。

在小擾動假設(shè)下，設(shè)初始值在中間平衡位置，取p10=p20，T10=T20=T0，由于所用氣缸內(nèi)徑直徑和活塞桿直徑比為4:1，所以有桿腔截面積/無桿腔截面積=15:16，可以近似的看作V10=V20=V0，且dV=Ad Δy，再根據(jù)式(1)、式(2)，以及絕熱條件，可以得出流量連續(xù)性方程：

式中，Δpm=Δp1-Δp2。

閥口的氣體流動過程，采用Sanville流量公式：

式中，A為節(jié)流孔最小截面積，單位mm2；ps、p1均為絕對壓力，單位MPa；Ct為臨界壓力比，Ct=0.528。

由于通過滑閥氣體質(zhì)量流量僅與閥芯位移X和氣缸兩腔的壓力p1和p2有關(guān)，公式如下：

則零位附近線性化的壓力-流量特性為：

其中：

由上式可得：

根據(jù)牛頓第二定律，可列出氣缸活塞的力平衡方程：

其中，M為活塞及慣性負(fù)載質(zhì)量；f為粘性阻尼系數(shù)；FL為外負(fù)載力；Ff為摩擦力；y為氣缸輸出位移。

若忽略摩擦力，并降階處理，近似認(rèn)為面積相等，式(8)寫成增量形式：

由式(4)、式(7)和式(9)構(gòu)成閥控缸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

其中

得到活塞位移對閥芯位移的傳遞函數(shù)為：

實際工作系統(tǒng)中，k4很小，可忽略不計。

所以，式(11)中：

比例閥工作過程是：輸入電壓與反饋電壓通過反饋控制電路后產(chǎn)生信號電流，電流經(jīng)過線圈，產(chǎn)生電磁力使閥芯移動，輸出相應(yīng)氣體流量。電-氣比例閥的傳遞函數(shù)如下：

其中，ω0為比例閥的固有頻率，ξ0為比例閥的阻尼比，Ku為放大器的增益；Kfk為傳感器的增益；Kt為電磁力系數(shù)；Rc為控制線圈電阻；rp為放大器內(nèi)阻；Kb為線圈反電動勢常數(shù)；m為線圈組件的質(zhì)量；B為線圈組件的阻尼系數(shù)。

最后通過閥控缸數(shù)學(xué)模型式(11)和比例閥數(shù)學(xué)模型式(12)，可以得到氣動比例位置系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

實際應(yīng)用中，比例閥響應(yīng)速度較快，而動力機構(gòu)的固有頻率是控制回路中最低的，對系統(tǒng)的動態(tài)特性有決定性作用，所以系統(tǒng)傳遞函數(shù)可近似為：

3.2 專家PID控制器

考慮到普通PID控制在過程的啟動、結(jié)束或大幅增減時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，引起系統(tǒng)的較大超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)振蕩，這是在生產(chǎn)控制中必須避免的，所以系統(tǒng)控制采用專家PID控制，專家PID控制實質(zhì)就是，基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，無須知道被控對象的精確模型，利用專家經(jīng)驗來設(shè)計PID參數(shù)[8]。

專家PID控制器可根據(jù)響應(yīng)誤差及其變化進行設(shè)計，當(dāng)誤差絕對值朝減小方向變化，進行保持等待；當(dāng)誤差絕對值朝增大的方向變化時，需要根據(jù)誤差的大小分情況采取控制措施，以抑制動態(tài)誤差。下面分五種情況對該控制器進行控制設(shè)計：

1）當(dāng)|e(k)|＞M1，說明誤差絕對值已經(jīng)很大，應(yīng)實施開環(huán)控制，使誤差絕對值以最大速度減?。?/p>

2）當(dāng)e(k)Δe(k)＞0或Δe(k)=0，說明誤差絕對值增大方向變化或者誤差未發(fā)生變化，若|e(k)|≥M2，誤差較大，考慮實施較強控制作用，控制器的輸出為：

式中，k1為增益放大系數(shù)，k1＞1；

若|e(k)|＜M2，誤差并不大，考慮實施一般控制作用，控制器的輸出為：

其中M1、M2為設(shè)定的誤差界限，M1＞M2＞0；

3）當(dāng)e(k)Δe(k)＜0、Δe(k)Δe(k-1)＞0或e(k)=0，說明誤差絕對值朝減小方向變化，或已達到平衡狀態(tài)，可保持控制器輸出不變；

4）當(dāng)e(k)Δe(k)＜0、Δe(k)Δe(k-1)＜0，說明誤差處于極值狀態(tài)，如考慮實施較強控制作用：

式中，em(k)為誤差e的第k個極值；若|e(k)|＜M2，考慮實施較弱控制作用：

式中，k2為抑制系數(shù)；

5）當(dāng)|e(k)|≤ε，說明誤差絕對值很小，加入積分減少穩(wěn)態(tài)誤差。

根據(jù)上面推斷的出來的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，代入本系統(tǒng)的實際參數(shù)M=0.5kg，無桿腔面積A1=3.117×10-3m2，有桿腔面積A2=2.803×10-3m2，氣缸行程L=300mm，得出系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

在Matlab上進行模型仿真，輸入信號為一個階躍響應(yīng)曲線，PID參數(shù)設(shè)為kp=0.5，ki=0.01，kd=0.01分別得到專家PID控制器與普通PID控制器控制下的系統(tǒng)響應(yīng)輸出曲線如圖6所示。

從圖6專家PID控制器與普通PID控制器控制的仿真結(jié)果中可以看出，相對于普通PID算法，專家PID算法的調(diào)節(jié)時間短，約0.1s達到目標(biāo)值，是普通PID控制速度的兩倍，且曲線平滑幾乎沒有振蕩。因此可以得出專家PID控制器根據(jù)控制誤差絕對值的大小和變化方向?qū)崟r改進控制作用，從而使控制誤差迅速減小，相對于普通的PID控制器有較好的適應(yīng)性和魯棒性，提高了系統(tǒng)的工作速度。

4 上位機控制

爬壁機器人下位機系統(tǒng)把氣動檢測探頭放置到最佳位置，隨即超聲測厚儀對管壁進行測量，并把測量數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C，同時對數(shù)據(jù)進行處理、分析和保存。本文爬壁機器人采用的分級控制系統(tǒng)是通過上下位機實時通訊共同實現(xiàn)對檢測機器人的控制。為了更直觀的使上下位機進行無障礙交流，本設(shè)計基于VS2010平臺使用MSComm控件建立串口通訊，因為MSComm控件建立串口通訊較為方便，同時它是微軟基于組件模型（COM）開發(fā)的，因此穩(wěn)定性和運行效率很好[9]。圖7是本控制系統(tǒng)基于MFC設(shè)計的一套友好的人機交互界面，該界面簡單明了，可以使工業(yè)生產(chǎn)者快速上手，只要在PC與單片機之間建立相同的波特率、數(shù)據(jù)位和停止位，通過RS232通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)就可以實現(xiàn)對氣動檢測工作環(huán)節(jié)的控制。

上位機通過串口對超聲測厚儀測量數(shù)據(jù)進行實時采集，同時基于VS2010平臺編寫代碼，對采集的數(shù)據(jù)進行實時計算、判斷并顯示在人機交互界面上，有利于操作者對測量結(jié)果進行快速分析并做出相應(yīng)的對策。如圖7所示，上位機把下位機測得的連續(xù)10個管壁厚度實時顯示在界面上，并自動做出計算判斷，同時把所得數(shù)據(jù)保存到文件夾中，以便日后匯總檢查。

攝像頭將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，操作者可隨時了解機器人運行路況以及管壁是否有明顯傷痕等，猶如親臨現(xiàn)場，使該控制系統(tǒng)更加人性化。

5 結(jié)論

圖7 磨損檢測機器人的人機交互界面

本設(shè)計的鍋爐水冷壁磨損檢測爬壁機器人的分級控制系統(tǒng)上位機操作方便，人們不用親臨現(xiàn)場就可以控制機器人檢測動作并進行實時數(shù)據(jù)采集處理，還可以高效的處理龐大的數(shù)據(jù)并實時得出結(jié)論以便采取相應(yīng)對策，具有較高的智能化水平；系統(tǒng)下位機采用STM32控制電磁閥和專家PID控制算法對機器人氣缸進行定位控制，并通過仿真實驗驗證該控制算法比傳統(tǒng)的PID控制算法更加優(yōu)化，大大提高了工作效率。綜上所述，該控制系統(tǒng)采用集成度高的STM32F103RCT6單片機和精度靈敏的超聲測厚儀，實現(xiàn)氣動檢測準(zhǔn)確控制，且結(jié)合了穩(wěn)定的串口通訊和友好的人機交互界面，完全能夠勝任枯燥危險的鍋爐水冷壁磨損檢測工作，具有較大的實用價值。

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