CN105214989B - 变电站带电作业水冲洗机器人及其液压系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站带电作业水冲洗机器人及其液压系统控制方法，属于液压控制领域，所述变电站带电作业水冲洗机器人包括液压系统，其中液压泵经所述液压比例阀与液压马达、支腿油缸、变幅油缸、伸缩油缸、俯仰油缸以及摆动油缸相连接；传感器将监控到运动信息反馈到运动控制器，运动控制器经驱动放大器控制液压比例阀的开度。本发明中不但保留了传统PID控制的优点，同时又增加了模糊控制算法的优点，使变电站带电作业水冲洗机器人在变电站内进行冲洗作业的特殊工况下，具有自适应的调整能力，以及在控制精度上和稳定性上都有了较大提高，增强了可靠性、抗干扰能力，具有一定的鲁棒性。

Description

变电站带电作业水冲洗机器人及其液压系统控制方法

技术领域

本发明涉及液压控制领域，特别是指一种变电站带电作业水冲洗机器人及其液压系统控制方法。

背景技术

变电站绝缘子串裸露在户外环境时，需要定期的对表面的工业污秽和自然污秽进行清扫冲洗，以防止由于污秽的积累，在雨雾等恶劣天气发生污闪现象，造成停电等事故。目前国内带电冲洗作业大都采用人工冲洗的方式，由人工手持冲洗杆，采用两枪或三枪跟踪冲洗方法进行水冲洗作业，这种冲洗方法对操作人员的技术要求很高，劳动强度大，工作效率低，存在一定的安全隐患，采用变电站带电作业水冲洗机器人代替人工清洗，能够减轻人工作业强度，提高操作安全性，冲洗效率高。

考虑变电站带电作业特殊环境，变电站带电作业水冲洗机器人采用全液压驱动与控制，水冲洗机器人在带电作业时，极易发生较大的抖动，稳定性低、控制精度不高。传统的控制方法虽然简单、整定参数方便，但是却因负载、流量等参数的变化而无法获得快速、高精度、自适应跟踪好的动态效果。再加上系统本身中有一些非线性的液压元件，这势必影响了系统的瞬时响应特性，降低了系统的动态性能和时变性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种变电站带电作业水冲洗机器人及其液压系统控制方法，它能够使变电站带电作业的水冲洗机器人更稳定可靠的带电作业，以提高系统的控制精度和抗干扰能力。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种变电站带电作业水冲洗机器人，包括液压系统，所述液压系统包括柴油发动机、液压泵、液压比例阀、液压马达、支腿油缸、变幅油缸、伸缩油缸、俯仰油缸、摆动油缸、传感器、运动控制器和驱动放大器，其中：

所述柴油发动机为整机提供动力源，所述柴油发动机的动力输出通过联轴器连接有变量柱塞泵；

所述液压泵经所述液压比例阀与所述液压马达、支腿油缸、变幅油缸、伸缩油缸、俯仰油缸以及摆动油缸相连接；

所述传感器监控所述液压马达、支腿油缸、变幅油缸、伸缩油缸、俯仰油缸以及摆动油缸的运动信息，反馈到所述运动控制器，所述运动控制器经所述驱动放大器控制所述液压比例阀的开度。

另一方面，提供一种上述变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统控制方法，包括：

步骤1：实时检测并获取所述变电站带电作业水冲洗机器人运动的位置误差e以及位置误差变化率作为模糊控制系统的输入量；

步骤2：将所述模糊控制系统的输入量进行模糊化处理得到位置误差模糊变量值E以及位置误差变化率模糊变量值EC；

步骤3：根据模糊推理算法和模糊控制规则对所述位置误差模糊变量值E以及位置误差变化率模糊变量值EC进行推理，得到模糊输出量；

步骤4：将所述模糊输出量采用加权平均法进行解模糊，得到清晰控制量K_p、K_i、K_d；

步骤5：将所述位置误差e、位置误差变化率以及清晰控制量送入PID调节器以实时对变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统进行自适应调整。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，清晰控制量经驱动放大器可以对变电站带电作业水冲洗机器人尤其是其液压比例阀的开度进行较精确控制，不但保留了传统PID控制的优点，同时又增加了模糊控制算法的优点，使变电站带电作业水冲洗机器人在变电站内进行冲洗作业的特殊工况下，具有自适应的调整能力，以及在控制精度上和稳定性上都有了较大提高，增强了可靠性、抗干扰能力，具有一定的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统的结构示意图；

图2为本发明的变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统控制方法的原理示意图；

图3为本发明的变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统控制方法中位置误差模糊变量值E隶属度函数示意图；

图4为本发明的变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统控制方法中位置误差变化率模糊变量值EC隶属度函数示意图；

图5为本发明的变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统控制方法中模糊输出量K_p隶属度函数示意图；

图6为本发明的变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统控制方法中模糊输出量K_i隶属度函数示意图；

图7为本发明的变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统控制方法中模糊输出量K_d隶属度函数示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种变电站带电作业水冲洗机器人，包括液压系统，如图1所示，液压系统包括柴油发动机11、液压泵12、液压比例阀13、液压马达21、支腿油缸22、变幅油缸23、伸缩油缸24、俯仰油缸25、摆动油缸26、传感器27、运动控制器31和驱动放大器32，其中：

柴油发动机11为整机提供动力源，柴油发动机11的动力输出通过联轴器连接有变量柱塞泵(未示出)；

液压泵12经液压比例阀13与液压马达21、支腿油缸22、变幅油缸23、伸缩油缸24、俯仰油缸25以及摆动油缸26相连接；

传感器27监控液压马达21、支腿油缸22、变幅油缸23、伸缩油缸24、俯仰油缸25以及摆动油缸26的运动信息，反馈到运动控制器31，运动控制器31经驱动放大器32控制液压比例阀13的开度，以实现对水冲洗机器人的较精准的控制。

本发明中，液压油可以从油箱经吸油滤油器进入水冲洗机器人的机械臂液压控制油路，再经回油滤油器流回油箱。液压比例阀通过开度控制液压油量，液压马达主要控制水冲洗机器人的移动，支腿油缸控制机器人前、后两侧支腿伸缩运动，变幅油缸、伸缩油缸、俯仰油缸以及摆动油缸控制机械臂的伸缩、俯仰和摆动。

如图2所示，变电站水冲洗机器人的液压系统通过运动控制器经驱动放大器控制液压比例阀的开度精确的实现大臂旋转、大臂俯仰、小臂伸缩、平台俯仰、平台旋转、车体的移动以及支腿的伸缩，并且可以在机械臂的各个关节安装传感器(如旋转编码器及拉线编码器)，以实时监控水冲洗机器人的运动信息，传感器检测的运动信息(实际大臂旋转、大臂俯仰、小臂伸缩、平台俯仰、平台旋转、车体的移动以及支腿的伸缩的旋转角度与伸缩量)与给定的理想运动目标位置对比，采用模糊PID控制方法进行较精确稳定的控制水冲洗机器人的运动，具体控制方法将在后面详细描述。

本发明中，液压比例阀优选采用电磁比例阀，具体可以采用美国danfoss公司的比例阀PVG32，控制电压的范围为0-12V，6V为中位，此时液压比例阀控制液压马达停止运动；当输入电压大于6V时，控制液压马达正向旋转，且输入电压偏离中位电压越多，马达旋转速度越快，当输入电压小于6V时，控制液压马达反向旋转，且输入电压偏离中位电压越多，马达旋转速度越快；运动控制器优选采用四轴及以上多轴运动控制器，具体可以采用英国TRIO公司的运动控制器，通过控制器I/O输出口与各关节液压比例阀输入口连接，通过控制TRIO控制器输出口的输出电压，实现机器人液压执行机构的运动方向及速度的较精确控制。

例如：针对大臂旋转进行较精确的实现控制，TRIO运动控制器可以发送大臂旋转指令，经驱动放大器控制液压比例阀的开度，实现大臂的旋转，安装的角度传感器(旋转编码器)实时监控大臂旋转信息，该信息与给定的理想旋转目标信息R对比，将旋转误差E采用模糊PID控制方法进行较精确的调节，TRIO运动控制器通过驱动放大器控制液压比例阀的开度，控制液压油进出的多少快慢，实现对水冲洗机器人大臂旋转的调节。

另一方面，本发明提供一种变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统控制方法，需要说明的是，该控制方法既可以应用于上述的变电站带电作业水冲洗机器人，也可以应用类似的其他控制环境，均不影响本发明技术方案的实施。如图2所示，该控制方法包括：

步骤1：实时检测并获取所述变电站带电作业水冲洗机器人运动的位置误差e以及位置误差变化率作为模糊控制系统的输入量；

本步骤中，水冲洗机器人的运动可以是实际大臂旋转、大臂俯仰、小臂伸缩、平台俯仰、平台旋转、车体的移动以及支腿的伸缩的旋转角度与伸缩量中的任意一种或几种；模糊控制系统即是指图2中所示的模糊化、模糊推理和解模糊三个模块所组成的系统。

步骤2：将所述模糊控制系统的输入量进行模糊化处理得到位置误差模糊变量值E以及位置误差变化率模糊变量值EC；

本步骤中，可以采用本领域技术人员公知的各种模糊化手段，均不影响本发明技术方案的实施，此处不再赘述。

步骤3：根据模糊推理算法和模糊控制规则对所述位置误差模糊变量值E以及位置误差变化率模糊变量值EC进行推理，得到模糊输出量；

步骤4：将所述模糊输出量采用加权平均法进行解模糊，得到清晰控制量K_p、K_i、K_d；

步骤5：将所述位置误差e、位置误差变化率以及清晰控制量送入PID调节器以实时对变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统进行自适应调整。

本发明中，清晰控制量经驱动放大器可以对变电站带电作业水冲洗机器人尤其是其液压比例阀的开度进行较精确控制，不但保留了传统PID控制的优点，同时又增加了模糊控制算法的优点，使变电站带电作业水冲洗机器人在变电站内进行冲洗作业的特殊工况下，具有自适应的调整能力，以及在控制精度上和稳定性上都有了较大提高，增强了可靠性、抗干扰能力，具有一定的鲁棒性。

作为对本发明的一种改进，上述步骤4还可以包括确定模糊控制器的输入量和输出量进行定义模糊集及其论域，确定隶属度函数的相关步骤，具体可以包括：

步骤41：将所述位置误差模糊变量值E采用7种模糊语言变量进行描述，分别为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZR，负小NS，负中NM，负大NB}；选定所述位置误差模糊变量值E的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并确定所述位置误差模糊变量值E的隶属度函数，如图3所示；

步骤42：将所述位置误差变化率模糊变量值EC采用7种模糊语言变量进行描述，分别为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZR，负小NS，负中NM，负大NB}；选定所述位置误差变化率模糊变量值EC的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并确定所述位置误差变化率模糊变量值EC的隶属度函数，如图4所示；

步骤43：将所述模糊输出量K_p采用7种模糊语言变量进行描述，分别为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZR，负小NS，负中NM，负大NB}；选定所述模糊输出量K_p的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并确定所述模糊输出量K_p的隶属度函数，如图5所示；

步骤44：将所述模糊输出量K_i采用7种模糊语言变量进行描述，分别为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZR，负小NS，负中NM，负大NB}；选定所述模糊输出量K_i的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并确定所述模糊输出量K_i的隶属度函数，如图6所示；

步骤45：将所述输出量K_d采用7种模糊语言变量进行描述，分别为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZR，负小NS，负中NM，负大NB}；选定所述输出量K_d的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并确定所述输出量K_d的隶属度函数，如图7所示。

作为对本发明的另一种改进，上述步骤3中根据模糊推理算法和模糊控制规则进行推理，模糊PID参数整定所依据的专家规则如下：

(1)在调节前期K_p应适当加大，以提高响应速度；在调节中期K_p适中，应考虑系统的稳定性与控制精度；在调节后期K_p应适当减小，以减少静态误差、抑制超调。

(2)在调节前期K_i应适当减小，以提高响应速度；在调节中期K_i适中，应避免影响系统的稳定性；在调节后期K_i应该适当加大，以减少静态误差，以提高控制精度。

(3)在调节前期K_d应适当加大，可以抑制超调；在调节中期由于控制特性对K_d比较敏感，故K_d应适当减小；在调节后期K_d应适当减小，以减弱被控过程的制动作用。

根据以上专家规则以及知识库，建立如下K_p、K_i、K_d模糊控制规则：

模糊控制的输出是一个模糊子集，它是反映控制语言的不同取值的一种组合。作为对本发明的又一种改进，上述步骤4进一步为：利用加权平均法解模糊，求出相应的控制量，得到K_p、K_i、K_d三个参数的输出控制表如下：

上述清晰控制量经驱动放大器实时控制液压比例阀的开度，以实现对水冲洗机器人较精准的调节，保证了变电站带电作业水冲洗机器人安全、稳定的带电作业。

本发明使变电站带电作业水冲洗机器人在较复杂的变电站环境中带电作业，提供了可靠性，为适应水冲洗机器人进行带电作业的特殊工况，采用全液压驱动与控制，对液压系统利用模糊PID控制方法，不但保留了传统PID控制的优点，同时又增加了模糊控制算法的优点，使水冲洗机器人具有自适应的调整能力，以及在控制精度上和稳定性上都有了较大提高，增强了抗干扰能力，具有一定的鲁棒性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种变电站带电作业水冲洗机器人，包括液压系统，其特征在于，所述液压系统包括柴油发动机、液压泵、液压比例阀、液压马达、支腿油缸、变幅油缸、伸缩油缸、俯仰油缸、摆动油缸、传感器、运动控制器和驱动放大器，其中：

所述柴油发动机为整机提供动力源，所述柴油发动机的动力输出通过联轴器连接有变量柱塞泵；

所述液压泵经所述液压比例阀与所述液压马达、支腿油缸、变幅油缸、伸缩油缸、俯仰油缸以及摆动油缸相连接；

所述传感器监控所述液压马达、支腿油缸、变幅油缸、伸缩油缸、俯仰油缸以及摆动油缸的运动信息，反馈到所述运动控制器，所述运动控制器经所述驱动放大器控制所述液压比例阀的开度；

所述液压比例阀采用电磁比例阀，所述运动控制器采用四轴及以上多轴运动控制器；

所述变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统控制方法，包括：

步骤1：实时检测并获取所述变电站带电作业水冲洗机器人运动的位置误差e以及位置误差变化率作为模糊控制系统的输入量；

步骤2：将所述模糊控制系统的输入量进行模糊化处理得到位置误差模糊变量值E以及位置误差变化率模糊变量值EC；

步骤3：根据模糊推理算法和模糊控制规则对所述位置误差模糊变量值E以及位置误差变化率模糊变量值EC进行推理，得到模糊输出量；

步骤4：将所述模糊输出量采用加权平均法进行解模糊，得到清晰控制量K_p、K_i、K_d；

步骤5：将所述位置误差e、位置误差变化率以及清晰控制量送入PID调节器以实时对变电站带电作业水冲洗机器人的液压系统进行自适应调整；

所述变电站水冲洗机器人的液压系统通过运动控制器经驱动放大器控制液压比例阀的开度实现大臂旋转、大臂俯仰、小臂伸缩、平台俯仰、平台旋转、车体的移动以及支腿的伸缩，机械臂的各个关节安装的传感器，可实时监控水冲洗机器人的运动信息，传感器检测的运动信息与给定的理想运动目标位置对比，采用模糊PID控制方法控制水冲洗机器人的运动；

所述步骤4还包括：

步骤41：将所述位置误差模糊变量值E采用7种模糊语言变量进行描述，分别为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZR，负小NS，负中NM，负大NB}；选定所述位置误差模糊变量值E的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并确定所述位置误差模糊变量值E的隶属度函数；

步骤42：将所述位置误差变化率模糊变量值EC采用7种模糊语言变量进行描述，分别为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZR，负小NS，负中NM，负大NB}；选定所述位置误差变化率模糊变量值EC的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并确定所述位置误差变化率模糊变量值EC的隶属度函数；

步骤43：将所述模糊输出量K_p采用7种模糊语言变量进行描述，分别为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZR，负小NS，负中NM，负大NB}；选定所述模糊输出量K_p的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并确定所述模糊输出量K_p的隶属度函数；

步骤44：将所述模糊输出量K_i采用7种模糊语言变量进行描述，分别为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZR，负小NS，负中NM，负大NB}；选定所述模糊输出量K_i的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并确定所述模糊输出量K_i的隶属度函数；

步骤45：将所述输出量K_d采用7种模糊语言变量进行描述，分别为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZR，负小NS，负中NM，负大NB}；选定所述输出量K_d的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并确定所述输出量K_d的隶属度函数；

所述步骤3中所依据的专家规则如下：

(1)在调节前期K_p应适当加大，以提高响应速度；在调节中期K_p适中，应考虑系统的稳定性与控制精度；在调节后期K_p应适当减小，以减少静态误差、抑制超调；

(2)在调节前期K_i应适当减小，以提高响应速度；在调节中期K_i适中，应避免影响系统的稳定性；在调节后期K_i应该适当加大，以减少静态误差，以提高控制精度；

(3)在调节前期K_d应适当加大，可以抑制超调；在调节中期由于控制特性对K_d比较敏感，故K_d应适当减小；在调节后期K_d应适当减小，以减弱被控过程的制动作用；

根据以上专家规则以及知识库，建立如下K_p、K_i、K_d模糊控制规则：

所述步骤4进一步为：利用加权平均法解模糊，求出相应的控制量，得到K_p、K_i、K_d三个参数的输出控制表如下：