Специальность 05.02.05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы». и проведение исследований эффективности разработанных струк-тур и алгоритмов путем моделирования в среде Matlab Simulink.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
На правах рукописи





Кадхим Дхиргаам


УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ КОЛЕСНОГО РОБОТА

В ТРУБОПРОВОДАХ С ПЕРЕМЕННЫМ ПРОХОДНЫМ СЕЧЕН
И
ЕМ



Специальность 05.02.05

Роботы, мехатроника и робототехнические си
с
темы







Автореферат

диссертации на соискание

учено
й степени

кандидата технических наук



Владимир 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО Владимирский государственный униве
р
ситет им
ени

А
лександра
Г
ригорьевича

и Н
иколая
Г
ригорьевича

Столет
о
вых


Научный руководитель:


доктор технических наук, профе
с
сор,


заслуженный рабо
т
ник

высшей школы РФ

Егоров И.Н.



Официальные оппоненты:


доктор технических наук, профе
с
сор



Т
атмышевский К.В.


кандидат технических наук


Захаров А.В.



Ведущее предприятие:



КГТА им. В.А. Дегтярева
, г.

Ковров.


З
ащита состоится 



июня

201
1

г. на заседании диссертационного с
о
вета Д.212.025.05 Владимирского государственного университета по адр
е
су: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211
-
1.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью,
п
росим направить ученому секретарю с
овета по указанному выше адресу.

Т
ел
. (4922) 479
-
928, e
-
mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского г
о
сударственного университета. Автореферат размещен на сайте .vlsu.ru

Автореферат
разослан 


мая 2011

г.






Ученый

секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент


Е.А. Новикова

1



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования
.

Важнейшей составной частью энерг
е
тическог
о комплекса являются магистральные
газо
-
, нефте
-

и нефтепр
о
дукто
-
трубопровод
ные системы

и

трубопровод
ы

газораспределительных
сетей
.
Из общего числа отказов трубопроводов

примерно 23 %

отказов
приходится на долю дефектов
геометрии

типа овализации
,

образован
ий
вмятин, гофр и других дефектов

приводящих к изменению проходного с
е
чения трубопроводов
.

В
недрение многоуровневой интегрированной системы обследования
технического состояния

трубопроводов
, диагностирования

их,

проведен
и
ия
мониторинга

и ремонтно
-
восстанов
ительных работ

является о
дним из
путей обеспечения эксплуатационной надежности трубопроводов
.

Знач
и
тельный вклад в обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводов
внесли ученые
академических и
отраслевых институтов

АН Р
есп.
Б
ашко
р
стан,

ИМАШ

им. А.
А
.
Благонравова

РАН
,

ИМЕТ им.

А
.
А
. Байкова

РАН,
ИПТЭР

Минэнерго РФ
,

ОАО 
В
Н
И
ИСТ
,
ООО Газпром
ВНИИГАЗ

,

ОАО 
Г
ипротрубопровод,

лабораторий и кафедр ВУЗов

(
РГУ
НГ

им
.

И.М.

Губкина,
МГТУ им.
Н.
Э. Баумана
,

У
фимского гос.

нефт.

техн.

ун
и
верситета,

Ухтинск
ого

ГТУ
, Тюмен
ского ГНГУ
)

и других научных це
н
тров стр
а
ны.

О
собенност
ью

дефектоскопии

нефте
-
газотрубопроводов
,
в т.ч. труб
о
проводов газораспределительных сетей
является

выполнение внутритру
б
ной диагностики в условиях переменности
поперечного сечения вследс
т
вие на
личия: дефектов формы типа овализации, вмятин, гофр; плановых
изгибов, сужений и других изменений диаметра трубопровода; внешних
включений в виде загрязнения и посторонних предметов.

На пе
р
вом этапе
внутритрубной дефектоскопии трубопроводов по РД
-
51
-
2
-
97 о
пределяю
т
ся особенности и дефекты геометрии вмятины, гофры, овальности, спл
ю
щивания, сужения, вызывающие уменьшение его проходного сечения.

Протяжѐнность 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 протяжѐнность
всех магистральных трубопроводов.
Поэтому с
оздание
мобильных роботов МБР д
ля технической диагност
и
ки состояния, неразрушающего к
онтроля и ремонтно
-
восстановительных
работ внутри трубопровод
ов
газораспределительных сетей

-

одно из пе
р
спективных направлений развития современной робототехники и мехатр
о
ники.

О
дним из путей
обеспечения требуемого качества
выполнения опер
а
ций

внутритруб
ной диагностики и ремонта трубопроводов региональных

2


газопроводов и газопроводов
-
отводов среднего и высокого давления
в п
о
добных у
с
ловиях является п
рименение
адаптивных
М
Б
Р
.


Диссертационная работа основывается на результатах, достигнутых
научными коллект
ивами под руководством С.Ф.

Бурдакова, В.Г.

Градецк
о
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., Glvez J.A., Ho
-
rodinca

M.
, Komori M., Lee S., Okamoto J., Sukhatme G. S., Suzumo
ri

K. и др.

Рассматриваемая в диссертации проблема позиционно
-
силового
управления перемещением адаптивных М
Б
Р при выполнении технолог
и
ческих диагностических операций внутри трубопроводов в условиях п
е
ременности их
поперечного сечения

и действия внешних связей
,
обусло
в
ленных взаимодействием робота с поверхностью трубопровода

является
актуальной.

Целью диссертационной работы

является
расширение технологич
е
ских возможностей при проведении

внутритрубной
д
ефектоскопии

труб
о
проводов региональных газопроводов и газопроводов
-
отводов среднего и
высокого давления посредством
применения диагностических
колесных
М
Б
Р

с позиционно
-
силовым управлением.

Для достижения поставленной цели

в диссертации реш
аются

следу
ю
щ
ие задачи:



а
нализ
кинематических схем механизмов

поджатия колесных
модулей
М
Б
Р

к поверхности трубопровода

с целью создания адаптивной
системы передвижения в условиях переменности
поперечного сечения

трубопровода;



р
азработ
ка

кинематически
х

и динамически
х

модел
ей


колесн
о
го
М
Б
Р

при прохождении прямолинейных участков, отводов и
тройников

трубопр
о
вод
а;



анализ и разработка
структур и
алгоритмов кинематического и

динамического управления движением М
Б
Р в условиях переменности тр
а
ектории перемещения и поперечног
о сечения трубопровода;



анализ возможности
распознавани
я

движущимся диагностич
е
ским роботом круглых дефектов типа несплошности в виде круглого о
т
верстия
,

плавного изменения толщины круглой формы с остаточной гл
у
биной и определени
я координат их местополо
жения;



п
рове
дение

и
сследовани
й

эффективности

разраб
отанных

стру
к
тур и
алгоритмов

путем

моделирования

в среде Mtl Siulink.

Методы исследования.

При

решении

поставленных

задач

в

работе

использова
ны

методы
теори
и

автоматического

управления
, дифференц
и
ал
ьных
уравнений
,

теоретической

механики
,

робототехнических

систем

и
м
а
тематического

моделирования

динамических

систем
.

Научная новизна.

В

работе

получены

и

выносятся

на

защиту

осно
в
ные

результаты
,
обладающие

научной

новизной
:


3




к
инематически
е

и динамически
е

модел
и

колесного
М
Б
Р, позв
о
ляющих создать новые алгоритмы управления
систем
ой
его

передвижения

внутри тр
у
бопроводов с

переменным поперечным сечением
;




структуры
а
даптивн
ой

систем
ы

передвижения
робота со стаб
и
лизацией силы прижатия

его колесных модулей

к вн
утренней поверхн
о
сти
трубопровода
в условиях
переменности

проходного сечения;



структур
но
-
алгоритмическое обеспечение

нечеткой

систем
ы

п
о
зиционно
-
силового

управления

движением в условиях
действия внешних
связей,
переменности

геометрии внутренней поверхност
и трубопровода

при

отсутстви
и

проскальзывания колесной системы роб
о
та
.

Практическая
ценность

работы заключается в следующем:



р
азработана

методика
определения параметров системы пер
е
движения
электромеханического

колесного робота внутри трубопроводов
с
п
е
ре
менной
геометрией
;



п
редложены альтернативные варианты

компоновки

систем
адаптации поджатия
колесн
ых модулей робота;



р
азработана методика

анализ
а

характеристик
систем
ы

передв
и
жения
диагностического робота
на основе

моделировани
я

его
взаимоде
й
ствия с
внутре
нней п
о
верхностью трубопровода
;



р
азработана к
омпьютерная

Simulink
модель

и

программа

мод
е
лирования

системы

нечеткого


позиционно
-
силового

управления

перем
е
щением

диагностического мобильного

робот
а
.

Внедрение результатов исследования
осуществлено
в г/б НИР

572/09 университета
при

проектировани
и

систем

с неполностью набл
ю
даемой регулируемой координатой

и в учебный процесс

специальност
и

220401 "Мехатроника"
по дисциплинам 
Интелле
к
туальные мехатронные
системы
 и 
Электромеханические и мехатронные системы
.
В

диссерт
а
ции имеются соответствующие акты внедр
е
ния.


Апробация работы.

Основные

положения

диссертационной

работы

докладывались

на
: 6
-
й

Междунар
.

научной

конфер
.

по

матема
т.

теории
управления и механике,
Суздаль
, 2007;
научно
-
технич
.

к
онфер
.


Мехатр
о
ника
,
автоматизация
,
управление
 MA
У
-
2008),
СПб
, 2008;
Междунар
.

н
а
учной

конфер
.

по

дифференц
.

уравнениям

и

динамике систем
,
Суздаль
,
2008;

Междунар
.

научной

конфер
.

по

математич
.

теории

управления

и

м
е
ханике
,
Суздаль
, 2009;
Междунар
.

научно
-
технич
.

конфер
.


Со
стояние

и

перспективы

развития

электротехнологий
 XV
Бенардосовские

чтения
),
Иваново
,
ИГЭУ

им
.
В
.
И
.
Ленина
, 2009; Девятом

Междунар
.

симпозиум
е

Интеллектуальные
с
истемы,

INTELS

2010
ВлГУ
; заседании кафедр А
в
томатические и мехатронные системы и Автомати
зация технологич
е
ских проце
с
сов; научно
-
технической конференции ВлГУ
.


4


Публикации.


Основные

результаты

диссертационной

работы

опу
б
ликованы в

десяти

печатных

работах
, в т.ч.
трех

стать
ях

-

в
изданиях

из
перечня ВАК.

Структура и объем работы.


Диссертация

состоит

из

введения
,
ч
е
тырех

глав
,
заключени
я,
списка

литературы

и приложения.

Объем осно
в
ного содержания работы составляет
1
57

страниц, включая
1

таблиц
у
,
9
4

рис
унк
а
,

2 страницы приложени
й

и
список литературы из 122

наименов
а
ни
й
.




КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБ
ОТЫ


Во введении

обоснована

актуальность

темы

диссертации
,
описыв
а
ются

цель

и

задачи

диссертации
,
определена

область

исследования

и

пок
а
зано

ее

практическое

значение
.

В первой главе

представлен аналитический обзор областей примен
е
ния

подвижных

колесных роб
отов;
приведена их

классификация, рассмо
т
рена обобщенная структура

и устройство управления
системы передвиж
е
ния

мобил
ь
ного ро
бота М
Б
Р
.

Показано, что дефектоскопия

газоотводов низкого и среднего давл
е
ния

с помощью
диагностического снаряда магнискана
, в
следствие пер
е
мещения его с
многочисленны
ми
останов
ками

на сужениях и

кольцевых
сварных швах вызывает серьѐзные технологические трудности. В снарядах

традиционной конструкции реализация плавного продвижения через с
у
жения трубопровода
также
невозможна, что
приводит к потере диагност
и
ческих данных на многих участках газопровода. В последнее время

в
газ
о
проводах

для решения проблемы неравномерности движения
диагностич
е
ских средств
используются снаряды с управляемым байпасным отверст
и
ем или
применение
м

активны
х

подвижных манжет.
Поэтому, в ряде случ
а
ев, наиболее эффективным средством реализации
технологи
и

внутритру
б
ной д
иагностики газопроводов

является применение

дефектоскоп
ов, п
е
ремещаемых с помощью мобильных роб
о
тов.

В качестве базового варианта
транспортно
г
о

устройств
а

МБР, учит
ы
вая необходимость

прохождения отводов, наклонных и особенно верт
и
кальных участков трубопровода

рассматривается трехсекционн
ая

9
-
ти к
о
лесн
ая

систем
а

с лучеобразной кинематической схемой и
самотормоз
я
щимся
вентильным исполнительным
пр
и
водом.

Анализ
исследовани
й

в области создания колесных M
Б
P
,

работающих
в условиях переменности поперечного сечения
и действия
связей
выявил
не
обходимость

оснащения систем передвижения

роботов

механизмами
адаптации поджатия колесных модулей МАПКМ к внут
ренней поверхн
о
сти трубопр
о
водов.


5


Вторая глава

посвящена анализу динамики
и синтезу электроприв
о
дов
ЭП
системы передвижения колесных М
Б
Р

СПР

с учетом позицио
н
но
-
силового
взаимодействия

колесных модулей КМ с поверхностью тр
у
бопровода
.

Исходя из анали
за особенностей компоновок и конструкций М
Б
Р
предложена обобщенная

функциональн
ая

схем
а

адаптивной
системы пер
е
дв
и
жения колесного MP
, показанная на
рис.1
.

У
правляющие воздействия с
устройства

управления движением поступают на

блок
исполнительны
х

привод
ов
,
где преобразуются в силовые потоки, приводящие в движение
КМ и механизм адаптации поджа
тия КМ
.
На основе информации с датч
и
ка
или наблюдателя проскальзывания изменяются алгоритмы управления
СПР и МАПКМ.



Рис. 1. Функциональная

схема адаптивной системы

передвижения колесн
о
го М
Б
Р

Для исключения проскальзывания необходимо увеличивать силу да
в
ления ведущих КМ на поверхность трубопровода с помощью механи
з
мов
пассивной или активной адаптации поджатия движителей
.

Активная ада
п
тация п
оложения КМ при изменении диаметра поперечного сечения тр
у
бопровода осуществляется

путем

управляемого углового или линейного
перемещения КМ с помощью двигателей М
1
i

2
i

(
i
=1
,
2,3
 приводов вращ
а
тельного или линейного типа.

Настройка диаметра робота п
ри изм
енении
поперечного сечения

тр
у
бопровода

осуществляется регулированием
длин
ы

базы крепления L
I
,
L
II

КМ

и, соответственно
углов наклона
и

рычажно
-
параллелограммных
подпружиненных м
е
ханизмов РППМ
.

Если нормальна
я сила равна
N
=
F
Т
/3µ, то силы в каждой опоре и н
а
строечные параметры МАПКМ при весе робота
G

определяются следу
ю
щими выражениями:


6


;


(
1
)

;


(
2
)

;



(3)


.


(4)

Увеличение количества секций системы передвижения до трех и пр
и
менение м
е
ханизмов комбинированной пассивно
-
активной адаптации
рис.2, позволяет проходить не только прямолинейные уч
а
стки, но также
отводы, тройники и разветвители

трубопроводов, в т.ч. при наличии пр
е
пятствий и вертикальном расположении труб
о
провода.


Рис.2. Кинематическая схема МБР с 3
-
х секционной системой передвижения и
механизмом комбинированной адаптации поджатия КМ:

РВП
-
роликовинт
овая пер
е
дача;1,2
-

электродвигатели с самотормозящимися червячными передачами, обеспеч
и
вающие вращение всех КМ робота; L, L
1
,L
2
-

длины звеньев
E
D,D
K
,
K
N; α β,
-

углы ме
ж
ду звеньями
E
D,
K
N и осью X;
-

угловая ориентация робота;
-

угол наклона труб
о
провода; Np
-

сила поджатия КМ к поверхности трубопровода;

и



реа
к
ция поверхности трубопровода на два ведущих колесах из
-
за веса робота;
и


проекции силы
F
,

действующей на звено 4; С, 
-

коэффициент жесткости и перем
е
ще
ние пружины.

Комбинированная адаптация к изменению диаметра трубопровода
обеспечивается применением активного механизма на базе мехатронного
модуля линейного

перемещения состоящего из роликовинтовой передачи

7


РВП, вентильных двигателей фирмы
Maxon
, подвижного звена 4 и упр
у
гого кинематического звена в виде пружины, св
я
занной с корпусом 5.

Величина перемещения пружины механизма адаптации равна:

.


(5)

Уравнение равновесия сил и реакций связей без учета 
,
)

м
о
жет быть записано в следующем виде:



(6)

Откуда, получаем:

.


(7)

С учетом 
,
)



(8)

находим тяговую силу колеса мобильного робота

;


(9)


,


(10)

где




(
11
)



Система управления
ЭП механизма

активной адаптации
поджатия КМ
представляет собой двухканальную систему с переменной структурой,
реализующей алгоритм независимого
ПСУ

рис.3
.



8


Рис.
3
. Структурная схема Э
П

механизма адаптации поджатия КМ с независимым
ПСУ:

ИМ
-
исполнительный вентильный механизм;
,
,
,

-

задания диаме
т
ра трубы, тяговой силы, угла наклона трубопровода и у
гловой ориентации р
о
бота.


На первом этапе, после изме
нения

диаметра труб
опровода

КМ

по
д
жимаются к внутренней поверхности трубопровода с силой

(
)
, обесп
е
чивающей необходимое сцепление.
Перемещение

робота осущест
в
ляется в
режиме нечет
кого импедансного управления с одновременной стабилиз
а
цией силы поджатия колес за счет соответствующих наблюдателей и н
е
четких регуляторов. При появлении препятствий, в т.ч. вследствие разры
в
ности поверхности трубопровода осуществляется переход на чисто сил
о
вое управление приводом адаптации или управление с силовым доминир
о
ван
и
ем.

Переменность

поперечного сечения и

геометрии профиля трубопр
о
вода являются одними из важных параметров,
определяющ
их

структуру
системы ЭП и алгоритм управления
перемещения
робота
.
Основой предл
а
гаемой адаптивной системы передвижения
МБР
является применение п
о
зиционно
-
силового управлен
ия вентильным

ЭП, самотормозящихся мех
а
нич
е
ских передач СМП, соответствующих информ
ационных устройств и
упругих звеньев второго рода в виде
РППМ
. Система приводов движения
представляет собой три групповых замкнутых электропривода. Исполн
и
тельный электродвигатель каждого ЭП через СМП и передающие устро
й
ства приводит в движение 3 колесных
модуля расположенных в 3
-
х пара
л
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 разрывн
ой правой частью. Нелинейное
динамическое передаточное отношение СМП представлено в виде особ
о
го

9


нелинейного звена типа Ψ
-

ячейки. Поэтому, динамика ЭП рассматривае
т
ся как динамика нелинейной системы с существенно неидеальными связ
я
ми. Основными методами
анализа и синтеза

данной системы ЭП явля
ю
тся
приближенн
ые

метод
ы

гармонической линеаризации

и

цифровое модел
и
рование в среде
Simulink

MatLab.

В третьей главе

приводятся результаты работы по созданию

к
инем
а
тически
х

и динамически
х

модел
ей
с расчетными схемам
и
системы пер
е
движения колесного М
Б
Р в отводах и тройниках трубопровода, синтезу
нечеткого регулятора для ЭП механизма адаптации

с ангулярной кинем
а
тикой

и
алгоритма у
правлени
я

в условиях нестационарности параметров
изображения

дефектов трубопровода

и поло
жения
перемещающегося р
о
бота
.


Кинематические и динамически
е

модел
и отражают
характер взаим
о
действия
колесного
движителя с поверхностью трубо
провода
, параметров
робота вес, размер
ы
 и характера его движения по поверхности
труб
опр
о
вода

с

различными

величин
ами относительных
угл
ов

наклона
.


Перемещение центра тяжести колесного М
Б
Р в проекциях на декарт
о
вы
х

ос
ях

коорд
и
нат имеет вид:



г
де
геометрически
й

параметр
;
координаты местоп
о
лож
е
ния цент
ра тяжести колесного М
Б
Р.

Р
адиус вектор
,
определяющ
ий

расстояние от центр
а

криволинейного изгиба
труб
ы до точек соприкосновения ведущих колес с

поверхностью труб
о
провода

можно

записать

в

виде
:




(1
2
)

г
де
D
-

диаметр труб
опровода
;

угловая ориентация
центра
робота

на
оси
Х
, который может отражать его вращен
ие вокруг центральной оси
тр
у
б
опровода
.

Из 1
2
 может
быть
получен
ы

следующи
е

выражения для
нормальн
ой

реакци
и

поверхности стен
ки трубы на
тре
х ведущих колесах р
о
бо
та
:


,


(
13
)


10



г
де


угл
овая ориентация центра робота
относительно

оси
Y
.

М
атематическ
ая

модел
ь

колесного

МБР

при движени
и

в изгибе трубы
на основе
уравнений Лагранжа

может быть зап
и
сана
в виде:



(
14
)

г
де

вектор

абсолютных

линейных

и угловой
скоростей

р
о
бота
;

вектор

масс

и моментов инерции

ро
бота;

вектор

линейных

скоростей

ведущих
к
о
лес

робота
;


вектор

напряжени
й

управления
электроприводов
;



-

конструктивные
коэффициенты
двигателя;


радиус кол
е
са.

Управление движением в частях трубопроводов с изгибами и отвод
а
ми является двухканальным: управление движением за счет взаимосвяза
н
ного позиционного управления ЭП колес; обеспечение постоянного ко
н
такта колес с поверхностью трубопрово
да

при решении задачи стабилиз
а
ции силы прижатия.


Одна из проблем диагностики состояния поверхности магистральных
и распределительных газотрубопроводов заключается в распознавании
движущимся диагностическим роботом круглых дефектов типа неспло
ш
ности в ви
де круглого отверстия и плавного изменения толщины круглой
формы с остаточной глубиной и определении координат их местопол
о
жения. Диагностика подобных дефектов в распределительных газопров
о
дах с помощью магнисканов практически невозможна вследствие нера
в
номерности передвижения снарядов. При ультразвуковой диагностике
,
в
следствие использования большого числа датчиков и сложных алгори
т
мов обработки информации резко возрастают объем электроники, потре
б
ляемая мощность и, как следствие, число секций и длина вн
утритрубного
дефектоскопа.

Поэтому, при решении подобных задач целесообразно применять и
н
теллектуальные

МБР,

оснащенных
гибридными
системами
, состоящими
как из подсистем управления перемещением, так и подсистем

видеодиа
г
ностики и телеинспекции трубо
проводо
в. И
дентифи
кация

местонахожд
е
ния, формы и размеров

круглых дефектов
осуществляется
с помощью в
и
зуальных алгоритмов и системы нечеткого управл
е
ния.

В четвертой главе

приводятся результаты

моделировани
я

системы

траекторного

управления

перемещением
колесного

робота

на

основе

ра
з
работанных

кинематической
,
динамической

и

нечеткой

мод
е
лей
.



11


С
истема

управления

движением

на

основе

динамической

модели

п
о
казана на рис.4
.
В

общем

случае

процедура

управления

включает

этапы

решения

обратной

динамической

задачи

и
с
и
лово
го
управления
.



Рис
.

4
.
С
труктура системы управления
движением

на основе

динамич
е
ской

и

кинематической

модел
ей
:
,

,
,
,
,
-

задания траектории

и
ошибки

по
осям
X
,
Y

и углу изгибу труб
опровода
;

,
,

-

упра
в
ляющие
воздействия
вдоль осей
;

,
,
,

-

задания
линейной
угловой скорости
;


-

ошибка линейн
ой

скорости

по оси Х
;
,
,

-

управление по угловой
и

линейным скоростям вдоль осей
;

и
сигналы
задания
электромеханически
х

приводов;
,

и

продольная, поперечная и углов
ая

скорости

мобильного р
о
бота.



С
труктур
а

системы слежения

МБР с

автомобильной компоновкой
шас
си

за программной траекто
рией
, в общем случае рассмотрена в раб
о
т
ах

С.Ф. Бурдакова и И.В. Мирошника.
Поскольку системы уравнений,
описывающие случаи взаимодей
ствия колесного М
Б
Р с поверхностью
трубо
провода
, не имеют аналитического решения, позволяющего учит
ы
вать отрыв колес от поверхности, нелинейность тяговых усилий и сил с
о
противления движению на
КМ

т.п., то требуется разработка соответс
т
вующих компьютерных м
оделей
.
Д
ля получения дополнительной инфо
р
мации о форме и особен
ностях
поверхности трубопровода мо
гут

быть и
с
пользован
ы

датчик
и

или наблюдател
и

сил и м
о
ментов
.


При перемещении М
Б
Р в трубопроводе реализуется принцип движ
е
ния в желаемом направлении вдоль н
аложен
ных на него удерживающих
связей
, который позволяет формировать квазипрограммную трае
к
торию
движения. С точки зрения позиционно
-
силового управл
ения это нечеткое
импедансное управление.


Рассматриваемая
в диссертации
система управления имеет три обра
т
ных связи: по положению, силе и главную обратную связь с импедансным
р
е
гулятором. Нечеткий механизм адаптации изменяет импеданс обратной
связи в соответствии с невязкой между фактическим и жела
тельным зн
а

12


чением силы
. Нечеткий регулятор механизм адаптации
 имеет два входа:
первый вход

-

отклонение текущего значения силы от требуемого зн
а
чения силы; второй вход


аналог производной от силы
. Выход нече
т
кого регулятора
-

, которые обеспечи
вают адаптацию параметров
импедансного регулятора. Блок нечеткого устройства самонастройки обе
с
печивает пр
о
хождение
возникающих

в трубопроводе препятствий
.

Моделирование характерных режимов

работы

МАПКМ

диагностич
е
ского

робота
с позиционно
-
силовым управлен
ием в условиях изменения
п
о
перечного сечения трубопр
о
вода
о
существлялось

в среде Siulink
MATLAB

рис.5
.

Модели различных подсистем, входящих в состав модели системы
управления МАПКМ показаны на рис. 6: п
одсистем
а

расчета задания ос
е
вой силы рис.

6,
а;

линейного электропривода рис.

6,
б;

расчета параме
т
ров


и
рис.

6,
в.



Рис. 5. Структурная схема модели МАПКМ

с

позиционно
-
силов
ым

управл
е
ни
ем



а



13



б


в

Рис. 6. Подсистемы моделирования

МАПКМ


На р
ис.
7

приведены результаты исследования
зависимости
про
дол
ь
ных скоростей
,
,

1,2 и 3
-
го ведущих колес

М
Б
Р

при перемещ
е
нии в
отводе

труб
опровода

диаметр
ом 250 мм

от
угловой ориен
таци
и

трубопровода
.



14







Р
ис. 7. Результат
ы

моделирования продольной скорости
,
,

1,2 и 3
-
го
в
е
дущ
их

колес М
Б
Р в отводе трубопровода диаметром 250мм

при различной угл
о
вой ориентаци
и

труб
о
провода
.












15


Р
езультаты
исследования

зависимости
скорост
ей
движения ведущих
колес
,
,

МБР в отводе трубопровода

диаметром 300мм и 350 мм
от

угло
вой ориентации

при
ведены в диссертации.

На рис. 8 и рис. 9

пр
и
ведены графики
изменения

осевой силы Fос и
силовой
ошибки в си
с
теме с нечетким рег
улятором для механизма адаптации внутритрубного
робота
при перемещении в

трубопровод
е диаметром

250мм, 300мм

и
350мм
при

следующи
х

значения
х

к
о
эффициентов
:


.


Рис.
8
. Изменение осевой силы Fос
МБР в труб
опроводе с диаметром:

250мм,
300мм, 350мм.


Рис.
9
. Ошибка осевой силы

МБР в
трубопровод
е

с

диаметр
ом:

250мм,
300мм, 350мм.




16


Из данных рисунков следует, что

с увеличением диаметра труб
опр
о
вода

величина осевой Fос и оши
бки
уменьшается.

Основные результаты и выводы

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

1
.
На
основе
анализ
а

методов управле
ния
перемещением
диагност
и
чески
х устройств в трубопроводах

разработ
ана структура

нечеткой
поз
и
ционно
-
силово
й

системы
, позволяющей

управл
ять

перемещением
коле
с
ны
х

диагностически
х

роботов

в трубопроводах газораспределительных с
е
тей с переменным поперечным с
е
чением
.

2
. Предложена
кинематика системы перемещения
адаптивно
го

коле
с
но
го

робота
обеспечивающая

стабилизаци
ю

силы прижатия к внутренней
поверхности
трубопровода
в условиях
переменности

его
геометрии
и п
о
перечного сеч
е
ния.

3
. Разработана методика анализа
к
инематических и динамических
х
а
рактеристик систем
ы

пере
мещения

робота

на основе моделирования вза
и
модействия колесн
ых модулей

робота с внутренней поверхностью труб
о
провода.

4
.
Н
а основе разработанных кинематич
е
ских и динамических моделей
мобильного робота
п
редложены алгоритмы управления движением м
о
бильного робота
в трубопроводе с переменной геометрией.

5
. Разработан алгоритм и структура адаптивной
систем
ы
позиционно
-
силового

управления

обеспечивающая
движение

диагностического робота

в условиях действия вн
ешних свя
зей, изменения
геометрии и
поперечного
сечения
трубопровода с обеспечением отсутствия проскальзывания коле
с
н
ых модулей.

6.

Рассмотрен
ы

алгоритм
ы

обработки изображения подвижных объе
к
тов
, позволяющие

распознава
ть

круглы
е

дефект
ы

типа несплошности
в
виде круглого отверстия

и

плавного изменения толщины круглой формы с
остаточной глубиной
.

7
. Разработана к
омпьютерная

Simulink
модель

и

программа

моделир
о
вания

системы

нечеткого

позиционно
-
силового

управления
, обеспечива
ю
щая исследование перемещения
М
Б
Р в трубопроводе

с
дефектами

геоме
т
рии
.

8. Проведенное цифровое моделирование подтвердило высокую э
ф
фективность нечеткого позиционно
-
силового управления движением и
ориентаци
ей МБР

в условиях
изменения

геометрии и
поперечного сечен
и
я

трубопровода.





17





Ос
новные положения диссертации опубликованы в следующих

р
аботах


Статьи, опубликованные в журналах по перечню ВАК

1.

Егоров И.Н., Кадхим Д.А. Управление технологическим оборудов
а
нием в условиях нестационарности параметров изображения и полож
е
ния
подвижного

объе
кта

/

Проектирование и тех
нология электронных средств,
2009
, вып.



3.
-

С
.

65
-
70.

2.

Егоров И.Н., Кадхим Д.А.

Управление перемещением диагностич
е
ских роботов в трубопроводах с переменным поперечным сечением. Н
а
учно
-
техниче
ский вестник Поволжья, 2011, №2
.
-

С
.

82
-
86.

3.

Егоров И.Н., Кадхим Д.А. Применение колесных мобильных роботов
при внутритрубной дефектоскопии трубопроводов с переменным попере
ч
ным сечением

//

Электронный нау
чный журнал "Нефтегазовое дело".

2011.
№ 3.

URL
:
http://www.ogbus.ru/authors/

Egorov

I
.
N
./
Egorov

I
.
N
.
_3.
pdf

.
-

1
2

С
.


Статьи в научных журналах

4.

Могош М.А.
,
Кадхим Д.А. Гибридная модель робота с дистанцио
н
ным управл
е
нием по сети Интернет. В мире научных открытий, №3, часть

2.

-

Красн
о
ярск: НИИЦ, 2
009.


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 управ
ления 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
В
серосс
.

н
а
учно
-
технич
.

конфер
.

с междунар
.

участием Экстремальна
я робототехн
и
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
.

Бенардо
сов
ские чтения

.
Состояние и перспект
и
вы развития электротехнологии: материалы конференции
-
Иваново
, ИГЭ
У
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
управл
ени
я

и м
е
ханике: тезисы докладов.
-

Владимир: ВлГУ. 2009.
-

С. 69
-
70.


18


9.

Kadhim

D
.
A
.
Modulation

Motion

of

mobile

wheeled

robot

in

pipelines
.
Междунар
.

конфер
.

по

математ
.

теории

управления

и

механике
:
тез
.

докл
а
дов
.
-

Владимир
:
ВлГУ
. 2009.
-

С
. 163
-
164.

10.

Егоро
в 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 упра
в
ления.























Подписано в печат
ь 20.05.11.

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

Заказ

Издательство


19


Владимирского государственного университета

600000, Владимир, ул. Горького, 87.


Приложенные файлы

  • pdf 30045627
    Размер файла: 704 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий