核反應(yīng)堆壓力容器檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研發(fā)*

趙 琛，陶澤勇

(國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)公司，上海 200233)

0 引 言

隨著自動(dòng)控制技術(shù)和核電技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)領(lǐng)域。特別是在有放射性的核環(huán)境下，通過(guò)工作人員遠(yuǎn)程控制機(jī)器人完成相應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)的任務(wù)，不但可以有效減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的輻射傷害并減輕工作負(fù)擔(dān)，而且能提高無(wú)損檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性[1-3]。

核反應(yīng)堆壓力容器和壓力容器頂蓋是核電站重要部件，在核電站役前和在役期間均需要進(jìn)行必要的檢查。由于工況的特殊性，人員無(wú)法進(jìn)入壓力容器內(nèi)部或頂蓋下方[4-5]，同時(shí)出于無(wú)損檢測(cè)重復(fù)性及穩(wěn)定性的需要，針對(duì)壓力容器及頂蓋的檢查主要由6軸/5軸機(jī)器人的末端攜帶超聲或者其他檢測(cè)探頭進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)[6-9]。筆者提出核反應(yīng)堆壓力容器監(jiān)測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法，可遠(yuǎn)程控制攜帶的超聲檢測(cè)儀，相互配合，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)掃查和自動(dòng)掃查任務(wù)。

1 檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)背景與技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)有核反應(yīng)堆壓力容器的超聲檢測(cè)工作采用的是美國(guó)西屋公司生產(chǎn)的SUPREEM六自由度機(jī)械手搭載端部效應(yīng)器進(jìn)行。其軟件控制系統(tǒng)集成于UNIX操作系統(tǒng)中，無(wú)法脫離西屋服務(wù)器單獨(dú)應(yīng)用，系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性較差，功能受限。且部分服務(wù)器、運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備已出現(xiàn)故障，部分零部件已經(jīng)停產(chǎn)，這對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)備維修造成很大麻煩[10-13]。為全面實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)堆壓力容器焊縫檢測(cè)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，保證后續(xù)役前和在役檢測(cè)能夠有備用設(shè)備順利進(jìn)行，在現(xiàn)有控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念上進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

檢測(cè)機(jī)器人實(shí)施檢查時(shí)，機(jī)器人安裝于上、下部平臺(tái)上，平臺(tái)則坐落在法蘭面和下部支撐塊上，如圖1所示。本控制系統(tǒng)主要包含軌跡規(guī)劃層(遠(yuǎn)程PC)、位置速度控制層(運(yùn)動(dòng)控制器+FGPA模塊)、電流控制層以及機(jī)器人本體四個(gè)部分。和現(xiàn)有控制系統(tǒng)有所不同的是，驅(qū)動(dòng)控制器由常見(jiàn)的I/O卡、CPU卡、運(yùn)動(dòng)控制卡和旋變轉(zhuǎn)換卡的組合更換為FPGA、固高控制卡的組合，F(xiàn)GPA控制模塊使用FGPA作為主控制芯片，主要完成機(jī)器人關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼、機(jī)器人關(guān)節(jié)速度環(huán)的控制、接收上位機(jī)控制指令、產(chǎn)生電流環(huán)控制指令、監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)。固高控制卡采用嵌入式工控機(jī)+多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的方式，主要根據(jù)任務(wù)路徑規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑，完成機(jī)器人關(guān)節(jié)位置的控制，同時(shí)產(chǎn)生速度指令信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境和檢測(cè)對(duì)象的不同，分為PWM驅(qū)動(dòng)模塊與線性放大器模塊。當(dāng)機(jī)器人在岸上調(diào)試運(yùn)行時(shí)，使用PWM驅(qū)動(dòng)模塊，當(dāng)機(jī)器人攜帶端部效應(yīng)器在壓力容器水環(huán)境中進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí)，使用線性放大器驅(qū)動(dòng)以減小對(duì)端部效應(yīng)器的干擾。操作人員通過(guò)PC進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并通過(guò)Ethernet TCP/IP通訊方式給本地控制器發(fā)出運(yùn)行指令，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，總體方案圖如圖2所示。

圖1 核反應(yīng)堆壓力容器檢查時(shí)機(jī)器人狀態(tài)模型示意圖

圖2 機(jī)器人整體系統(tǒng)總體方案

2 關(guān)節(jié)信號(hào)處理與軌跡規(guī)劃

機(jī)器人的軌跡規(guī)劃和速度控制是核反應(yīng)堆壓力容器檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的重要組成部分。即在機(jī)械手進(jìn)行作業(yè)時(shí)，通過(guò)預(yù)設(shè)規(guī)劃路徑來(lái)設(shè)計(jì)起始位置到目標(biāo)位置的合理路徑，并且保證各自由度之間力矩平衡，各關(guān)節(jié)速度、位置無(wú)偏差，機(jī)械臂及超聲檢測(cè)掃查器與核反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)壁等環(huán)境結(jié)構(gòu)無(wú)碰撞作業(yè)，針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象、不同的檢測(cè)環(huán)境，配合末端超聲掃查器完成不同速度的自動(dòng)或手動(dòng)檢測(cè)任務(wù)。

2.1 關(guān)節(jié)信號(hào)處理

對(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)控制信號(hào)的處理采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組合的閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要由雙旋轉(zhuǎn)變壓器、調(diào)理電路和解碼、控制FPGA板組成，雙旋變關(guān)節(jié)信號(hào)處理框圖如圖3所示。假設(shè)給定位置信號(hào)u1，檢測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)子位置信號(hào)u2，兩者比較后得到位置誤差信號(hào)Δu=u1-u2，該位置誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)位置調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)后，通過(guò)FPGA輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定信號(hào)ωr；由于實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)實(shí)際轉(zhuǎn)子位置信號(hào)差分運(yùn)算后得到ωf，則速度誤差信號(hào)為指令轉(zhuǎn)子速度與實(shí)際速度的差值Δω=ωr-ωf，該誤差信號(hào)作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)輸出電流指令ir；系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器供電電壓為24 V，其產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖為0～24 V高低電平，檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際電流值if，與輸出電流指令ir比較后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器控制算法即可確定功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的占空比，輸出相應(yīng)的PWM波形，使轉(zhuǎn)子按照控制要求運(yùn)行，從而調(diào)整關(guān)節(jié)速度、位置。

圖3 雙旋變關(guān)節(jié)信號(hào)處理框圖

2.2 軌跡規(guī)劃跟蹤

(1)

選取跟蹤誤差變量e和滑模變量s分別為：

e=qd-q

(2)

(3)

考慮到自適應(yīng)魯棒控制器τr為：

(4)

則滑模變量s的軌跡規(guī)劃跟蹤的閉環(huán)誤差動(dòng)態(tài)方程：

(5)

根據(jù)誤差動(dòng)態(tài)方程，可得出機(jī)器人自適應(yīng)魯棒軌跡規(guī)劃跟蹤控制器結(jié)構(gòu)框圖4所示。

圖4 軌跡規(guī)劃跟蹤控制器結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)器人軌跡跟蹤控制算法以FPGA為硬件載體，采用帶抗積分飽和的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器來(lái)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中電流環(huán)和速度環(huán)控制，外部設(shè)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償項(xiàng)來(lái)進(jìn)行參考軌跡趨近的不確定性處理，對(duì)軌跡跟蹤誤差，參數(shù)調(diào)整，通過(guò)自適應(yīng)魯棒控制器，以減小檢測(cè)機(jī)器人外部噪聲擾動(dòng)，確保軌跡跟蹤魯棒性。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軌跡實(shí)時(shí)跟蹤控制，通過(guò)帶抗積分飽和的數(shù)字PID調(diào)節(jié)進(jìn)行位置調(diào)整后，采用軌跡跟蹤控制算法使機(jī)械手各關(guān)節(jié)按規(guī)定轉(zhuǎn)動(dòng)方式運(yùn)轉(zhuǎn)，末端按指定軌跡運(yùn)動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，大體可以分為電源模塊、接口電路模塊、旋變解碼模塊和FPGA模塊等四個(gè)模塊，通過(guò)串行外設(shè)接口SPI和I/O口進(jìn)行通訊。

圖5 控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件是機(jī)器人完成無(wú)損檢測(cè)任務(wù)的核心，直接關(guān)系到核反應(yīng)堆壓力容器超聲檢測(cè)的穩(wěn)定性、魯棒性和安全性等。WESTINGHOUSE公司提供的機(jī)器人控制軟件基于ROBCAD仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)，集成于Linux操作系統(tǒng)中，為了便于后續(xù)軟件安裝、機(jī)器人功能修改、操作人員使用學(xué)習(xí)，ROBCAD仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)在Windows操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，通過(guò)以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與機(jī)器人下位機(jī)軟件的通訊、機(jī)器人本體狀態(tài)檢測(cè)、各關(guān)節(jié)傳感器信息融合與處理，同時(shí)，配合音/視頻控制系統(tǒng)多角度視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程對(duì)話，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控。機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)目的在于接收上位機(jī)指令并解析生成機(jī)器人控制命令，通過(guò)讀取機(jī)械手位姿、各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速和位置等信息，分析各傳感器反饋參數(shù)、軌跡規(guī)劃跟蹤誤差和超聲檢測(cè)質(zhì)量等數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)時(shí)控制檢測(cè)機(jī)器人，并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息可視化處理于上位機(jī)界面。具體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 系統(tǒng)仿真測(cè)試

為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前需進(jìn)行系統(tǒng)仿真測(cè)試，利用Matlab對(duì)本系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)際機(jī)器人參數(shù)，使用改進(jìn)型DH法建立機(jī)器人模型，如圖7所示。

圖7 機(jī)器人及焊縫模型

在關(guān)節(jié)空間中，對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行三次樣條曲線的插補(bǔ)，獲得每個(gè)關(guān)節(jié)的位置速度曲線。按照固高控制器的伺服周期，選取一系列位置速度點(diǎn)作為實(shí)際控制點(diǎn)，并利用機(jī)器人的轉(zhuǎn)換矩陣和雅可比矩陣將其轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系下的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與速度，通過(guò)對(duì)比實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與焊縫的差值、實(shí)際速度與理論掃查速度的差值，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的誤差性能。

本實(shí)驗(yàn)仿真中，在一圈焊縫上選取了32個(gè)粗插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)行控制測(cè)試，得到位置誤差曲線，截取了其中1/4圓弧作為觀察，由于焊縫所在平面垂直于X軸，因此其速度誤差主要是YZ方向的速度差，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 32個(gè)點(diǎn)時(shí)的YZ方向速度誤差

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，理論末端線速度100 mm/s，粗插補(bǔ)32個(gè)點(diǎn)時(shí)，最大速度波動(dòng)為1 mm/s，小于設(shè)備允許的2%的速度波動(dòng)。粗插補(bǔ)16個(gè)點(diǎn)時(shí)，最大速度波動(dòng)為2.3 mm/s，不滿足設(shè)備要求。粗插補(bǔ)64個(gè)點(diǎn)時(shí)，最大速度波動(dòng)0.7 mm/s，對(duì)比于32個(gè)點(diǎn)所得收益有限。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，驗(yàn)證了本控制系統(tǒng)方案下，軌跡規(guī)劃層采取32個(gè)粗插補(bǔ)點(diǎn)時(shí)，位置速度誤差在設(shè)備允許內(nèi)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在核反應(yīng)堆壓力容器模擬體中進(jìn)行，通過(guò)遠(yuǎn)程控制端觀察機(jī)器人的狀態(tài)，手動(dòng)控制機(jī)器人移動(dòng)，對(duì)比狀態(tài)監(jiān)控結(jié)果是否正常。機(jī)器人攜帶某一型號(hào)的端部效應(yīng)器在模擬壓力容器水環(huán)境中進(jìn)行焊縫掃查，端部效應(yīng)器的超聲掃查反饋信號(hào)如圖9所示。測(cè)試結(jié)果證明，本控制系統(tǒng)能夠控制機(jī)器人進(jìn)行核反應(yīng)堆壓力容器自動(dòng)焊縫檢測(cè)功能。

圖9 超聲采集儀記錄數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)以上實(shí)驗(yàn)仿真及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，本系統(tǒng)的理論部分得到了驗(yàn)證，實(shí)際測(cè)試基本功能得到了滿足，完成了既定設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中根據(jù)核電站換料大修期間核反應(yīng)堆壓力容器焊縫巡檢機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化的需求，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)，對(duì)遠(yuǎn)程控制端和本地控制器進(jìn)行了硬件和軟件的具體細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，提出了一套同時(shí)適合于遠(yuǎn)程操作和本地調(diào)試的核反應(yīng)堆壓力容器檢測(cè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。同時(shí)提出了機(jī)器人的關(guān)節(jié)信號(hào)處理方式和軌跡規(guī)劃跟蹤算法，并對(duì)機(jī)器人在本控制方案下可能產(chǎn)生的位姿誤差和速度誤差進(jìn)行了理論分析。通過(guò)對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，此系統(tǒng)的理論部分得到了驗(yàn)證，實(shí)際測(cè)試基本功能得到了滿足，完成了既定控制目標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，集成度高，具有很強(qiáng)的通用性，軟件模塊可以進(jìn)一步豐富，對(duì)其他的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也有一定的借鑒意義。