摘 要 就管道內(nèi)涂層破壞引起的管道腐蝕、石油天然氣泄漏等問題，以一款小直徑管道一體化涂覆機器人為研究對象，針對一般機器人控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制誤差大等缺陷，建立了一種新的控制系統(tǒng)和PID控制算法，分析硬件電路、控制系統(tǒng)和軟件運行程序的邏輯，建立控制系統(tǒng)的仿真模型進行實驗，結(jié)果表明：機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性高、魯棒性好、控制誤差小，可以更加高效準(zhǔn)確地完成管道內(nèi)的噴涂作業(yè)，并具有材料利用率高、環(huán)境友好性、可控性強等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞 PID控制算法 涂覆機器人 管道 涂層 魯棒性 環(huán)境友好性

中圖分類號 TP242.3"" 文獻標(biāo)志碼 A"" 文章編號 1000 3932（2025）01 0056 08

油氣管道在石油和天然氣運輸過程中具有重要作用，保持管道涂層的完整性對于確保油氣運輸操作的安全和效率至關(guān)重要。傳統(tǒng)的涂層修復(fù)方法存在工作效率低、復(fù)雜管道形態(tài)適應(yīng)性差、對工人健康傷害性大等缺點。目前，國內(nèi)外對于機器人控制系統(tǒng)的研究取得了一定的進展，但仍存在一些缺點。其中，部分控制系統(tǒng)缺乏足夠的智能化和自主化能力，導(dǎo)致機器人在處理復(fù)雜管道環(huán)境時的應(yīng)對能力不足；另外，傳統(tǒng)PID控制方法和模糊控制技術(shù)在穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度方面有一定效果，但在面對管道環(huán)境的非線性和高度不確定性時表現(xiàn)不佳，一些管道機器人的控制系統(tǒng)缺乏對多樣化管道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力，因此難以滿足各種復(fù)雜管道的實際應(yīng)用需求。

針對上述問題，筆者建立了小直徑管道一體化涂覆機器人控制系統(tǒng)，采用一種新型控制系統(tǒng)和PID控制算法，以期有效增強機器人在管道內(nèi)作業(yè)時的穩(wěn)定性，同時能夠更為準(zhǔn)確地應(yīng)對復(fù)雜、不確定性高的管道環(huán)境，為機器人更高效地完成管道噴涂作業(yè)提供新思路。

1 機械結(jié)構(gòu)

涂覆機器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機器人的驅(qū)動行走部分采用履帶式結(jié)構(gòu)［1］，與傳統(tǒng)的剛性履帶式行走結(jié)構(gòu)不同，設(shè)計有多關(guān)節(jié)自調(diào)節(jié)柔性結(jié)構(gòu)和可控平行四連桿結(jié)構(gòu)，使其能夠輕松通過變曲率半徑管道、T形管道等，具有高牽引力和出色的越障能力。機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用模塊化布局和多節(jié)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，將控制模塊、輔助模塊、供能模塊等所需器件集成到一個箱體內(nèi)，然后使箱體與調(diào)節(jié)模塊、噴涂模塊、驅(qū)動模塊和檢測模塊串接形成本體，既保證機器人在油氣輸送管道彎道處保持良好的機動性和通過能力又優(yōu)化了機器人在管道內(nèi)部的重心位置。

履帶式頂壁管道機器人的張緊方法可分為機械自適應(yīng)性張緊和反饋式電機驅(qū)動張緊［2］。本研究的涂覆機器人采用較為簡單的機械自適應(yīng)性張緊結(jié)構(gòu)，即在行走模塊中引入可控平行四連桿機構(gòu)，其張緊原理是依靠轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處扭簧的張力，使主從動輪壓緊管壁，產(chǎn)生相互作用力而實現(xiàn)張緊，允許機器人自主調(diào)整其徑向尺寸以適應(yīng)不同的管道直徑［2］。

控制單元接收來自上位機的命令并產(chǎn)生相應(yīng)的信號來控制驅(qū)動單元和噴涂單元執(zhí)行相應(yīng)的動作。每個驅(qū)動單元電機的驅(qū)動力通過一對錐齒輪換向后輸出，由控制單元輸出的方向信號和PWM波控制主動輪以相應(yīng)的速度沿管壁前進或后退［2］。噴涂單元中的噴槍具有360°自由旋轉(zhuǎn)噴霧功能，可進行全方位的管道噴涂。

涂覆機器人的具體工作過程及原理：當(dāng)機器人進入管道時，首先通過控制模塊控制調(diào)節(jié)模塊使行走模塊張緊，當(dāng)壓力傳感器反饋值達到設(shè)定值后停止調(diào)節(jié)［3］，此時行走模塊各履帶緊貼管道內(nèi)壁；同時控制檢測模塊和驅(qū)動輪同時開啟，通過檢測模塊使機器人運動的同時不斷向控制模塊發(fā)送收集的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)檢測到管道缺陷后，噴涂模塊啟動進行維護作業(yè)［3］；面對微小變徑管道，機器人通過壓縮調(diào)節(jié)模塊中的彈簧能夠毫不費力地通過，并通過控制模塊調(diào)節(jié)其3個驅(qū)動輪的速度，結(jié)合行走模塊的靈活多關(guān)節(jié)自調(diào)整結(jié)構(gòu)和可控平行四連桿機構(gòu)平穩(wěn)地通過彎道。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)以中央控制箱體為核心，內(nèi)嵌核心電路板，核心電路板由主控芯片、編碼器、噴涂裝置等重要外部設(shè)備的通信接口組成。同時，核心電路板還集成了全局供電模組，由鋰電池組接入，通過DC DC變換器將電池組電壓分別降至各模塊所需電壓，為整個機器人系統(tǒng)供電。

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成

主控芯片選用STM32F429微控制器（以下簡稱STM32），具有Cortex M4內(nèi)核，內(nèi)嵌DSP和FPU單元，同時還帶有Chrom ART加速器、FSMC等功能，可執(zhí)行高速計算、信號處理等功能。

在供電系統(tǒng)中，電源由22.2 V鋰電池組組成，輸入到核心電路板后，通過3路DC DC變換器分別提供24、12、5 V供電，其中，24、12 V分別給主軸電機和驅(qū)動電機供電，5 V通過兩路LDO降壓至3.3 V分別給STM32和傳感器模塊供電，以保證機器人系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

步進電機采用H橋驅(qū)動芯片DRV8825，通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式控制輸出，可以根據(jù)需要調(diào)整脈沖寬度，從而準(zhǔn)確地控制步進電機的方向和旋轉(zhuǎn)速度，如圖2所示。有刷電機采用HIP4082芯片，通過MOS管組成H橋，HIP4082通過輸入控制信號實現(xiàn)橋臂的開關(guān)操作，為每個橋臂提供兩個輸出，分別連接到上半橋和下半橋，輸出驅(qū)動信號，進行有刷電機驅(qū)動（圖3）。

在各級穩(wěn)壓電路中，考慮到當(dāng)電壓差值較大且電流較大時，采用LDO的降壓方式會導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重的情況，因此在供電單元采用DC DC降壓方案。DC DC轉(zhuǎn)換器通過開關(guān)電源機制，能夠在顯著的電壓差異下實現(xiàn)高效能的電壓轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換方式有效規(guī)避了LDO在較大壓降下所面臨的高能量損耗和熱產(chǎn)生問題。如圖4所示，通過輸出端反饋電阻采樣和輸出端、輸入端多級濾波電容進行紋波濾除，可以確保輸出電壓的穩(wěn)定性和紋波抑制，同時輸出端使用了電感和電容構(gòu)成的RC濾波器，減少了電路中輸入輸出間的電壓波動和噪聲。

單片機的時鐘和機器人的傳感器對供電要求極高，它們工作時都需要精確的時間基準(zhǔn)來保證系統(tǒng)穩(wěn)定，電源的任何波動都可能使晶振起振異常，影響時鐘信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，進一步影響系統(tǒng)的控制與反饋機制。由于單片機和傳感器所需電流較小，不會因為大壓差和較大電流造成過大的功耗和發(fā)熱問題，因此在給單片機、傳感器等低功耗模塊供電時，采用了低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）方案（圖5），LDO模塊以其出色的電源抑制比（PSRR）和負(fù)載調(diào)整率，能有效地屏蔽來自輸入電源的噪聲，保證輸出電壓的穩(wěn)定。

2.2 控制系統(tǒng)原理

由于系統(tǒng)長時間運行，并且每個電機都不能保證參數(shù)和性能相同，此外還有摩擦力、作業(yè)環(huán)境等外部因素的影響，此時需要設(shè)計控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對機器人的精準(zhǔn)控制。

本研究采用魯棒性強、適應(yīng)性強的PID控制系統(tǒng)。PID控制系統(tǒng)由比例控制器、積分控制器和微分控制器組成。在系統(tǒng)中，利用對應(yīng)控制系統(tǒng)的檢測傳感器值作為反饋量，使PID系統(tǒng)實現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，有助于消除穩(wěn)態(tài)誤差，更好地適應(yīng)外部環(huán)境，保證在惡劣環(huán)境條件下也可以穩(wěn)定作業(yè)，實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

在PID控制系統(tǒng)中，首先通過Aimset（設(shè)定的目標(biāo)值）和Getact（獲取當(dāng)前值）求誤差Error，即：

Error=Aimset-Getact（1）

通過調(diào)節(jié)比例系數(shù)P的大小來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度［4］，可以得出：

P=P×Error（2）

其中，P為比例輸出值，通過輸入合適的P可以使系統(tǒng)的響應(yīng)速度期望達到最大。

但是單一的比例調(diào)節(jié)不足以消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分控制可以通過對累積的誤差進行積分并輸出：

I=I×Error（3）

式（3）中I作為積分控制系數(shù)，通過輸出調(diào)整量實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可控。

微分控制器可通過微分控制器系數(shù)D與Error和上一次的系統(tǒng)誤差Error_Last的差乘積得到：

D=D×（Error-Error_Last）（4）

將式（2）～（4）求和可以得到最終輸出值

Output：

Output=P+I+D（5）

2.3 運動控制策略

通過上述理論設(shè)計了兩套PID系統(tǒng)。如圖6所示，以 STM32 為核心，各系統(tǒng)通過各傳感器模塊反饋數(shù)據(jù)實現(xiàn)閉環(huán)控制。

涂覆機器人控制系統(tǒng)利用PID控制實現(xiàn)壓力和速度的調(diào)節(jié)，通過PWM信號轉(zhuǎn)換器將控制信號轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷盒盘枺缓笫褂媚孀兤骺刂苾蓚€不同類型的電機（BLDC電機和PMSM電機）。BLDC和PMSM電機分別受PID速度控制的調(diào)節(jié)，而升降壓模塊則控制電壓的變化，以供應(yīng)給電機所需的電壓?？刂葡到y(tǒng)仿真模型如圖7所示，驗證了控制算法的有效性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性［5］。

如圖8所示，在PID控制系統(tǒng)1中，通過給定壓力目標(biāo)值，由管道附著控制器輸出PWM信號給連桿機構(gòu)，驅(qū)動主軸電機，再由壓力傳感器將數(shù)據(jù)反饋給控制器。

如圖9所示，在PID控制系統(tǒng)2中，通過給定目標(biāo)速度，由速度控制器輸出PWM信號驅(qū)動行走電機，由方向編碼器采集輪速最終反饋回速度控制器。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

噴涂機器人的軟件包括上位機的控制平臺和下位機的運動控制軟件兩部分，并通過CAN通信協(xié)議實現(xiàn)兩者間的有效通信。軟件設(shè)計采用模塊化思想，不僅便于程序的調(diào)試與修改［6］，也利于程序的擴展。上位機控制平臺采用LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境，下位機則基于STM32控制器，運行多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，以確保各項任務(wù)能夠精準(zhǔn)協(xié)調(diào)與執(zhí)行。

3.1 上位機操作界面

在 LabVIEW 環(huán)境下建立管道涂覆機器人的上位機操作界面，包括噴涂控制部分、傳感器數(shù)據(jù)顯示部分、管道內(nèi)部狀況圖像、信息窗口等［7］。在噴涂控制面板上用按鈕或手柄控制機器人的噴涂行為，包括手動或自主導(dǎo)航控制噴涂設(shè)備，實現(xiàn)噴涂前進、后退、過彎等動作。機器人的狀態(tài)信息和傳感器數(shù)據(jù)也會在界面上實時顯示，以便操作人員對機器人系統(tǒng)的整體狀態(tài)進行監(jiān)控和控制［7］。上位機軟件設(shè)計流程如圖10所示。

3.2 STM32控制程序

為了實現(xiàn)對噴涂機器人的高效控制，采用多任務(wù)系統(tǒng)作為其核心控制架構(gòu)，旨在集成并優(yōu)化多個關(guān)鍵任務(wù)的處理，包括機器人的運動控制、內(nèi)部和外部的通信交互以及從各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)的實時采集與精細(xì)處理。在此框架下，選用FreeRTOS操作系統(tǒng)作為任務(wù)管理的基石，該系統(tǒng)通過其內(nèi)置的任務(wù)調(diào)度機制，動態(tài)地為每個任務(wù)分配執(zhí)行優(yōu)先級，確保在任意給定時刻，都能依據(jù)系統(tǒng)的實時狀態(tài)和任務(wù)的緊急程度，合理決策并執(zhí)行最為關(guān)鍵的任務(wù)?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D11所示。

機器人啟動時，首先進行外部設(shè)備初始化，包括傳感器、噴涂設(shè)備等關(guān)鍵組件的初始化。接著系統(tǒng)將創(chuàng)建任務(wù)并分配優(yōu)先級，確保各項任務(wù)嚴(yán)格按照既定邏輯順序展開。隨后，啟動任務(wù)調(diào)度器，等待上位機發(fā)送指令。上位機通信任務(wù)分為發(fā)送和接收兩部分。在發(fā)送任務(wù)中，涂覆機器人將噴涂數(shù)據(jù)一次性寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并通過串口發(fā)送給上位機［7］。接收任務(wù)則負(fù)責(zé)接收上位機發(fā)送的指令，并進行解析，根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)［7］。

對于噴涂控制任務(wù)，機器人根據(jù)接收到的指令計算噴涂參數(shù)，并將參數(shù)輸出給噴涂設(shè)備，啟動噴涂作業(yè)。同時，機器人會通過傳感器實時反饋噴涂過程中的管道表面情況，以及噴涂效果是否達到預(yù)期。達到預(yù)期噴涂效果，噴涂任務(wù)即結(jié)束完成。如圖12所示，傳感器數(shù)據(jù)的獲?。?］、處理和計算通過STM32中的定時器定期進行，確保獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。這些數(shù)據(jù)會被存儲在緩存區(qū)中，用于感知管道表面的條件和機器人自身的狀態(tài)，以便及時調(diào)整噴涂參數(shù)和作業(yè)策略。

4 控制系統(tǒng)仿真分析

為了深入評估機器人控制系統(tǒng)的控制性能，進行了一系列的仿真實驗，通過關(guān)鍵的控制性能指標(biāo)包括力矩、速度、加速度等參數(shù)的實時監(jiān)測，繪制出隨時間變化的特征曲線［9］，從而揭示機器人在執(zhí)行復(fù)雜運動任務(wù)時的軌跡精度、動態(tài)響應(yīng)及系統(tǒng)穩(wěn)定性等關(guān)鍵特性。圖13展示了力矩與時間的關(guān)系，反映了控制系統(tǒng)在不同時間節(jié)點對力矩需求的精確調(diào)控能力；圖14、15分別描繪了速度和加速度隨時間的變化，這兩幅圖共同展現(xiàn)了機器人運動的平滑性與連續(xù)性。這些曲線的形態(tài)不僅映射了機器人的動態(tài)行為，而且為評估其運動控制的精確度提供了量化依據(jù)。

在穩(wěn)定性分析方面，圖16呈現(xiàn)了控制系統(tǒng)誤差隨時間的演變過程，清晰地展示了系統(tǒng)如何有效地將誤差控制在較小范圍內(nèi)，并逐步趨向收斂，證明了系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)健性與可靠性。

魯棒性的評估則是通過Bode圖（圖17）實現(xiàn)的，直觀地揭示了控制系統(tǒng)在面對外部不確定因素干擾時所展現(xiàn)出的抗干擾能力。Bode圖的分析結(jié)果證實了系統(tǒng)在復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境中仍能保持良好的性能表現(xiàn)，這為涂覆機器人在實際工業(yè)場景中的應(yīng)用提供了堅實的理論支撐。

通過對噴涂機器人在管道內(nèi)作業(yè)時的仿真模擬曲線分析，證明了控制系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定且魯棒性較好。力矩曲線穩(wěn)定，速度和加速度曲線平滑，誤差波動小，穩(wěn)定裕度與時間曲線表現(xiàn)良好，表明控制系統(tǒng)對機器人運動具有高響應(yīng)性和準(zhǔn)確性，能夠在長時間作業(yè)中保持穩(wěn)定性，確保了作業(yè)的準(zhǔn)確性和可靠性，為管道作業(yè)提供了可靠支持。

5 結(jié)束語

通過仿真實驗建立模型，并對實驗數(shù)據(jù)進行圖像分析，驗證了新控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、魯棒性和控制誤差方面的顯著改進。表明設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠使機器人更加高效、準(zhǔn)確地完成管道內(nèi)的噴涂作業(yè)，同時具備材料利用率高、環(huán)境友好、可控性強等優(yōu)點。同時為管道涂覆機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化提供了有力的理論支持，為相關(guān)領(lǐng)域的進一步發(fā)展和應(yīng)用提供了有益的參考。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2024-05-08，修回日期：2024-06-20）

Control System Design for Small diameter Integrated Coating Robots

LI Li pinga， XUE Hao yuana， ZHANG Zhe tongb， DONG Kang xinga

（a. School of Mechanical Science and Engineering； b. School of Electrical and Information

Engineering， Northeast Petroleum University）

Abstract"" Aiming at the corrosion and leakage of oil amp; gas pipelines caused by coating damage inside pipelines， a small diameter integrated coating robot was taken as the object of study. Considering both instability and control errors of conventional robot control systems， a new control system and PID control algorithm were proposed， including analyzing the hardware circuit and control system design， discussing the logic of software running program and establishing a simulation model for the control system. The results show that， the robot control system exhibits good stability and robustness together with small control errors. It can efficiently and accurately complete spraying operations inside pipelines while demonstrating high material utilization， environmental friendliness and strong controllability.

Key words"" PID control algorithm， coating robot， pipeline， coating， robustness， environmental friendliness