摘 要

石油管道、天然气管道、自来水管道、污水管道、电缆管道、光纤管道等等，管道已经成为了人们的生产生活中不可缺少的重要通道，渗入了我们生产生活的方方面面，若管道发生损伤或破环，会对我们的经济、生活造成重大损失。为了防止管道故障造成事故，必须对管道进行定期的检测和维护，但是管道一般错综复杂，检修或者维护人员很难直接进入，这就促进了管道机器人的发展，在人员不利于直接进入工作时，可以启用管道用机器人进入。机器人一般装有摄像头、各种传感器、电源以及其他设备，这些都需要稳定的工作环境才能高效率的完成工作，所以控制管道机器人行走的平稳有重要的意义。

本论文从PID控制器和自抗扰控制器（ADRC）两个方面讨论了对管道机器人的控制，根据一般条件下的管道机器人模型，推导其传递函数。由于管道机器人工作环境恶劣，会存在各种干扰，不同干扰会影响机器人的速度、振幅等参数，将不同干扰简化成不同的函数表达。然后用Matlab软件中的Simulink模块搭建系统模型，加入不同干扰，例如三角波、随机波形等，进行仿真实验，得到分别在PID控制下和自抗扰控制器下的仿真曲线，以此来分析两种控制器的抗干扰能力。

对比曲线分析可知，PID控制器与自抗扰控制器相比，无论在调节时间上，还是稳态误差上，自抗扰控制器的控制效果更好一些，能够在更短的时间内达到稳定状态，超调量也更小一些。PID控制器在受到干扰后会经过一个随着干扰波动的过程，而自抗扰控制器要波动的更小一些，鲁棒性更强些。

关键词：管道机器人；PID控制；自抗扰控制

Abstract

Oil pipelines, gas pipelines, water pipes, sewage pipes, cable ducts, pipes, etc. fiber pipe has become the people's production and life indispensable channel, into all aspects of our life and production, pipeline damage occurs or if the broken ring , would our economy, causing heavy loss of life. In order to prevent accidents caused by pipeline failure, the pipeline must carry out regular inspection and maintenance, but the pipe is generally complex and difficult to repair or maintenance personnel direct access, which promoted the development of pipeline robot, is not conducive to personnel directly into the work, you can enable pipeline into the robot. General robot equipped with cameras, sensors, power supply and other devices, which require stable working environment in order to efficiently complete the work, so smooth walking robot control pipe has important significance.

This thesis discusses two aspects of the pipeline robot is controlled from the PID controller and the ADRC , according to the pipeline robot model under normal conditions, calculate its transfer function. Because of the bad pipe robot working environment, there will be all kinds of interference, different disturbances will affect the robot's speed, amplitude and other parameters that will simplify the expression of different disturbance into different functions. Then set up using Matlab Simulink software module system model, adding different disturbances, such as triangular wave, random waveforms, simulation experiments to obtain under PID control and bottom-disturbance rejection controller simulation curves in order to analysis of two controller anti-jamming capability.

Comparative analysis shows that curve, PID controller ADRC compared in terms of regulation time, or the steady-state error, since the effect of anti-rejection controller to control better, to achieve stability in a shorter period of time state, overshoot is also smaller. PID controller after disturbance will go through a process with the interference fluctuations and ADRC to fluctuations even smaller, more robust more.

Keywords: pipeline robot；PID control； ADRC control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.3 本文主要内容 2

第2章 总体设计方案 3

2.1 行走机构的选择 3

2.2 系统功能分析 3

2.3 关键技术点 3

2.3.1 机器人运动控制方案 3

2.3.2 系统抗干扰技术 4

2.4 本章小结 4

第3章 PID控制 5

3.1 PID控制规律 5

3.2 轮式管道机器人的PID控制器 6

3.2.1 管道机器人运动模型分析 6

3.2.2 PID控制器模型仿真 9

3.3本章小结 9

第4章 轮式管道机器人的自抗扰控制器 10

4.1 自抗扰控制器的研究现状及其应用 10

4.2 自抗扰控制器的基本结构 10

4.3 自抗扰控制器的建模 12

4.4 PID 与自抗扰控制算法抗干扰性分析 16

4.4.1速度抗干扰仿真 16

4.4.2 振幅抗干扰仿真 16

4.4.3 角度抗干扰仿真 18

4.5 本章小结 20

第5章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

在日常生活及工农业生产中，管道是经常用到的一种重要的物料运输设施，例如污水排放管道、天然气运输管道、石油运输管道、地下电缆管道等。因为各种因素的影响，天气原因、地质灾害、人为或动物破坏等，正在使用中的管道经常会出现堵塞、泄露、裂纹等各种各样的故障，若是不能快速对管道进行检测、清理和维修的话，任由其泄露或堵塞，很可能会产生损失，甚至闯下大祸。但是，一般管道所处的环境都很恶劣，往往是在地下，而且交错复杂，管径较小，不容易达到或不允许检测人员直接进入，检测及维修的难度很大。实际中所采取的随机抽样法、全面挖掘法等方法，耗费大量的人力物力和时间，工作量大, 完成效果不好, 效率非常低^[1]。