Utafiti huu unachunguza kitengo cha nanga cha roboti mahiri ya kuziba bomba, kilichotengenezwa kwa ajili ya matengenezo na ukarabati wa dharura katika mabomba ya mafuta na gesi asilia ya chini ya bahari, kwa upande wa muundo wa kimekanika na udhibiti unaobadilika. Watafiti walibuni utaratibu mchanganyiko unaounganisha uendeshaji wa skrubu, mekanizimu ya crank-slider ya eksentriki na kiunganishi cha parallelogramu ili kuwezesha vipengele vya nanga vinavyoitwa slip kufunguka kwa mwelekeo wa radial ndani ya nafasi finyu ya bomba. Kwa upande wa udhibiti, algoriti ya Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) ilitumika kukabiliana na tatizo la vigezo visivyobadilika vya PID kutoweza kuendana na hali zinazobadilika za mzigo na msuguano; vigezo vya \(K_p\) na \(K_i\) vilirekebishwa mtandaoni, kazi mpya ya zawadi inayoadhibu vigezo vinavyovuka mipaka ya kimekanika ilitengenezwa, pamoja na mkakati wa mafunzo wa hatua mbili unaochanganya mafunzo ya awali nje ya mtandao na uboreshaji wa mwisho mtandaoni.

Katika sehemu ya kimekanika ya utafiti, modeli ya mwendo wa mekanizimu ya nanga iliundwa kwa mbinu ya Lagrange na mwendo wa slip ukajaribiwa kwenye mpangilio halisi wa maabara katika viwango sita tofauti vya nguvu ya kusukuma. Chanzo kinafafanua eneo la 10–15 kN kama eneo linalofaa zaidi la nguvu ya nanga na kuripoti kwamba katika eneo hili uhamishaji wa slip ulisalia karibu 53,1–53,5 mm. Hata hivyo, katika Jedwali 3 husika baadhi ya mahusiano ya namba kati ya thamani ya kinadharia, thamani ya majaribio, ishara ya mkengeuko na lengo la 53,4 mm hayalingani ndani kwa ndani. Kwa hiyo jaribio hili linapaswa kutathminiwa kama uthibitisho wa awali unaounga mkono mwelekeo wa jumla wa modeli ya kimekanika; matokeo mapya au yaliyosahihishwa hayapaswi kutolewa kutoka kwenye thamani za hitilafu zenye ishara zilizo kwenye jedwali.

Matokeo makuu ya sehemu ya udhibiti unaobadilika yalipatikana kutoka kwenye simuleringi ya MATLAB/Simulink. Kulingana na Jedwali 9 la chanzo, katika hali isiyo na usumbufu, udhibiti wa kawaida wa PID ulikuwa na overshoot ya %25 na hitilafu ya uhamishaji ya 5,0 mm, huku DDPG ya kawaida ikiwa na %12 na 2,0 mm, na DDPG iliyoboreshwa ikiwa na %3 na 0,3 mm. Usumbufu ulipotumika, PID ilitoa overshoot ya %28 na hitilafu ya 7,0 mm, DDPG ya kawaida %15 na 3,0 mm, na DDPG iliyoboreshwa %4 na 0,5 mm. Hivyo utafiti unaonyesha kwamba ndani ya modeli yake ya simuleringi, udhibiti uliopendekezwa ulifanya vizuri zaidi kuliko mbinu nyingine mbili katika mwitikio wa awali na urejeshaji baada ya mzigo wa usumbufu.

Hata hivyo, udhibiti ulioboreshwa wa DDPG-PID haujathibitishwa kwenye bomba halisi au roboti kamili ya kuziba. Jaribio la kimwili ni mpangilio mdogo wa majaribio unaolenga tu tabia ya uhamishaji wa slip katika mekanizimu ya nanga. Utendaji wa udhibiti wa Actor–Critic, adhabu ya kizuizi cha kimekanika, ulinganisho wa TD3 na matokeo ya hitilafu/overshoot katika Jedwali 9 yanategemea data ya simuleringi. Kwa hiyo utafiti haujathibitisha kwamba utendaji huohuo utapatikana chini ya mkondo halisi wa chini ya bahari, msuguano halisi wa uso wa bomba, ucheleweshaji wa mawasiliano, hitilafu za sensa na shinikizo la kiwango kamili.

Kwa mtazamo wa Türkiye, utafiti huu unatoa mfano wa kimetodolojia kwa maendeleo ya roboti za matengenezo zinazofanya kazi ndani ya mabomba ya mafuta na gesi asilia, mifumo ya muda ya kutenga bila vali, na mekanizimu za nanga za kielektromekanika kwa nafasi finyu. Hata hivyo, radius ya ndani ya bomba ya 285 mm, vipimo vya mekanizimu, nguvu za kusukuma na vigezo vya udhibiti katika muundo huu havipaswi kuhamishwa moja kwa moja kwa roboti nyingine ya ndani ya bomba. Kipenyo cha bomba, hali ya uso wa ndani, nguvu za mtiririko, shinikizo, injini na jiometri ya mekanizimu vinapobadilika, upimaji wa kimuundo na modeli ya udhibiti lazima zithibitishwe upya.

Roboti mahiri ya kuziba bomba inalenga kutatua tatizo gani?

Pipeline Intelligent Plugging Robot (PIPR) inayochunguzwa katika utafiti ni mfumo wa roboti unaolenga kutenga sehemu fulani ya bomba bila kutoboa shimo jipya kwenye ukuta wa bomba, hasa wakati wa matengenezo na ukarabati wa dharura katika mabomba ya chini ya bahari. Miongoni mwa motisha za utafiti ni ukweli kwamba mbinu za kawaida za kuziba zinazohitaji kutoboa zinaweza kuacha viunganishi vya kudumu kwenye bomba na kupunguza ufanisi wa operesheni.

Roboti hufanya kazi kuu mbili kupitia moduli zilizotenganishwa kimwili:

• Kitengo cha nanga: huifunga roboti kwenye ukuta wa bomba kwa msuguano katika nafasi inayolengwa.
• Kitengo cha kuziba: hulenga kuunda utengaji unaobeba shinikizo katika sehemu ya bomba kwa kupanua kipengele kikuu cha kuziba kwa mwelekeo wa radial.

Mgawanyo huu wa kazi unalenga kupunguza kadiri iwezekanavyo athari ya mzigo au mwendo wa kimekanika wa moduli moja kwa kazi ya moduli nyingine.

Mzunguko wa kazi wa roboti unaendeleaje?

Roboti inapoingia kwenye bomba kwa mara ya kwanza, slip za nanga na kipengele kikuu cha kuziba huwa vimerudishwa ndani ya mwili. Mwendo wa roboti hutolewa na tofauti ya shinikizo inayozalishwa na maji yanayotiririka ndani ya bomba.

Inapofika kwenye nafasi lengwa, ishara ya nje ya masafa ya juu ya kuweka nafasi huanzisha hali ya operesheni. Injini ya nanga huzungusha mekanizimu ya skrubu, viunganishi hufungua slip kwa mwelekeo wa radial kuelekea ukuta wa bomba na roboti hushikiliwa kwa athari ya kujifunga kutokana na msuguano. Wakati huohuo, moduli ya kuziba hukandamiza kipengele cha kuziba na kukipanua kuelekea ukuta wa bomba.

Operesheni inapokamilika, kipengele cha kuziba na slip hurudishwa ndani. Roboti hurudi katika umbo lake dogo linalofaa kwa mtiririko na husafirishwa hadi sehemu ya kutoka kwa kutumia tofauti ya shinikizo iliyo kinyume.

Kwa nini mekanizimu tatu zimeunganishwa kwenye nanga?

Watafiti walitaka kuzalisha nguvu kubwa ya nanga ya radial ndani ya bomba finyu huku slip zikisogea kadiri iwezekanavyo katika mwelekeo wa radial pekee. Kwa hilo, kazi tatu za kimekanika zimeunganishwa katika mnyororo mmoja:

1. Mfumo wa skrubu–nati hubadilisha mzunguko wa injini kuwa mwendo wa mstari wa axial.
2. Muundo wa crank–slider wa eksentriki huhamisha mwendo wa axial wa nati kwenda kwenye mfumo wa viunganishi.
3. Mekanizimu ya parallelogramu hudumisha mwelekeo wa slip huku ikiunga mkono mwendo wa kutafsiri wa radial.

Katika kitengo cha nanga kuna vikundi sita vya slip vilivyopangwa kwa nafasi sawa kuzunguka bomba. Mpangilio huu wa ulinganifu unalenga kusambaza nguvu ya nanga kwa usawa zaidi kuzunguka bomba.

Vipimo kuu vya kimekanika ni vipi?

Katika hali ya kazi, mhimili wa shimo la kufunga kwenye slip uko 75 mm kutoka ukuta wa ndani wa bomba. Urefu wa viungo vya mekanizimu ya kuunganisha umewekwa kwenye chanzo kuwa 92, 130, 130, 155 na 155 mm.

Kwa nini mfumo wa skrubu umebuniwa kujifunga wenyewe?

Ili kuzuia mfumo wa nanga usifunguke bila kukusudiwa chini ya mzigo wa nje baada ya kubanwa kwenye ukuta wa bomba, sharti la kujifunga la jozi ya skrubu ya trapezoid lilichunguzwa.

Mzigo wa axial katika jozi ya skrubu umetolewa kwenye chanzo kama:

\[ F=KF_X+f(F_Z+W) \]

Hapa \(K=1{,}15\) ni mgawo wa majaribio, \(f=0{,}15\) ni mgawo wa msuguano wa kuteleza, \(F_X=10\) N ni nguvu ya inertia ya sehemu zinazosogea, \(F_Z=920\) N ni nguvu ya kawaida na \(W=80\) N ni uzito wa nati.

Kipenyo cha kawaida cha skrubu kilichaguliwa kuwa 16 mm, pitch 4 mm na pitch diameter 14 mm.

Kwenye chanzo, pembe ya helix ya skrubu imehesabiwa kama:

\[ \lambda= \tan^{-1}\left(\frac{4}{14\pi}\right) = 5{,}20^\circ \]

na pembe sawia ya msuguano:

\[ \rho_v= \tan^{-1} \left( \frac{0{,}15}{\cos15^\circ} \right) = 8{,}83^\circ \]

Kwa kuwa \(\lambda \leq \rho_v\), watafiti walihitimisha kwamba jozi ya skrubu inatimiza sharti la kujifunga.

Ufanisi wa uhamishaji uliokokotolewa wa jozi ya skrubu umetolewa kuwa:

\[ \eta= \frac{\tan\lambda} {\tan(\lambda+\rho_v)} \times100\% = 36{,}42\% \]

imepewa hivyo.

Je, skrubu inatosha kwa buckling na nguvu ya injini?

Kwenye chanzo, mzigo muhimu wa buckling wa skrubu umehesabiwa kuwa 24.525,16 N na uwiano wa mzigo muhimu kwa mzigo wa kazi ukapatikana kuwa 151,86. Thamani hii iko juu sana ya sharti la chini la usalama lililotumika.

Lengo lilikuwa nati ikamilishe mwendo wa 90 mm katika sekunde 5. Kasi ya wastani ya mstari ilihesabiwa kuwa 1,08 m/min, kasi lengwa ya skrubu 270 r/min na kasi ya angular \(9\pi\) rad/s.

Momenti ya jumla ya coupling:

\[ T_Z= 2(T_1+T_2) = 0{,}788\ \mathrm{N\,m} \]

na nguvu ya injini inayohitajika:

\[ P= \frac{T_Zn}{9550} = 0{,}022\ \mathrm{kW} \]

zilipatikana.

Katika sehemu ya muundo wa kimekanika, watafiti walichagua injini ndogo ya asynchronous ya aina ya diski YPE200-4 yenye nguvu ya kawaida ya 0,1 kW na kasi ya kawaida ya 1320 r/min. Hata hivyo, katika sehemu zinazofuata za modeli ya udhibiti hutumika istilahi tofauti za injini; tofauti hii ya ndani ya chanzo imehifadhiwa pia katika dokezo la mbinu.

Modeli ya mienendo ya slip iliundwaje?

Uhamishaji wa slip katika mwelekeo wa radial wa bomba \(\Delta y(t)\) ulichaguliwa kuwa koordinati ya jumla na mfumo ukamodeliwa kwa mbinu ya Lagrange.

Kwa kutumia urefu \(L\) wa viungo virefu, nguvu ya axial \(F_t\) inayohamishwa kutoka kwenye nati, uzito wa slip \(m_K\) na mgawo wa msuguano \(u\), utafiti unafikia mlinganyo wa mienendo:

\[ m_K\Delta\ddot{y} = \frac{2F_t}{L} \left( \Delta y - u\sqrt{L^2-\Delta y^2} \right) \]

Mlinganyo huu unaunganisha kuongeza kasi ya radial ya slip na nguvu ya kiunganishi, jiometri ya mekanizimu na msuguano wa kuteleza dhidi ya ukuta wa bomba.

Je, modeli ya mienendo ilijaribiwa kimwili?

Ndiyo, lakini upeo wa uthibitishaji ni mdogo. Jaribio la kimwili katika utafiti si operesheni ya kuziba ya roboti kamili kwenye bomba la chini ya bahari. Kwa sababu ya hali za maabara, ni mwendo wa uhamishaji wa slip za nanga pekee uliojaribiwa katika mpangilio wa majaribio uliotengenezwa kwa kutumia kanuni ya ufanano.

Katika mpangilio huo, aktueta ya umeme ya mstari ilisukuma mekanizimu ya slip huku mwendo ukirekodiwa kupitia sensa ya uhamishaji, amplifier, controller na kompyuta.

Pointi sita zilitumika kwa nguvu ya kusukuma:

Watafiti wanafafanua eneo la 10–15 kN kuwa eneo linalofaa zaidi na wanaeleza kuwa kuna mwelekeo wa overshoot katika nguvu kubwa.

Hata hivyo, mkengeuko wenye ishara uliotolewa kwenye jedwali hauwezi kuzalishwa tena kutoka kwenye thamani za kinadharia na za majaribio kwa ufafanuzi mmoja wa kihisabati. Kwa mfano, katika 8 kN thamani ya majaribio ni 2,9 mm juu kuliko ya kinadharia lakini mkengeuko umetolewa kuwa −2,9 mm; katika 15 kN thamani ya majaribio ni 0,1 mm chini lakini imeandikwa +0,1 mm. Kwa hiyo jedwali la chanzo linapaswa kuhifadhiwa kama lilivyo na ishara zisihesabiwe upya kimya kimya.

Utafiti pia unaripoti muda wa kujiamini wa %95 wa [−4,03; 2,00] kwa kutumia usambazaji wa t kwa thamani sita za hitilafu. Kwa kuwa muda huu hauwezi kuzalishwa moja kwa moja kwa kutumia mkengeuko sita wenye ishara uliotolewa kwenye chanzo, matokeo ya kitakwimu yanapaswa kuwasilishwa kama yalivyoripotiwa kwenye chanzo.

Modeli ya kimekanika ilirahisishwaje kwa udhibiti?

Modeli ya udhibiti inawakilisha mnyororo wa uhamishaji unaojumuisha injini, coupling, skrubu, nati, mekanizimu ya viungo vingi na slip.

Uhusiano usio wa mstari wa kijiometri kati ya mwendo wa axial wa nati na mwendo wa radial wa slip umetolewa kama:

\[ \Delta y= \sqrt{2L\Delta x-\Delta x^2} \]

umetolewa kwa namna hiyo.

Uhusiano huu ulifanywa kuwa wa mstari kwa upanuzi wa Taylor wa daraja la kwanza karibu na pointi ya kazi \(\Delta x_0=0{,}045\) m. Watafiti wanaripoti hitilafu ya juu ya jamaa ya linearization ya takribani %1,05 na wanaiona kuwa inakubalika kwa muundo wa udhibiti wenye mabadiliko madogo ya uhamishaji.

Kwa nini kazi ya uhamishaji inahitaji kusomwa kwa tahadhari?

Kazi ya jumla ya uhamishaji inayolengwa na chanzo ni:

\[ G(s)= \frac{K_aK_t\gamma_g} {Js^2+Bs} \]

kwa namna hiyo.

Hata hivyo, kuna kutolingana ndani ya chanzo katika coefficients za namba. Katika Jedwali 4:

• \(\gamma_g=0{,}0006366\) m/rad,
• \(K_aK_t=1{,}282\times10^{-4}\),
• \(J=9{,}865\times10^{-4}\) kg·m²,
• \(B=0{,}01\) Nm/(rad/s)

zinatolewa, lakini katika derivation inayofuata exponenti tofauti na uandishi tofauti wa \(\gamma_g\) hutumika. Mlinganyo wa mwisho (23) wa chanzo umechapishwa kama:

\[ G(s)= \frac{8{,}16\times10^{-7}} {9{,}865\times10^{-4}s^2+0{,}01s} \]

Maandishi ya Verianla hayabadilishi coefficient hii kwa kuihesabu upya; badala yake yanabainisha tofauti ya namba ndani ya chanzo.

PID ya kawaida iliwekwaje?

Watafiti wanauita muundo wa udhibiti PID; hata hivyo, derivative gain ni sifuri katika ulinganisho wote:

\[ K_d=0 \]

na chanzo kinaueleza wazi muundo huo kuwa udhibiti wa PI wa nafasi.

Vigezo vya msingi vilivyochaguliwa kwa njia ya trial-and-error ni:

• \(K_p=1000\)
• \(K_i=0{,}2\)
• \(K_d=0\)

ndivyo vilivyotumika.

Sheria ya udhibiti ni:

\[ u(t)= K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau)d\tau \]

ambapo \(e(t)=x_{ref}-x(t)\) ni hitilafu kati ya lengo na uhamishaji uliopimwa wa slip.

Katika tathmini ya msingi ya step response, chanzo kinaripoti takribani 0,8 s rise time na takribani 0,005 mm steady-state error kwa udhibiti wa kawaida. Hata hivyo, katika Jedwali 9 la mwisho, chini ya lebo ileile ya PID, hitilafu ya uhamishaji bila usumbufu imetolewa kuwa 5,0 mm. Kwa kuwa haijaelezwa wazi kama thamani hizi mbili za hitilafu zinatokana na ufafanuzi tofauti wa majaribio au mipangilio tofauti ya simuleringi, hazipaswi kutumika kwa kubadilishana.

Kwa nini DDPG ilitumika kurekebisha vigezo vya PID?

Deep Deterministic Policy Gradient ni mbinu ya deep reinforcement learning inayotegemea Actor–Critic kwa nafasi za hatua zinazoendelea. Katika utafiti huu, nafasi ya hatua inajumuisha thamani endelevu za \(K_p\) na \(K_i\), ndiyo maana DDPG ilichaguliwa.

Ingizo la hali la mtandao wa Actor limefafanuliwa kama:

\[ s_t= [x(t),e(t),\dot e(t)]^T \]

Actor huzalisha kutoka kwenye hali hii kwa wakati halisi:

\[ [K_{p,t},K_{i,t}] \]

vigezo.

Mtandao wa Critic hutathmini zawadi ya jumla inayotarajiwa ya hali ya sasa pamoja na vigezo vya udhibiti vinavyotolewa na Actor.

Experience replay buffer na soft update ya target networks zilitumika kwa uthabiti wa mafunzo. Katika sasisho la target network:

\[ \tau=0{,}001 \]

ilitumika.

Katika Kielelezo 9, uwezo wa experience replay buffer unaonyeshwa kuwa \(N=1\times10^6\), na batch size kuwa \(B=64\).

Kazi ya msingi ya zawadi ya DDPG iliundwaje?

Katika toleo la kwanza la DDPG-PID, kazi ya zawadi ni:

\[ \gamma_t= -\alpha\cdot overshoot_t -\beta|e_t| +\delta\,II(|e_t|<0{,}1) \]

kwa namna hiyo.

Mchanganyiko mitatu tofauti ya uzito ililinganishwa na chanzo kilichagua:

\[ \alpha=0{,}4,\qquad \beta=0{,}3,\qquad \delta=0{,}3 \]

kama uwiano unaofaa zaidi kati ya overshoot ndogo, ukandamizaji wa haraka wa usumbufu na tabia thabiti ya \(K_p\).

Katika simuleringi za kulinganisha, usumbufu wa nje hutumika katika t = 8 s.

Nini kiliongezwa kwenye DDPG iliyoboreshwa?

DDPG ya kawaida inapozawadia tu hitilafu ya ufuatiliaji na overshoot inaweza kuzalisha vigezo visivyo salama vya udhibiti katika mfumo wa nanga wa kimekanika. Kwa hiyo adhabu ya kikomo cha kimekanika iliongezwa kwenye kazi ya zawadi:

\[ \gamma_t= -\alpha\cdot overshoot_t -\beta|e_t| +\delta\,II(|e_t|<0{,}1) -\gamma\,II(param_{out}) \]

Mekanizimu ya adhabu huwashwa katika hali zifuatazo:

• ikiwa \(K_p\) inatoka nje ya eneo salama la kufanya kazi,
• ikiwa \(K_i\) inatoka nje ya eneo salama la kufanya kazi,
• ikiwa uhamishaji wa slip unavuka stroke ya juu ya kimekanika inayoruhusiwa.

Mipaka ya vigezo iliyowekwa kwenye chanzo ni:

\[ K_p\in[500,2000] \]

na:

\[ K_i\in[0{,}1,0{,}5] \]

kwa namna hiyo.

Ulinganisho ulifanywa kwa uzito wa adhabu katika eneo la 0–2 na:

\[ \gamma=0{,}5 \]

ulichaguliwa kama uwiano kati ya urejeshaji wa haraka baada ya usumbufu na kuhifadhi mipaka ya kimekanika.

Kwa nini mpaka wa 500–2000 ulichaguliwa kwa Kp?

Kulingana na ulinganisho wa Jedwali 7 na Kielelezo 15 cha chanzo, katika thamani ndogo za \(K_p\) mfumo ulikuwa overdamped na ulirejea polepole baada ya usumbufu. Katika gain kubwa sana, mitetemo ya masafa ya juu ilitokea.

Watafiti walichagua eneo la 500–2000 kama eneo linaloweza kutumika kwa udhibiti wa kimekanika kutokana na ulinganisho huu.

Kwa nini TD3 ililinganishwa pia?

Twin Delayed Deep Deterministic Policy Gradient (TD3) ilitumika kama algoriti ya marejeo inayolenga kupunguza tatizo la overestimation ya Q na kutokuwa thabiti kwa mafunzo katika DDPG ya kawaida.

Katika TD3 kuna mitandao miwili tofauti ya Critic na thamani ya chini zaidi ya Critic hizo mbili hutumika wakati wa kuhesabu target value:

\[ y= r+ \gamma \min \left( Q'_{\theta_1}(s',a'), Q'_{\theta_2}(s',a') \right) \]

Mtandao wa Actor husasishwa kwa kuchelewa ukilinganishwa na Critic na kelele ya Gaussian iliyokatwa huongezwa kwenye target actions.

Katika Kielelezo 17, TD3 na DDPG iliyoboreshwa zililinganishwa kwa uhamishaji lengwa wa 53,4 mm katika hali zenye na zisizo na usumbufu. Chanzo kinaripoti kuwa DDPG iliyoboreshwa ilionyesha overshoot ndogo, mwitikio laini zaidi na kurejea haraka zaidi baada ya usumbufu kutumika katika t = 8 s. Hata hivyo, kwa TD3 hakuna jedwali tofauti la namba la overshoot/hitilafu kama Jedwali 9, kwa hiyo takwimu sahihi za utendaji wa TD3 hazipaswi kutolewa kutoka kwenye ulinganisho huu wa kuona.

Mafunzo ya hatua mbili yanamaanisha nini?

Ili kupunguza mtikisiko mkubwa wa zawadi na convergence ya polepole mwanzoni mwa mafunzo ya DDPG ya kawaida, mtandao wa Actor–Critic ulifundishwa kwanza kwa data nje ya mtandao iliyozalishwa kutoka kwenye modeli ya Simulink ya kitengo cha nanga cha bomba.

Eneo la awali la utafutaji wa vigezo vya PID lilipunguzwa kwa eneo la kuaminika lililopatikana kupitia tuning ya uhandisi. Mbinu hii inalenga kupunguza utafutaji wa nasibu wa mtandao katika maeneo ya vigezo yasiyo na maana ya kimwili.

Katika hatua ya pili, modeli huhamishwa kwenye uboreshaji wa mwisho mtandaoni na sera husasishwa kwa uzoefu mpya wa hali–hatua–zawadi unaopatikana kutoka kwenye mfumo.

Matokeo ya mwisho ya simuleringi yanaonyesha nini?

Katika hali isiyo na usumbufu, overshoot ya DDPG iliyoboreshwa hupungua kutoka %25 hadi %3 ikilinganishwa na PID ya kawaida, na kutoka %12 hadi %3 ikilinganishwa na DDPG ya kawaida. Hitilafu ya uhamishaji hupungua kutoka 5,0 na 2,0 mm mtawalia hadi 0,3 mm.

Katika hali yenye usumbufu, DDPG iliyoboreshwa ina overshoot ya %4,0 na hitilafu ya uhamishaji ya 0,5 mm. Katika hali hiyo hiyo PID ya kawaida ina %28 na 7,0 mm, huku DDPG ya kawaida ikiwa na %15 na 3,0 mm.

Mwitikio wa udhibiti na chati za nguzo katika Kielelezo 18 zinaunga mkono jedwali hili kwa kuona: PID ya kawaida huonyesha overshoot kubwa mwanzoni, huku DDPG iliyoboreshwa ikikaribia lengo la 53,4 mm kwa ulaini zaidi. Usumbufu unapotumika katika t = 8 s, mikengeuko kwenye mikunjo ya PID ya kawaida na DDPG ya kawaida ni mikubwa zaidi, huku mkengeuko katika DDPG iliyoboreshwa ukiwa mdogo.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Kitengo kidogo cha nanga chenye slip sita kilibuniwa kwa kuunganisha uendeshaji wa skrubu, crank-slider ya eksentriki na mekanizimu ya parallelogramu.
• Modeli ya mienendo ya slip iliundwa kwa mbinu ya Lagrange.
• Tabia ya uhamishaji wa slip ilichunguzwa kwa jaribio dogo la maabara katika nguvu sita tofauti za kusukuma.
• Chanzo kinafafanua eneo la kusukuma la 10–15 kN kuwa eneo linalofaa la nanga kwa mpangilio wake wa majaribio.
• DDPG ilitumika kwa marekebisho endelevu ya \(K_p\) na \(K_i\).
• Adhabu ya kizuizi cha kimekanika iliongezwa kwenye kazi ya zawadi ya DDPG iliyoboreshwa.
• Mipaka salama ya kazi ya 500–2000 kwa \(K_p\) na 0,1–0,5 kwa \(K_i\) ilifafanuliwa.
• Thamani ya 0,5 ilichaguliwa kama uwiano unaofaa wa uzito wa adhabu ya kimekanika katika simuleringi za chanzo.
• Mkakati wa hatua mbili wa mafunzo ya awali nje ya mtandao na uboreshaji wa mwisho mtandaoni ulitumika.
• Katika simuleringi za mwisho, DDPG iliyoboreshwa ilitoa overshoot na hitilafu ya uhamishaji zilizo chini kuliko PID ya kawaida na DDPG ya kawaida.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono au haujathibitisha

• Haijaonyeshwa kwamba udhibiti wa DDPG ulioboreshwa utatoa utendaji huo huo wa namba katika bomba halisi la chini ya bahari.
• Mbinu ya udhibiti haijajaribiwa kimwili kwenye prototipu ya PIPR ya kiwango kamili.
• Uthibitishaji wa Hardware-in-the-loop haujafanywa.
• Shinikizo halisi la chini ya bahari, mtiririko turbulent na hali za kazi za muda mrefu ndani ya bomba hazijathibitishwa pamoja katika jaribio moja.
• Hitilafu za sensa, ucheleweshaji wa mawasiliano na mienendo yote ya kweli ya electronic drive hazijatathminiwa kimajaribio.
• Matokeo ya Jedwali 9 hayawezi kuhamishwa moja kwa moja kwa kipenyo, jiometri au mekanizimu tofauti za nanga.
• Utafiti haujathibitisha kimajaribio kwamba kuziba bila kuvuja kabisa kunapatikana katika bomba halisi.
• Haiwezi kuhitimishwa kwamba DDPG ni bora kuliko TD3 au mbinu nyingine za reinforcement learning kwa matatizo yote ya udhibiti wa roboti za bomba.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Vigezo vya kimuundo vya kitengo cha nanga

Modeli ya mienendo

Uhamishaji wa radial wa slip \(\Delta y\) ulitumika kama koordinati ya jumla. Kwa kuzingatia nguvu ya viungo virefu, uzito wa slip na msuguano wa kuteleza:

\[ m_K\Delta\ddot y = \frac{2F_t}{L} \left( \Delta y-u\sqrt{L^2-\Delta y^2} \right) \]

mlinganyo wa mienendo ulipatikana.

Katika modeli, mwendo wa slip unachukuliwa kuwa translation safi ya radial. Dhana hii hurahisisha modeli ya kimekanika na haiingizi moja kwa moja backlash halisi ya viungo, deformation ya elastic au tolerances za utengenezaji.

Uthibitishaji wa awali wa kimwili

Mekanizimu ya slip ilijaribiwa kwenye mpangilio wa maabara kwa nguvu za kusukuma za 5, 8, 12, 15, 22 na 25 kN. Chanzo kinatafsiri eneo la 10–15 kN kuwa eneo la hitilafu ndogo zaidi.

Hata hivyo, kwa sababu kuna utata wa kihisabati katika ishara za mkengeuko kwenye Jedwali 3 na katika rejea ambayo mkengeuko umefafanuliwa dhidi yake, data za jedwali hazipaswi kuhesabiwa upya ili “kusahihishwa”.

Vigezo vya modeli ya udhibiti

Kuna kutolingana ndani ya chanzo kati ya thamani hizi za Jedwali 4 na baadhi ya coefficients zinazotumika katika derivation inayofuata ya Mlinganyo (23); transfer function ya mwisho inapaswa kuhifadhiwa kama ilivyochapishwa kwenye chanzo.

Ulinganisho wa vigezo vya controller ya msingi

Kutokana na ulinganisho huu, \(K_p=1000\), \(K_i=0,2\) na \(K_d=0\) zilichaguliwa kuwa vigezo vya msingi vya udhibiti.

Vigezo vya mafunzo na mtandao wa DDPG

Matokeo ya mwisho ya algoriti

Jedwali hili ndilo matokeo yenye nguvu zaidi ya kiasi ya udhibiti katika utafiti. Hata hivyo, matokeo yote yanahusu uthibitishaji wa udhibiti unaotegemea Simulink na hayapaswi kuwasilishwa kama utendaji wa uwanjani wa roboti halisi ya kuziba.

Tofauti muhimu za kiufundi ndani ya chanzo

Ishara za mkengeuko katika Jedwali 3: Thamani za kinadharia na za majaribio pamoja na ishara za “Displacement Deviation” hazilingani na ufafanuzi mmoja wa tofauti. Tafsiri dhidi ya lengo la 53,4 mm pia hailandi kihesabu na mistari yote.

Muda wa kujiamini wa %95: Chanzo kinatoa [−4,03; 2,00]. Ukihesabu kwa kutumia mkengeuko sita wenye ishara uliopo kwenye jedwali, muda huu hauzalishwi moja kwa moja. Thamani ya chanzo haijabadilishwa.

Coefficients za transfer function: Jedwali 4, maandishi karibu na Mlinganyo (22) na uingizaji wa namba kabla ya Mlinganyo (23) vinatoa exponenti au tarakimu tofauti kwa \(K_aK_t\) na \(\gamma_g\).

Aina ya injini: Muundo wa kimuundo unachagua injini ya asynchronous YPE200-4, wakati sehemu ya udhibiti hutumia istilahi step motor na sehemu nyingine inataja DC motor/hydraulic actuator.

Uainishaji wa PID/PI: Utafiti hutumia istilahi DDPG-PID; lakini kwa kuwa \(K_d=0\), muundo halisi wa msingi wa udhibiti pia unatambuliwa na chanzo kuwa PI ya nafasi.

PID steady-state error: Maelezo ya awali ya step response yanataja takribani 0,005 mm, huku Jedwali 9 la mwisho likitoa hitilafu ya 5,0 mm bila usumbufu. Chanzo hakipatani wazi na tofauti hii katika ufafanuzi wa jaribio.

Upeo halisi wa uthibitishaji wa majaribio

Jaribio la kimwili katika utafiti linalenga kukagua tabia ya uhamishaji wa kimekanika wa slip za nanga na mwelekeo wa jumla wa modeli ya mienendo iliyoundwa. Hakuna uthibitishaji wa hardware unaoonyesha kwamba DDPG, DDPG iliyoboreshwa, TD3, kazi ya zawadi au tuning inayobadilika ya \(K_p/K_i\) iliendeshwa kwenye mpangilio wa majaribio wa kimwili.

Kwa hiyo tabaka mbili za uthibitishaji wa utafiti lazima zitenganishwe:

• Modeli ya kimekanika: kuna jaribio dogo la maabara la uhamishaji.
• Utendaji wa udhibiti unaobadilika: unategemea uthibitishaji wa simuleringi.

Tofauti hii ni ya msingi katika kutathmini ukomavu halisi wa kihandisi wa utafiti.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Jina kamili la kazi asilia: Adaptive Tracking Control of Anchoring Unit for Pipeline Intelligent Plugging Robot Based on Improved Deep Deterministic Policy Gradient

Waandishi: Tingting Wu, Yaxin Liu, Laihe Qi, Pu Wang, Qingtao Liang, Shuai Li, Lijian Li, Xingyuan Miao, Hong Zhao, Xingxing Wang.

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio wa chanzo umehifadhiwa kama ulivyo.

Mwandishi wa mawasiliano: Tingting Wu.

Mchango sawa/mwandishi wa kwanza sawa: Hakuna tamko kama hilo kwenye chanzo.

Taasisi: School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou, China; School of Mechanical Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, China; College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Beijing, China.

Jarida: Machines.

Mchapishaji: MDPI.

Rekodi ya bibliografia: Machines 2026, 14, 675.

DOI: 10.3390/machines14060675.

Kiungo rasmi cha uchapishaji:https://doi.org/10.3390/machines14060675

Tarehe ya uchapishaji: 10 Juni 2026.

Aina ya chanzo na hali ya mapitio: Makala asilia ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu. Modeli ya mwendo wa mekanizimu ya nanga ilichunguzwa kwa jaribio dogo la kimwili; uthibitishaji wa utendaji wa udhibiti ulioboreshwa wa DDPG-PID ulifanywa kwa simuleringi.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Ufadhili: Henan Provincial Science and Technology Research Project (262102221054), National Natural Science Foundation of China (52475347), Key Research and Development Projects in Henan Province (251111222600), Science and Technology Innovation Leading Talent Support Program of Henan Province (254200510047) na Research Special Program (26ZX018) chini ya Key Scientific Research Project Plan ya taasisi za elimu ya juu za Henan Province.

Upatikanaji wa data: Waandishi wameeleza kuwa data zimo ndani ya makala.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kutokuwa na mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Tingting Wu alihusika katika uundaji wa dhana, mbinu na upatikanaji wa fedha; Yaxin Liu katika mbinu, programu, uthibitishaji na rasimu ya kwanza; Laihe Qi katika programu na uthibitishaji; Pu Wang katika uthibitishaji; Qingtao Liang katika uchunguzi; Shuai Li na Xingxing Wang katika utoaji wa rasilimali; Lijian Li katika upangaji wa data; Xingyuan Miao katika mapitio na uhariri; Hong Zhao katika usimamizi.

Muundo wa roboti, vipimo vya kimekanika, milinganyo ya mienendo, matokeo ya majaribio ya kimwili, usanifu wa udhibiti, maelezo ya DDPG/TD3, kazi za zawadi na thamani za utendaji katika makala hii ya Verianla zinategemea utafiti wa chanzo uliokaguliwa. Zaidi ya uthibitishaji wa utambulisho wa bibliografia, hakuna matokeo mapya ya kisayansi au ya majaribio yaliyoongezwa kutoka vyanzo vya nje.

Kikomo kikuu cha kimetodolojia: Mchakato wa uhamishaji wa slip kwa kitengo cha nanga cha kimekanika ulijaribiwa kwenye mpangilio wa kimwili wa kiwango cha maabara. Kwa upande mwingine, matokeo ya mwisho ya utendaji wa DDPG-PID iliyoboreshwa yanategemea simuleringi ya MATLAB/Simulink. Uthibitishaji wa roboti ya kiwango kamili, hardware-in-the-loop, bomba halisi la chini ya bahari, shinikizo la uwanjani na uimara wa muda mrefu haupo katika utafiti huu.

Kutolingana kwa Jedwali 3: Thamani za kinadharia na za majaribio za uhamishaji pamoja na mkengeuko wenye ishara uliotolewa kwenye chanzo hazifuati ufafanuzi mmoja wa tofauti katika mistari yote. Muda wa kujiamini wa %95 uliotolewa kwenye chanzo pia hauwezi kuzalishwa moja kwa moja kwa kutumia thamani sita zenye ishara zilizo kwenye jedwali. Namba zimehifadhiwa kama zilivyo kwenye chanzo.

Kutolingana kwa transfer function: Jedwali 4 na derivation ya Mlinganyo (23) hutumia exponenti/tarakimu tofauti kwa \(K_aK_t\) na \(\gamma_g\). Mlinganyo wa mwisho umehamishwa kama ulivyochapishwa kwenye chanzo na coefficients hazijahesabiwa upya kimya kimya.

Istilahi ya injini na aktueta: Muundo wa kimekanika unachagua injini ya asynchronous ya aina ya diski YPE200-4; sehemu za modeli ya udhibiti zinatumia istilahi step motor, DC motor na katika sehemu moja hydraulic actuator. Chanzo hakielezi tofauti hizi za istilahi.

Dokezo la PID/PI: Ingawa “PID” inatumika katika jina la makala na algoriti, controller iliyochaguliwa ina \(K_d=0\) na chanzo kinafafanua muundo wa msingi kuwa udhibiti wa PI wa nafasi.

Dokezo la hitilafu ya udhibiti: Katika tathmini ya awali ya PID step response, takribani 0,005 mm steady-state error imetajwa, wakati Jedwali 9 la mwisho linatoa PID displacement error ya 5,0 mm bila usumbufu. Matokeo haya mawili hayajaunganishwa wazi ndani ya chanzo chini ya metric na hali ya jaribio ileile.