基于非线性反步法的清管器速度非线性自适应控制

来源：石油科学通报杂志2025年第3期北京时间：

作者：朱霄霄, 王浩坤, 刘贺, 张殊凡, 张仕民

单位：1 中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院，北京 1022492 应急管理部油气生产安全与应急技术重点实验室，北京 1022493 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249

摘要：管道作为能源传输的核心纽带，其安全性直接关乎能源供应的稳定性与传输效率。在原油运输过程中，输送介质中的蜡或其他杂质会沉积或附着在管壁上，导致管道输送效率降低，严重情况下会造成堵塞。同时，管道长期运营之后还会产生腐蚀、裂纹等缺陷。因此，定期进行清管和检测是确保管道功能完整和安全运行的重要措施。在作业过程中，精确控制管道机器人(清管器)的运行速度至关重要，不仅能够提升清管效率，还有助于规避因速度不当引起的潜在风险。针对清管作业过程中可能遭遇的管道变形、环焊缝以及管内介质压力波动等外部干扰因素，为确保清管器的运行速度维持在最佳清管效果的速度区间内，提出了一种基于非线性反步法的自适应控制策略。该控制策略基于李雅普诺夫方程与SR模型，并以此为基础推导被控对象的控制器。通过此方法，可以灵活调整以适应清管器的目标速度或在管道内的运行轨迹，实现对清管器速度变化的精确预测。自适应控制器通过调节旁通阀的开闭，改变清管器旁通阀的截流面积，进而调整清管器前后压差，确保速度稳定在最佳清管效果的速度区间内，有效控制速度并降低外界干扰的影响。通过在Simulink Toolbox中构建清管器模型，进行PID与非线性反步法的对比仿真分析。仿真结果显示，非线性反步法控制策略展现出更快的响应速度和更优的控制效果。进而对倾斜管道和弯曲管道下的非线性反步法控制策略进行仿真，仿真实验表明，清管器在倾斜管段和弯管段，自适应控制器均能对速度变化和位移变化做出精准预测，并根据预测的结果调整旁通阀的开度，从而精准控制清管器的速度。非线性反步法的自适应控制策略能够在外界干扰存在的情况下使清管器迅速达到速度稳定状态，有效控制清管器的运行速度，相较于传统PID控制，该方法能显著提高系统的响应速度和稳定性，具有更强的适应性和鲁棒性。该控制策略可为清管器在面临复杂多变的实际控制环境中提供参考，为提高清管作业的效率和安全性提供保障。

关键词：管道清管,自适应控制,非线性反步法,旁通阀,外界干扰

基金资助：国家重点研发计划项目“深水水下管道管内多级智能带压封堵技术及装备研制”(2022YFC2806103)