超高压带电清扫机器人控制系统设计与研究

论文摘要

我国西北地区多风沙、少阴雨,绝缘瓷瓶容易积累污垢,从而发生“污闪”事件,严重影响电力系统的安全运行。因而必须对变电站内的绝缘磁瓶进行定期清扫,以避免“污闪”事件的发生。在国家863项目的资助下,课题组从2002年开始研制带电清扫机器人,经过长期的努力,机器人的研制取得初步成效,解决了很多技术难题,制作出第一代样机（HVCR-Ⅰ）并成功地在兰州某220/330kV变电所进行了现场带电清扫试验。在第一代样机研制基础上,课题组又研制了第二代超高压带电清扫作业机器人（HVCR-Ⅱ）。第二代样机较第一代结构有了很大的改变,性能也有了很大提高。本论文主要阐述了第二代样机的控制系统及功能设计,并对系统的主要机构—作业平台的控制进行了设计和研究,最后介绍了关于机器人使用性能的一些相关试验。文中首先介绍了超高压带电清扫机器人的系统结构组成,包括机械机构和液压系统,以及功能设计要求;然后根据功能设计要求,设计了系统的控制系统。系统采用了上下位机交互式控制系统,下位机的主要功能是控制功能的实现,上位机的主要功能是对下位机进行监控。文中详细论述了下位机PLC控制系统的设计,包括硬件的选型与组建,机器人移动、作业、调平等各个控制功能的实现及相关问题研究;然后本文论述了引入上位机控制系统的主要作用,详细阐述了以S12单片机为核心的上位机控制的系统的组成,外围器件的设计和功能实现;讨论了上下位机的通讯和控制功能的实现。作业平台是系统的主要功能部分,平台的升降机构采用了双层剪叉式升降机构和接力式驱动设计,大大提高了系统的绝缘性能,但平台运动速度稳定性较差。本文对升降平台的运动进行了详细的分析研究,并利用PID和液压控制方法分别对上下层升降平台的运动进行控制,取得了良好的效果。同时本文对平台作业的主要功能—自动清扫功能进行了设计和实现,并且能够在样机上稳定运行。论文最后对机器人的各项性能进行了试验研究,包括高电压绝缘性能试验、清扫毛刷旋转测试、自动清扫试验以及平台自动调平试验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 超高压带电作业机器人（HVCR-Ⅰ）
• 1.4 本文的主要内容与各章节安排
• 1.5 本章小结
• 第二章 HVCR-Ⅱ系统组成
• 2.1 HVCR-Ⅱ功能要求概述
• 2.2 HVCR-II 机械系统结构
• 2.2.1 移动载体
• 2.2.2 作业平台
• 2.2.3 清扫装置
• 2.3 HVCR-Ⅱ的液压系统
• 2.4 本章小结
• 第三章 PLC 控制系统及功能设计
• 3.1 HVCR-Ⅱ控制系统简介
• 3.2 下位机控制系统综述
• 3.2.1 PLC 简述
• 3.2.2 PLC 控制系统结构
• 3.2.3 PLC 选型及组态
• 3.3 平台移动子系统控制设计
• 3.3.1 元器件选择
• 3.3.2 移动方式设计
• 3.3.3 转弯策略分析
• 3.3.4 移动功能控制流程
• 3.4 平台作业子系统控制设计
• 3.4.1 元器件选择
• 3.4.2 平台作业功能控制流程
• 3.5 平台自动调平子系统设计
• 3.5.1 元器件选择
• 3.5.2 调平策略与系统结构
• 3.5.3 采样频率和精度
• 3.5.4 自动调平控制流程
• 3.6 系统控制子系统
• 3.7 本章小结
• 第四章 上位机控制系统功能及设计
• 4.1 操作可靠性简介
• 4.2 上位机控制系统综述
• 4.2.1 上位机系统组成
• 4.2.2 主要元件简介
• 4.3 LED 显示屏功能及实现
• 4.3.1 硬件连接及512 寄存器设置
• 4.3.2 汉字显示原理及过程
• 4.4 蜂鸣器功能及实现
• 4.5 矩阵式键盘功能及实现
• 4.6 上下位机的通讯及控制
• 4.6.1 通讯协议
• 4.6.2 PLC 通讯设置
• 4.6.3 512 通讯设置
• 4.6.4 上下位机通讯及控制流程
• 4.6.5 无线通讯可靠性保证
• 4.6.6 无线通讯延时问题
• 4.7 本章小结
• 第五章 作业平台控制研究
• 5.1 绝缘升降平台运动控制
• 5.1.1 绝缘升降机构工作原理
• 5.1.2 绝缘升降机构动力学分析
• 5.1.3 绝缘升降机构实验分析及关键参数计算
• 5.1.4 平台运动优化
• 5.2 金属升降平台运动优化
• 5.2.1 分析及计算
• 5.2.2 运动优化
• 5.3 自动清扫作业研究
• 5.3.1 自动对中功能设计
• 5.3.2 自动清扫功能设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 HVCR-Ⅱ相关试验研究
• 6.1 绝缘性能试验
• 6.1.1 工频耐压试验
• 6.1.2 标准操作波冲击试验
• 6.1.3 试验结果分析
• 6.2 HVCR-Ⅱ工作性能实验
• 6.2.1 作业毛刷旋转测试
• 6.2.2 自动清扫作业试验研究
• 6.2.3 自动调平性能实验
• 6.3 本章小结
• 第七章 论文总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及成果