Введение к работе
Актуальность исследования. Важнейшей составной частью энергетического комплекса являются магистральные газо-, нефте- и нефтепро-дукто-трубопроводные системы и трубопроводы газораспределительных сетей. Из общего числа отказов трубопроводов примерно 23 % отказов приходится на долю дефектов геометрии типа овализации, образований вмятин, гофр и других дефектов приводящих к изменению проходного сечения трубопроводов.
Внедрение многоуровневой интегрированной системы обследования технического состояния трубопроводов, диагностирования их, проведени-ия мониторинга и ремонтно-восстановительных работ является одним из путей обеспечения эксплуатационной надежности трубопроводов. Значительный вклад в обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводов внесли ученые академических и отраслевых институтов АН Респ. Башкор-стан, ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, ИПТЭР Минэнерго РФ, ОАО «ВНИИСТ», ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ОАО «Гипротрубопровод», лабораторий и кафедр ВУЗов (РГУНГ им. И.М. Губкина, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Уфимского гос. нефт. техн. университета, Ухтинского ГТУ, Тюменского ГНГУ) и других научных центров страны.
Особенностью дефектоскопии нефте-газотрубопроводов, в т.ч. трубопроводов газораспределительных сетей является выполнение внутритруб-ной диагностики в условиях переменности поперечного сечения вследствие наличия: дефектов формы типа овализации, вмятин, гофр; плановых изгибов, сужений и других изменений диаметра трубопровода; внешних включений в виде загрязнения и посторонних предметов. На первом этапе внутритрубной дефектоскопии трубопроводов по РД-51-2-97 определяются особенности и дефекты геометрии (вмятины, гофры, овальности, сплющивания, сужения), вызывающие уменьшение его проходного сечения.
Протяжённость трубопроводов газораспределительных сетей, в т.ч. региональных газопроводов и газопроводов-отводов среднего и высокого давления (до 0,6 МПа) в России сегодня превышает 840 тыс. км, что почти в 4 раза превышает протяжённость всех магистральных трубопроводов. Поэтому создание мобильных роботов (МБР) для технической диагностики состояния, неразрушающего контроля и ремонтно-восстановительных работ внутри трубопроводов газораспределительных сетей - одно из перспективных направлений развития современной робототехники и мехатро-ники.
Одним из путей обеспечения требуемого качества выполнения операций внутритрубной диагностики и ремонта трубопроводов региональных
газопроводов и газопроводов-отводов среднего и высокого давления в подобных условиях является применение адаптивных МБР.
Диссертационная работа основывается на результатах, достигнутых научными коллективами под руководством С.Ф. Бурдакова, В.Г. Градецко-го, Е.А.Девянина, И.Н. Егорова, С.Л. Зенкевича, И.М. Макарова, Ю.Г. Мартыненко, И.В. Мирошника, Д.Е. Охоцимского, Ю.В. Подураева, Е.И. Юревича, А.С. Ющенко, С.Ф. Яцун, Erich R., Galvez J.А., Но-rodinca М., Komori М., Lee S., Okamoto J., Sukhatme G. S., Suzumori К. и др.
Рассматриваемая в диссертации проблема позиционно-силового управления перемещением адаптивных МБР при выполнении технологических диагностических операций внутри трубопроводов в условиях переменности их поперечного сечения и действия внешних связей, обусловленных взаимодействием робота с поверхностью трубопровода является актуальной.
Целью диссертационной работы является расширение технологических возможностей при проведении внутритрубной дефектоскопии трубопроводов региональных газопроводов и газопроводов-отводов среднего и высокого давления посредством применения диагностических колесных МБР с позиционно-силовым управлением.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
анализ кинематических схем механизмов поджатая колесных модулей МБР к поверхности трубопровода с целью создания адаптивной системы передвижения в условиях переменности поперечного сечения трубопровода;
разработка кинематических и динамических моделей колесного МБР при прохождении прямолинейных участков, отводов и тройников трубопровода;
анализ и разработка структур и алгоритмов кинематического и динамического управления движением МБР в условиях переменности траектории перемещения и поперечного сечения трубопровода;
анализ возможности распознавания движущимся диагностическим роботом круглых дефектов типа «несплошности в виде круглого отверстия, плавного изменения толщины круглой формы с остаточной глубиной» и определения координат их местоположения;
проведение исследований эффективности разработанных структур и алгоритмов путем моделирования в среде Matlab Simulink.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы методы теории автоматического управления, дифференциальных уравнений, теоретической механики, робототехнических систем и математического моделирования динамических систем.
Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту основные результаты, обладающие научной новизной:
кинематические и динамические модели колесного МБР, позволяющих создать новые алгоритмы управления системой его передвижения внутри трубопроводов с переменным поперечным сечением;
структуры адаптивной системы передвижения робота со стабилизацией силы прижатия его колесных модулей к внутренней поверхности трубопровода в условиях переменности проходного сечения;
структурно-алгоритмическое обеспечение нечеткой системы по-зиционно-силового управления движением в условиях действия внешних связей, переменности геометрии внутренней поверхности трубопровода при отсутствии проскальзывания колесной системы робота.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана методика определения параметров системы передвижения электромеханического колесного робота внутри трубопроводов с переменной геометрией;
предложены альтернативные варианты компоновки систем адаптации поджатия колесных модулей робота;
разработана методика анализа характеристик системы передвижения диагностического робота на основе моделирования его взаимодействия с внутренней поверхностью трубопровода;
разработана компьютерная Simulink модель и программа моделирования системы нечеткого позиционно-силового управления перемещением диагностического мобильного робота.
Внедрение результатов исследования осуществлено в г/б НИР № 572/09 университета при проектировании систем с неполностью наблюдаемой регулируемой координатой и в учебный процесс специальности 220401 "Мехатроника" по дисциплинам «Интеллектуальные мехатронные системы» и «Электромеханические и мехатронные системы». В диссертации имеются соответствующие акты внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: 6-й Междунар. научной конфер. по математ. теории управления и механике, Суздаль, 2007;научно-технич. конфер. «Мехатроника, автоматизация, управление» (МАУ-2008), СПб, 2008; Междунар. научной конфер. по дифференц. уравнениям и динамике систем, Суздаль, 2008; Междунар. научной конфер. по математич. теории управления и механике, Суздаль, 2009; Междунар. научно-технич. конфер. «Состояние и перспективы развития электротехнологий» (XV Бенардосовские чтения), Иваново, ИГЭУ им. В.И.Ленина, 2009; Девятом Междунар. симпозиуме «Интеллектуальные системы, INTELS 2010» ВлГУ; заседании кафедр «Автоматические и мехатронные системы» и «Автоматизация технологических процессов»; научно-технической конференции ВлГУ.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в десяти печатных работах, в т.ч. трех статьях - в изданиях из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем основного содержания работы составляет 157 страниц, включая 1 таблицу, 94 рисунка, 2 страницы приложений и список литературы из 122 наименований.
