基于PLC的自動噴砂機伺服控制系統(tǒng)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(shù)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(fā)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(yù)處理的主要方法。海底管道的補口區(qū)域作為整個管道防腐的瓶頸部位，其表面除銹處理的質(zhì)量直接影響海底管道失效事故發(fā)生的頻率[1]。目前，干噴砂除銹技術(shù)由于其環(huán)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(shù)和超高壓水除銹技術(shù)雖然避免了環(huán)境污染，但是濕噴砂后易產(chǎn)生浮銹，而超高壓水除銹技術(shù)價格高昂，還不能被廣泛采用[2]。

環(huán)保型管道自動噴砂除銹機的開發(fā)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(nèi)減少環(huán)境污染，改善工人勞動環(huán)境，提高作業(yè)效率，并保證補口質(zhì)量。由于自動噴砂機通常在工況條件惡劣的環(huán)境中使用，這對控制系統(tǒng)提出了更高的要求，其控制系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了設(shè)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(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出了三閉環(huán)控制系統(tǒng)方案和非線性應(yīng)對措施，保證了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，有效地抑制隨機干擾，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)

自動噴砂除銹機運動系統(tǒng)可簡化為一類串聯(lián)式機構(gòu)。運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1，圖中A為運動系統(tǒng)本體，B為運動系統(tǒng)移動導(dǎo)軌，C為管道，D為噴砂補口區(qū)。由圖1可知，運動系統(tǒng)的進給方式包括沿軌道運行方向的回轉(zhuǎn)進給，沿管道軸向的軸向進給。當運動系統(tǒng)沿著導(dǎo)軌做圓周運動時，其回轉(zhuǎn)進給運動可以轉(zhuǎn)化為繞管道軸向的旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)半徑為r+r1。建立坐標系和系統(tǒng)機構(gòu)如圖2所示，則機器人的運動可以簡化為關(guān)節(jié)1繞x軸的旋轉(zhuǎn)運動，關(guān)節(jié)2沿x軸的平移運動。

圖1 運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 自動噴砂除銹機的運動學(xué)分析

根據(jù)圖2中所示結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的運動學(xué)分析[3]，并在此基礎(chǔ)上討論其控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)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(zhuǎn)角度為θ，旋轉(zhuǎn)半徑為r+r1。

圖2 機構(gòu)簡圖

根據(jù)坐標旋轉(zhuǎn)變換法則，繞x軸的旋轉(zhuǎn)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(xué)模型為：

將上式反解，推出逆運動學(xué)模型為：

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 三閉環(huán)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)控制的核心是要進行精確的位置控制，而響應(yīng)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(tǒng)采用位置、速度雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)；同時根據(jù)本系統(tǒng)對電機輸出扭矩的要求，在速度環(huán)的內(nèi)部嵌套了電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，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(zhuǎn)矩的動態(tài)過程?？刂葡到y(tǒng)原理見圖3。

圖3 三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)原理示意

對速度環(huán)和電流環(huán)組成的閉環(huán)結(jié)構(gòu)而言，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，其構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。作為內(nèi)環(huán)的電流調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化，對電壓的波動起及時抗擾的作用，在調(diào)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。對位置環(huán)和速度環(huán)組成的閉環(huán)結(jié)構(gòu)而言，速度環(huán)作為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)作為外環(huán)，其構(gòu)成位置、速度雙閉環(huán)定位系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 非線性分析

非線性對系統(tǒng)的性能有很大的破壞作用，甚至可以導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作[5]。按照控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外圍組成，本系統(tǒng)屬于典型的雙閉環(huán) （位置環(huán)和速度環(huán)）控制系統(tǒng)，對于參數(shù)變化和擾動對系統(tǒng)狀態(tài)的影響，除了依靠系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)部，非線性包括摩擦非線性、間隙非線性、死區(qū)非線性和飽和非線性等。其中間隙非線性是系統(tǒng)中一種常見的非線性因素， 是機構(gòu)傳動間隙所引起的，主要發(fā)生在伺服系統(tǒng)的啟動和換向時刻，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響一是間隙的不確定性降低了系統(tǒng)的定位精度；二是間隙的存在給系統(tǒng)帶來滯后效應(yīng)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 加劇系統(tǒng)的自振蕩[8]。利用雙閉環(huán)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(tǒng)的精度及穩(wěn)定性。系統(tǒng)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(jù)以上對控制方案的設(shè)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(shù)并觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)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(huán)的控制元素，電機模型模塊內(nèi)部封裝了作為內(nèi)環(huán)的電流調(diào)節(jié)器和濾波模塊。因此，速度閉環(huán)、電機和與外圍的位置控制環(huán)節(jié)一起構(gòu)成雙閉環(huán)位置控制結(jié)構(gòu)。

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

圖6 MATLAB仿真程序

圖7 階躍信號仿真結(jié)果

圖8 方波信號仿真結(jié)果

4 應(yīng)用試驗

在仿真分析的基礎(chǔ)上，進行了系統(tǒng)的應(yīng)用試驗?？刂葡到y(tǒng)采用可編程控制器PLC和伺服驅(qū)動單元相結(jié)合方式， 同時采用高精度傳感器進行系統(tǒng)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(shè)計。

通過運行程序，由PLC計算指令脈沖數(shù)與脈沖頻率，確定脈沖方向，并輸出指令脈沖作為驅(qū)動器的給定信號。伺服驅(qū)動器將脈沖指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號，并實現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制功能，進行伺服控制的動態(tài)調(diào)整。濾波模塊的設(shè)計采用了延時消抖和數(shù)字濾波相結(jié)合的方法，有效消除開關(guān)量輸入抖動和各種隨機干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，使該系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快、定位精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點。

設(shè)備試驗的噴砂除銹效果見圖9。

圖9 噴砂除銹試驗結(jié)果

經(jīng)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(shè)噴砂除銹指標的要求。

5 結(jié)論

（1）采用三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，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(tǒng)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(shè)計的優(yōu)劣直接影響信號的準確性及系統(tǒng)的性能。

（3）采用PLC作為控制系統(tǒng)核心的自動噴砂除銹機運行穩(wěn)定、性能可靠，具有良好的除銹效果，目前，該技術(shù)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(yīng)用。結(jié)果表明，采用全自動噴砂除銹技術(shù)，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(huán)境的污染，從而節(jié)約了海底管道鋪設(shè)成本，縮短了管道鋪設(shè)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(yè)線中的應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2005， （12）：15-17.

[2]龍斌，呂喜軍，唐德渝，等.環(huán)保型全自動管道噴砂除銹機的研制及應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，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(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008.

[5]吳晨曦，蔣嶸.基于PLC—伺服驅(qū)動的位置控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2008，30（4）:84-86.

[6]張立勛，董玉紅.機電系統(tǒng)仿真與設(shè)計[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

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

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