锅炉热交换管道检测机器人研究与测试

论文摘要

在我国80%以上的电力是由火力发电厂提供的,带鳍片的锅炉热交换管道是火力发电厂进行电力生产的关键设备,由于工作环境的恶劣,此类管道经常发生事故,造成整个发电机组停电,产生巨大的经济及社会损失。带鳍片的热交换管道结构复杂,分层排布,管道与管道之间空间狭小,目前国内外仅能以人工目测方式对其表层管道进行缺陷检测。本文研制了一种能够对带鳍片分层排布的锅炉热交换管道进行检测的机器人,并对如何保证其末端检测器在狭小的管道空间平稳可靠检测进行了研究。提出了一种基于“履带-车轮”复合结构的全方位移动装置,使机器人能够在凹凸不平的鳍片表面沿轴线方向与垂直管道轴线方向平稳移动,达到管道表层平面内任意位置,而机器人姿态保持不变。提出了刚柔并济的检测臂机构,既能将传感器送入1.5米深的管道空间进行精确检测,又可使检测臂在空间受限的锅炉内进行无障碍运动。锅炉热交换管道检测机器人四车轮独立驱动,相互耦合,行走于凹凸不平的鳍片管道表面,受管道鳍片的影响,各车轮即使角速度相同,其行进速度与不一定相同。通过车轮的负载变化对各车轮间耦合情况及鳍片排列情况进行判断,设计了基于负载观测的交叉耦合控制器,对机器人各车轮进行了协调控制,实现了凹凸不平路面上机器人的无偏转行进。设计了基于负载观测的前馈PI控制器对各车轮进行速度调节,使其行进速度对鳍片排列产生的干扰具有一定的鲁棒性:角速度恒定,则行进速度恒定。根据车轮负载变化与车轮间相互耦合力矩之间的关系,对各独立驱动的前后车轮进行了基于负载观测的解耦控制,使得检测中车体同一侧车轮不仅速度相同,而且相互干扰耦合转矩为零,从而可仅利用车体左右侧前车轮而实现对所有车轮的交叉耦合控制。车体左右车轮之间的交叉耦合控制采用模糊+PI形式,以适应交叉耦合系数随鳍片排列情况不同而改变。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 机器人的发展概述
• 1.2 移动机器人的发展概述
• 1.3 课题的工程背景及意义
• 1.4 本课题的研究内容
• 1.5 论文各章节安排
• 第二章 适应检测环境的机器人结构形式研究
• 2.1 引言
• 2.1.1 被检测管道结构特点及机器人工作环境描述
• 2.1.2 检测中的难点以及本章主要研究内容
• 2.2 检测机器人结构分析与研究
• 2.2.1 检测机器人总体描述
• 2.2.2 全方位移动机构分析与设计
• 2.2.3 移动车体顶部调整平台设计
• 2.2.4 柔性检测臂装置
• 2.2.5 末端检测器
• 2.3 检测机器人检测过程及其时间最优描述
• 2.3.1 时间最优检测路径的生成
• 2.3.2 检测路径的时间最优化证明
• 2.4 本章小结
• 第三章 检测过程中多电机同步控制装置的研究
• 3.1 引言
• 3.2 检测过程中各独立驱动车轮之间的协调控制研究
• 3.2.1 各独立驱动车轮之间协调控制的整体策略
• 3.2.2 各独立驱动车轮自身带负载观测的前馈PI控制研究
• 3.2.3 基于负载观测的前后车轮解耦控制
• 3.2.4 左右车轮之间模糊交叉耦合控制
• 3.3 本章小结
• 第四章 检测机器人的测试、运行结果及用户使用验证
• 4.1 检测机器人主要参数及性能指标
• 4.2 测试、运行结果及用户使用验证
• 4.2.1 实验室模拟运行
• 4.2.2 现场试验报告
• 第五章 总结及展望
• 5.1 论文的主要工作
• 5.2 论文研究的创新点
• 5.3 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表