基于模糊PID的變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究

楊惠

摘要：傳統(tǒng)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(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使用巡檢機(jī)器人代替人工完成變電站的巡檢任務(wù)，能有效提高巡檢效率，這將成為今后變電站巡檢的發(fā)展趨勢。文章就變電站巡檢環(huán)境設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。仿真和試驗(yàn)表明，相對于常規(guī)的PID控制，該模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有很好的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和精度，能夠滿足變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：變電站；巡檢機(jī)器人；模糊PID；運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號：TP319? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有很重要的作用。變電站是電網(wǎng)的核心，對變電站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行巡檢，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著很重要的作用。傳統(tǒng)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(dòng)強(qiáng)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(jīng)驗(yàn)來判斷設(shè)備是否有漏油、裂痕、異常聲響等故障，甚至還會(huì)對工作人員的人身安全造成危險(xiǎn)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使用巡檢機(jī)器人代替人工完成變電站的巡檢任務(wù)，可以大大降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，降低人工操作的安全風(fēng)險(xiǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。

本文研究的機(jī)器人為搭載紅外熱像儀和可見光攝像頭的變電站巡檢機(jī)器人，它通過2個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)器人底盤的運(yùn)動(dòng)。為了使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)安全可靠的巡檢任務(wù)，需要在機(jī)器人作業(yè)過程中，對內(nèi)部電機(jī)進(jìn)行精確控制。傳統(tǒng)的電機(jī)控制采用PID控制，由于步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中容易受到負(fù)載、摩擦力等影響，會(huì)造成步數(shù)丟失、2個(gè)步進(jìn)電機(jī)不能保持同步的現(xiàn)象。為了達(dá)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(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制器位于變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的中間層，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件共由5個(gè)模塊組成，分別是中央計(jì)算器模塊、電磁傳感器模塊、速度檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊。其中，中央計(jì)算器模塊負(fù)責(zé)處理和決策所有數(shù)據(jù)；電磁傳感器模塊負(fù)責(zé)感知；速度檢測模塊負(fù)責(zé)檢測速度信息；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)機(jī)器人動(dòng)力；電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的供電。

本課題設(shè)計(jì)的變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要適用于環(huán)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(lián)合使用傳統(tǒng)PID控制算法和模糊控制，形成了具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的智能控制器，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)精確控制，保障巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的平衡性，提升巡檢效率。

2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)由2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和2個(gè)萬向輪組成。由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式為前輪轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動(dòng)，為了便于分析，把機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式簡化為兩輪驅(qū)動(dòng)的形式［2］。機(jī)器人按照設(shè)定好的路線進(jìn)行巡檢，到達(dá)變電站內(nèi)檢測點(diǎn)停下來對設(shè)備進(jìn)行巡檢，檢查結(jié)束繼續(xù)按照設(shè)定好的路線運(yùn)行。因?yàn)檠矙z機(jī)器人在變電站內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路線是固定的，所以本文主要研究對機(jī)器人轉(zhuǎn)向和速度的控制。

為了更精準(zhǔn)地描述車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本設(shè)計(jì)首先構(gòu)建一個(gè)多個(gè)自由度下的車輛模型，主要包含發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎、底盤、傳動(dòng)系統(tǒng)等部件。機(jī)器人系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，隨著車輪速度的改變，各項(xiàng)參數(shù)也會(huì)有很大的變化，在低速時(shí)，車輛表現(xiàn)為動(dòng)力學(xué)特性。因此，本文在對巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，把車輛當(dāng)做在地平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，不考慮車輛的側(cè)滑效應(yīng)，主要分析車輛的動(dòng)力學(xué)模型［3］。

3 模糊PID控制

傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的主要技術(shù)之一。在建立系統(tǒng)模型時(shí)，對結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定的系統(tǒng)，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(jīng)驗(yàn)；其次，需要建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，對于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，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(shí)現(xiàn)精確的控制；最后，對于參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整的系統(tǒng)，PID控制器不能實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整。

近20年，模糊控制在理論和技術(shù)方面發(fā)展迅速，在生活和工業(yè)中應(yīng)用廣泛，已經(jīng)成為智能控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣的一個(gè)分支。將PID和模糊控制相結(jié)合，使用模糊PID控制，達(dá)到在線調(diào)整控制過程中的各種參數(shù)、優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)、提高控制效果的目的。模糊PID在工業(yè)、交通、航空、生活中應(yīng)用廣泛，如溫度控制、汽車駕駛、發(fā)酵等。

3.1 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)中，將誤差e和誤差變化率ec作為輸入，即將機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)速的輸入信號與反饋信號作為輸入，建立一個(gè)模糊PID控制器，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的左右輪速度控制；系統(tǒng)利用兩輪速度反饋的速度信號之差來調(diào)節(jié)巡檢機(jī)器人的運(yùn)行方向，實(shí)現(xiàn)巡檢任務(wù)；對不同時(shí)刻轉(zhuǎn)速的誤差e和誤差變化率ec，系統(tǒng)通過不斷修正的方法，在線調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，克服機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)候參數(shù)的改變以及障礙物等因素，提高巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的自整定能力和穩(wěn)定性。

3.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

3.2.1 模糊子集及其隸屬函數(shù)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(shí)間的導(dǎo)數(shù)ec，即ec= de/dt。設(shè)計(jì)控制器時(shí)，將輸入變量和輸出變量進(jìn)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(gè)模糊量，分別為：{NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。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(shè)定為［-3，3］，將輸出變量KP、KI、KD的論域設(shè)定為［-1.5 1.5］、［-0.1 0.5］、［-0.1 0.1］。

本系統(tǒng)隸屬函數(shù)采用三角形隸屬函數(shù)。對于三角形隸屬函數(shù)，形狀尖對應(yīng)系統(tǒng)的分辨率和靈敏度就高；形狀緩對應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越好［4］。為了提高在零點(diǎn)附近的控制精確度，將系統(tǒng)中零點(diǎn)附近的模糊子集劃分較細(xì)且占用的論域區(qū)段較小。

3.2.2 模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下條件。

當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)速偏差較大時(shí)，應(yīng)使被控量誤差迅速減?。划?dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)速偏差較小時(shí)，應(yīng)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象。

本控制器輸入變量為轉(zhuǎn)速偏差e及偏差的變化率ec，輸出變量為KP、KI、KD。根據(jù)多次試湊以及人工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，結(jié)合PID控制的特點(diǎn)，得出機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)的輸入變量和輸出變量的整定原則。

（1）當(dāng)系統(tǒng)偏差|e|較大時(shí)，適度增大比例系數(shù)KP和減小微分系數(shù)KD，可以有效提高系統(tǒng)響應(yīng)速度；同時(shí)為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)量過大的現(xiàn)象，還需要減小積分系數(shù)KI或令KI為零。

（2）當(dāng)系統(tǒng)偏差|e|處于中等大小時(shí)，為了保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)減小比例系數(shù)KP，且保持較為適中的微分系數(shù)KD，同時(shí)為了消除誤差，抑制超調(diào)，可以適當(dāng)增加積分系數(shù)KI。

（3）當(dāng)系統(tǒng)偏差|e|較小時(shí)，為保證系統(tǒng)良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大比例系數(shù)KP和積分系數(shù)KI，同時(shí)為避免平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，要根據(jù)偏差變化率ec值適當(dāng)選取微分系數(shù)KD的值。

根據(jù)輸出變量參數(shù)整定的原則以及模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)要求，分別確定輸出變量KP、KI、KD的控制規(guī)則表。

3.2.3 輸出量的清晰化

輸出量清晰化需要設(shè)置量化因子和比例因子。量化因子是為了進(jìn)行模糊化處理，將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集論域。本系統(tǒng)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(zhuǎn)化為整數(shù)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(zhuǎn)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(tǒng)設(shè)計(jì)中，用來確定模糊控制器輸出的系數(shù)。本系統(tǒng)輸出量的模糊論域范圍為［-u，u］，把論域轉(zhuǎn)化為整數(shù)N=［-y，-y+1，-L，0，L，y-1，y］，則比例因子為ku=yu。

根據(jù)得到的量化因子和比例因子，查詢巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模糊控制規(guī)則表，得出機(jī)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(shí)際需要的速度值。

4 模糊PID控制系統(tǒng)仿真

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

本文分別對系統(tǒng)PID控制和模糊PID控制進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制器仿真結(jié)果對比，模糊PID控制器的穩(wěn)定性較強(qiáng)。模糊PID控制響應(yīng)時(shí)間幾乎沒有增加，具有穩(wěn)定性好、自適應(yīng)能力強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，且模糊PID控制幾乎沒有超調(diào)，可以很好地滿足變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)機(jī)器人速度偏差較大時(shí)，模糊PID控制器可以快速響應(yīng)縮小系統(tǒng)偏差，提高機(jī)器人巡檢工作的靈敏性；當(dāng)機(jī)器人速度接近設(shè)定值時(shí)，模糊PID控制器可以避免超調(diào)，提高巡檢機(jī)器人的控制精度。

5 結(jié)語

本文對變電站巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)模糊PID控制器，在MATLAB/Simulink中建立機(jī)器人模糊控制PID控制器仿真模型，仿真結(jié)果表明，基于模糊PID的變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、自適應(yīng)能力強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制算法。后續(xù)對巡檢機(jī)器人進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制策略可以很好地滿足巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方面的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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

（編輯 沈 強(qiáng)）

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