Ин таҳқиқот воҳиди лангари роботи интеллектуалии бастани қубурро, ки барои нигоҳдорӣ ва таъмири изтирории лӯлаҳои зеробии нафту гази табиӣ таҳия шудааст, ҳам аз ҷиҳати сохтори механикӣ ва ҳам аз ҷиҳати идоракунии мутобиқшаванда баррасӣ мекунад. Муҳаққиқон барои он ки унсурҳои лангарӣ, ки slip ном доранд, дар ҳаҷми маҳдуди дохили қубур ба таври радиалӣ кушода шаванд, механизми таркибиро тарҳрезӣ кардаанд, ки гардонандаи винтӣ, механизми эксцентрикии кривошип–ползун ва пайванди параллелограммиро муттаҳид мекунад. Дар қисми идоракунӣ бошад, барои ҳал кардани мушкили он ки параметрҳои собити PID ба шароити тағйирёбандаи бор ва соиш мутобиқ намешаванд, алгоритми Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) истифода шудааст; параметрҳои \(K_p\) ва \(K_i\) ба таври онлайн мутобиқ карда шудаанд, функсияи нави мукофот, ки параметрҳои аз ҳудудҳои механикӣ берунрафтаро ҷарима мекунад, ва стратегияи омӯзиши думарҳилаӣ, ки пешомӯзиши офлайнро бо танзими нозуки онлайн якҷо мекунад, таҳия шудааст.

Дар қисми механикии таҳқиқот модели ҳаракати механизми лангарӣ бо усули Lagrange сохта шуда, ҳаракати slip дар дастгоҳи физикии лабораторӣ дар шаш сатҳи гуногуни қувваи тела санҷида шудааст. Манба диапазони 10–15 kN-ро минтақаи мувофиқтарини қувваи лангарӣ муайян карда, гузориш медиҳад, ки дар ин диапазон ҷойивазкунии slip тақрибан дар ҳудуди 53,1–53,5 mm боқӣ мондааст. Аммо дар Ҷадвали 3-и марбут баъзе муносибатҳои ададӣ байни арзиши назариявӣ, арзиши таҷрибавӣ, аломати инҳироф ва ҳадафи 53,4 mm аз ҷиҳати дохилӣ мувофиқ нестанд. Аз ин рӯ, ин таҷриба бояд ҳамчун санҷиши ибтидоӣ арзёбӣ шавад, ки тамоюли умумии модели механикиро дастгирӣ мекунад; аз арзишҳои хатои аломатдор дар ҷадвал набояд натиҷаҳои нав ё «ислоҳшуда» ҳосил карда шаванд.

Натиҷаҳои асосии қисми идоракунии мутобиқшаванда аз симулятсияи MATLAB/Simulink ба даст омадаанд. Тибқи Ҷадвали 9-и манба, дар шароити бе таъсири халал дар PID-и классикӣ %25 аз ҳад гузаштан ва 5,0 mm хатои ҷойивазкунӣ мушоҳида шудааст, дар DDPG-и стандартӣ ин қиматҳо %12 ва 2,0 mm, дар DDPG-и такмилёфта бошад %3 ва 0,3 mm мебошанд. Ҳангоми татбиқи халал PID %28 аз ҳад гузаштан ва 7,0 mm хато, DDPG-и стандартӣ %15 ва 3,0 mm, DDPG-и такмилёфта бошад %4 ва 0,5 mm натиҷа додааст. Ҳамин тавр, таҳқиқот нишон медиҳад, ки идоракунии пешниҳодшуда дар доираи модели симулятсионии худ ҳам аз нигоҳи ҷавоби ибтидоӣ ва ҳам аз нигоҳи барқароршавӣ пас аз бори халаловар нисбат ба ду усули дигар беҳтар амал кардааст.

Бо вуҷуди ин, идоракунии такмилёфтаи DDPG-PID дар лӯлаи воқеӣ ё роботи бастани пурраандоза тасдиқ нашудааст. Таҷрибаи физикӣ танҳо дастгоҳи маҳдуди санҷишиест, ки ба рафтори ҷойивазкунии slip-и механизми лангарӣ равона шудааст. Самаранокии идоракунии Actor–Critic, ҷаримаи маҳдудияти механикӣ, муқоисаи TD3 ва натиҷаҳои хато/аз ҳад гузаштан дар Ҷадвали 9 ба маълумоти симулятсионӣ асос ёфтаанд. Аз ин рӯ, таҳқиқот исбот намекунад, ки дар ҷараёни воқеии зеробӣ, соиши воқеии сатҳи қубур, таъхири иртибот, хатогиҳои сенсор ва фишори пурраандоза ҳамон самаранокӣ ба даст меояд.

Аз нуқтаи назари Туркия, таҳқиқот барои таҳияи роботҳои нигоҳдории дохили лӯлаҳои нафту газ, системаҳои муваққатии изолятсияи бе клапан ва механизмҳои лангари электромеханикӣ барои фазои маҳдуд намунаи методологӣ пешниҳод мекунад. Аммо радиуси дохилии қубури 285 mm, андозаҳои механизм, қувваҳои тела ва параметрҳои идоракунӣ набояд мустақиман ба роботи дигари маҳаллии қубур татбиқ карда шаванд. Ҳангоми тағйир ёфтани диаметри қубур, ҳолати сатҳи дохилӣ, қувваҳои ҷараён, фишор, муҳаррик ва геометрияи механизм ҳам андозагирии сохторӣ ва ҳам модели идоракунӣ бояд аз нав тасдиқ карда шаванд.

Роботи интеллектуалии бастани қубур кадом мушкилро ҳал кардан мехоҳад?

Pipeline Intelligent Plugging Robot (PIPR), ки дар таҳқиқот баррасӣ шудааст, системаи роботикӣ мебошад, ки махсусан ҳангоми нигоҳдорӣ ва таъмири изтирории лӯлаҳои зеробӣ мехоҳад як қисми муайяни қубурро бе кушодани сӯрохи нав дар девори қубур ҷудо кунад. Аз ангезаҳои таҳқиқот ин аст, ки усулҳои анъанавии бастан бо сӯрохкунӣ метавонанд дар қубур унсурҳои пайвасткунандаи доимӣ гузоранд ва самаранокии амалиётро коҳиш диҳанд.

Робот ду вазифаи асосиро бо модулҳои аз ҷиҳати физикӣ ҷудошуда иҷро мекунад:

• Воҳиди лангарӣ: роботро дар мавқеи ҳадаф бо соиш ба девори қубур маҳкам мекунад.
• Воҳиди бастан: бо васеъ кардани радиалии унсури асосии мӯҳркунанда кӯшиш мекунад дар буриши қубур изолятсияи тобовар ба фишор ташкил кунад.

Ин ҷудокунии функсионалӣ ҳадаф дорад, ки бори механикӣ ё ҳаракати як модул ба вазифаи модули дигар то ҳадди имкон кам таъсир расонад.

Давраи кори робот чӣ гуна пеш меравад?

Вақте робот бори аввал ба лӯла ворид мешавад, slip-ҳои лангарӣ ва унсури асосии мӯҳркунанда дар дохили корпус ақиб кашида шудаанд. Ҳаракати робот тавассути фишори дифференсиалӣ, ки ҷараёни дохили қубур эҷод мекунад, таъмин мешавад.

Ҳангоми расидан ба мавқеи ҳадаф сигнали ҷойгиркунии басомади баланд аз берун ҳолати амалиётиро оғоз мекунад. Муҳаррики лангарӣ механизми винтиро мегардонад, пайвандҳо slip-ҳоро ба таври радиалӣ ба девори қубур мекушоянд ва бо таъсири худқулфшавии соишӣ робот маҳкам мешавад. Ҳамзамон модули бастан унсури мӯҳркунандаро фишурда, онро ба самти девори қубур васеъ мекунад.

Пас аз анҷоми амалиёт унсури мӯҳркунанда ва slip-ҳо ақиб кашида мешаванд. Робот ба шакли паймоне, ки барои ҷараён мувофиқ аст, бармегардад ва бо истифода аз фишори дифференсиалии баръакс ба нуқтаи баромад интиқол дода мешавад.

Чаро дар механизми лангарӣ се механизм муттаҳид шудаанд?

Муҳаққиқон мехоҳанд дар дохили қубури танг қувваи баланди радиалии лангарӣ ҳосил кунанд ва ҳамзамон slip-ҳо то ҳадди имкон танҳо дар самти радиалӣ ҳаракат кунанд. Барои ин се вазифаи механикӣ ба як занҷир муттаҳид шудаанд:

1. Системаи винт–гайка гардиши муҳаррикро ба ҳаракати хаттии меҳварӣ табдил медиҳад.
2. Сохтори эксцентрикии кривошип–ползун ҳаракати меҳварии гайкаро ба системаи пайвасткунанда интиқол медиҳад.
3. Механизми параллелограммӣ самти slip-ҳоро нигоҳ дошта, ҳаракати тарҷумаи радиалиро дастгирӣ мекунад.

Дар воҳиди лангарӣ шаш гурӯҳи slip мавҷуд аст, ки бо фосилаҳои баробар дар гирди қубур ҷойгир шудаанд. Ин ҷойгиркунии симметрӣ барои тақсимоти мутавозинтари қувваи лангарӣ дар гирди қубур пешбинӣ шудааст.

Андозаҳои асосии механикӣ кадомҳоянд?

Дар ҳолати корӣ меҳвари сӯрохи насб дар slip аз девори дохилии қубур 75 mm дур аст. Дарозиичӯбҳои механизми пайвасткунанда дар манба 92, 130, 130, 155 ва 155 mm муайян шудааст.

Чаро системаи винтӣ худқулфшаванда тарҳрезӣ шудааст?

Барои он ки системаи лангарӣ пас аз фишор овардан ба девори қубур зери бори беруна нохоста боз нашавад, шарти худқулфшавии ҷуфти винти трапетсиявӣ санҷида шудааст.

Бори меҳварӣ дар ҷуфти винтӣ дар манба:

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

ифода шудааст. Дар ин ҷо \(K=1{,}15\) коэффитсиенти таҷрибавӣ, \(f=0{,}15\) коэффитсиенти соиши лағжиш, \(F_X=10\) N қувваи инерсияи қисмҳои ҳаракаткунанда, \(F_Z=920\) N қувваи нормалӣ ва \(W=80\) N вазни гайка мебошад.

Диаметри номиналии винт 16 mm, қадам 4 mm ва диаметри қадам 14 mm интихоб шудааст.

Дар манба кунҷи спиралии винт:

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

ва кунҷи эквивалентии соиш:

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

ҳисоб шудааст. Азбаски \(\lambda \leq \rho_v\), муҳаққиқон ба хулоса омадаанд, ки ҷуфти винтӣ шарти худқулфшавиро қонеъ мекунад.

Самаранокии ҳисобшудаи интиқоли ҷуфти винтӣ:

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

дода шудааст.

Оё винт аз ҷиҳати хамшавӣ ва қувваи муҳаррик кофӣ аст?

Дар манба бори критикии хамшавии винт 24.525,16 N ҳисоб шуда, таносуби бори критикӣ ба бори корӣ 151,86 ёфта шудааст. Ин қимат аз шарти ҳадди ақали бехатарии истифодашуда хеле болотар аст.

Ҳадаф ин аст, ки гайка ҳаракати 90 mm-ро дар 5 сония анҷом диҳад. Суръати миёнаи хаттӣ 1,08 m/min, суръати ҳадафии винт 270 r/min ва суръати кунҷӣ \(9\pi\) rad/s ҳисоб шудааст.

Моменти умумии муфта:

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

ва қувваи зарурии муҳаррик:

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

ба даст омадааст.

Дар қисми тарҳи механикӣ муҳаққиқон муҳаррики хурди асинхронии дискии YPE200-4-ро бо қувваи номиналии 0,1 kW ва суръати номиналии 1320 r/min интихоб кардаанд. Бо вуҷуди ин, дар қисмҳои баъдии модели идоракунӣ истилоҳҳои гуногуни муҳаррик истифода мешаванд; ин фарқи дохилиманбавӣ дар қайди усул низ нигоҳ дошта шудааст.

Модели динамикии slip-ҳо чӣ гуна сохта шудааст?

Ҷойивазкунии slip-ҳо дар самти радиалии қубур \(\Delta y(t)\) ҳамчун координатаи умумӣ интихоб шуда, система бо усули Lagrange моделсозӣ шудааст.

Бо дарназардошти дарозиичӯбҳои пайвасткунандаи дароз \(L\), қувваи меҳварии аз гайка интиқолёфта \(F_t\), массаи slip \(m_K\) ва коэффитсиенти соиш \(u\), таҳқиқот ба муодилаи динамикии зерин мерасад:

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

Муодила шитоби радиалии slip-ро бо қувваи пайванд, геометрияи механизм ва соиши лағжиш бо девори қубур мепайвандад.

Оё модели динамикӣ ба таври физикӣ санҷида шудааст?

Бале, аммо доираи тасдиқ маҳдуд аст. Таҷрибаи физикии таҳқиқот амалиёти бастани роботи пурра дар лӯлаи зеробӣ нест. Бо сабаби шароити лабораторӣ танҳо ҳаракати ҷойивазкунии slip-ҳои лангарӣ дар дастгоҳи таҷрибавие, ки бо принсипи монандӣ сохта шудааст, санҷида шудааст.

Дар дастгоҳ актуатори хаттии электрикӣ механизми slip-ро тела медод ва ҳаракат тавассути сенсори ҷойивазкунӣ, пурқувваткунанда, контроллер ва компютер сабт мешуд.

Барои қувваи тела шаш нуқта истифода шудааст:

Муҳаққиқон диапазони 10–15 kN-ро минтақаи мувофиқтарин муайян карда, қайд мекунанд, ки дар қувваҳои баланд тамоюли overshoot вуҷуд дорад.

Аммо дида мешавад, ки инҳирофҳои аломатдори ҷадвалро аз арзишҳои назариявӣ ва таҷрибавӣ бо як таърифи ягонаи математикӣ дубора ҳосил кардан мумкин нест. Масалан, дар 8 kN арзиши таҷрибавӣ аз назариявӣ 2,9 mm баландтар аст, вале инҳироф −2,9 mm дода шудааст; дар 15 kN арзиши таҷрибавӣ 0,1 mm пасттар аст, вале +0,1 mm нишон дода шудааст. Аз ин рӯ, ҷадвали манба бояд ҳамон гуна нигоҳ дошта шавад ва аломатҳо пинҳонӣ аз нав ҳисоб карда нашаванд.

Таҳқиқот инчунин барои шаш арзиши хато бо тақсимоти t фосилаи эътимоди %95-ро [−4,03; 2,00] гузориш медиҳад. Азбаски ин фосила бо шаш инҳирофи аломатдори дар манба додашуда мустақиман дубора ҳосил намешавад, натиҷаи оморӣ низ бояд ҳамон тавре, ки дар манба гузориш шудааст, интиқол дода шавад.

Модели механикӣ барои идоракунӣ чӣ гуна содда карда шуд?

Модели идоракунӣ занҷири интиқолеро намояндагӣ мекунад, ки аз муҳаррик, муфта, винт, гайка, механизми бисёрчӯбӣ ва slip-ҳо иборат аст.

Муносибати геометрии ғайрихаттӣ байни ҳаракати меҳварии гайка ва ҳаракати радиалии slip:

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

дода шудааст.

Ин муносибат дар атрофи нуқтаи кори \(\Delta x_0=0{,}045\) m бо густариши дараҷаи якуми Taylor хаттӣ карда шудааст. Муҳаққиқон хатои максималии нисбии хаттикунониро тақрибан %1,05 гузориш дода, онро барои тарҳи идоракунӣ бо тағйироти хурди ҷойивазкунӣ қобили қабул мешуморанд.

Чаро дар функсияи интиқол бояд эҳтиёт кард?

Функсияи умумии интиқоли пешбинишудаи манба:

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

мебошад.

Аммо дар коэффитсиентҳои ададӣ номутобиқии дохилиманбавӣ вуҷуд дорад. Дар Ҷадвали 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)

дода шудаанд, вале дар ҳосилкунии минбаъда дараҷаҳои дигар ва навиштҳои дигар барои \(\gamma_g\) истифода шудаанд. Муодилаи ниҳоии (23)-и манба:

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

чоп шудааст. Матни Verianla ин коэффитсиентро аз нав ҳисоб карда тағйир намедиҳад; номутобиқии ададии дохили манбаро алоҳида зикр мекунад.

PID-и классикӣ чӣ гуна танзим шудааст?

Муҳаққиқон сохтори идоракуниро PID меноманд; аммо коэффитсиенти ҳосила дар ҳамаи муқоисаҳо сифр аст:

\[ K_d=0 \]

ва манба сохторро ошкоро ҳамчун идоракунии мавқеии PI тавсиф мекунад.

Параметрҳои асосие, ки бо усули санҷишу хато интихоб шудаанд:

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

мебошанд.

Қонуни идоракунӣ:

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

мебошад. \(e(t)=x_{ref}-x(t)\) хатои байни ҳадаф ва ҷойивазкунии ченшудаи slip аст.

Манба дар арзёбии ибтидоии step response барои идоракунии классикӣ тақрибан 0,8 s вақти болоравӣ ва тақрибан 0,005 mm steady-state error гузориш медиҳад. Аммо дар Ҷадвали ниҳоии 9 зери ҳамон тамғаи PID хатои ҷойивазкунии бе халал 5,0 mm дода шудааст. Азбаски равшан шарҳ дода нашудааст, ки ин ду арзиши хато аз таърифҳои гуногуни санҷиш ё тартиботи гуногуни симулятсия меоянд, онҳоро набояд ба ҷои ҳам истифода бурд.

Чаро DDPG барои танзими параметрҳои PID истифода шудааст?

Deep Deterministic Policy Gradient равиши омӯзиши амиқи тақвиятӣ дар асоси Actor–Critic барои фазоҳои амали пайваста мебошад. Азбаски дар ин таҳқиқот фазои амал аз арзишҳои пайвастаи \(K_p\) ва \(K_i\) иборат аст, DDPG интихоб шудааст.

Вуруди ҳолати шабакаи Actor:

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

муайян шудааст. Actor аз ин ҳолат дар вақти воқеӣ:

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

параметрҳоро ҳосил мекунад.

Шабакаи Critic бошад мукофоти кумулятивии интизории ҳолати ҷорӣ ва параметрҳои идоракунии аз ҷониби Actor ҳосилшударо арзёбӣ мекунад.

Буфери такрори таҷриба ва навсозии нарми шабакаҳои ҳадаф барои устувории омӯзиш истифода шудаанд. Дар навсозии шабакаи ҳадаф:

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

истифода шудааст.

Дар Расми 9 иқтидори буфери такрори таҷриба \(N=1\times10^6\), андозаи batch бошад \(B=64\) нишон дода шудааст.

Функсияи асосии мукофоти DDPG чӣ гуна сохта шудааст?

Дар версияи аввалини DDPG-PID функсияи мукофот:

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

мебошад.

Се таркиби гуногуни вазнҳо муқоиса шуда, манба:

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

таркибро ҳамчун тавозуни мувофиқтарин байни overshoot-и хурд, пахши босуръати халал ва рафтори устувори \(K_p\) интихоб кардааст.

Дар симулятсияҳои муқоисавӣ халали беруна дар t = 8 s татбиқ мешавад.

Ба DDPG-и такмилёфта чӣ илова шудааст?

Мукофот додани танҳо хатои пайгирӣ ва overshoot дар DDPG-и стандартӣ метавонад дар системаи механикии лангарӣ параметрҳои идоракунии хатарнок эҷод кунад. Аз ин рӯ, ба функсияи мукофот ҷаримаи маҳдудияти механикӣ илова шудааст:

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

Механизми ҷарима дар шароити зерин фаъол мешавад:

• агар \(K_p\) аз диапазони бехатари корӣ берун равад,
• агар \(K_i\) аз диапазони бехатари корӣ берун равад,
• агар ҷойивазкунии slip аз ҳаракати максималии механикии иҷозатшуда зиёд шавад.

Ҳудудҳои параметрии дар манба муайяншуда:

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

ва:

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

мебошанд.

Барои вазни ҷарима муқоисаҳо дар диапазони 0–2 анҷом дода шуда,

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

ҳамчун тавозуни интихобӣ байни барқароршавии босуръат аз халал ва нигоҳ доштани ҳудудҳои механикӣ интихоб шудааст.

Чаро барои Kp ҳудуди 500–2000 интихоб шуд?

Тибқи муқоисаи Ҷадвали 7 ва Расми 15-и манба, дар арзишҳои пасти \(K_p\) система аз ҳад зиёд дампинг шуда, пас аз халал суст барқарор шудааст. Дар gain-ҳои хеле баланд бошад ларзишҳои басомади баланд ба вуҷуд омадаанд.

Муҳаққиқон бар асоси ин муқоиса диапазони 500–2000-ро минтақаи амалии корӣ барои идоракунии механикӣ интихоб кардаанд.

Чаро TD3 низ алоҳида муқоиса шудааст?

Twin Delayed Deep Deterministic Policy Gradient (TD3) ҳамчун алгоритми истинодӣ барои коҳиш додани аз ҳад зиёд баҳодиҳии Q ва ноустувории омӯзиши DDPG-и стандартӣ истифода шудааст.

Дар TD3 ду шабакаи ҷудогонаи Critic мавҷуданд ва ҳангоми ҳисоб кардани арзиши ҳадаф баромади минималии ду Critic истифода мешавад:

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

Шабакаи Actor нисбат ба Critic бо таъхир нав мешавад ва ба амалҳои ҳадаф садои буридашудаи Gaussian илова мешавад.

Дар Расми 17 TD3 ва DDPG-и такмилёфта барои ҷойивазкунии ҳадафии 53,4 mm ҳам дар шароити бе халал ва ҳам бо халал муқоиса шудаанд. Манба мегӯяд, ки DDPG-и такмилёфта overshoot-и камтар, ҷавоби ҳамвортар ва пас аз татбиқи халал дар t = 8 s барқароршавии тезтар нишон додааст. Аммо барои TD3 ҷадвали ҷудогонаи ададии overshoot/хато мисли Ҷадвали 9 дода нашудааст, бинобар ин аз ин муқоисаи визуалӣ набояд рақамҳои дақиқи самаранокии TD3 бароварда шаванд.

Омӯзиши думарҳилаӣ чӣ маъно дорад?

Барои коҳиш додани тағйироти баланди мукофот ва наздикшавии суст дар оғози омӯзиши DDPG-и стандартӣ, шабакаи Actor–Critic аввал бо маълумоти офлайнӣ, ки аз модели Simulink-и воҳиди лангари қубур ҳосил шудааст, омӯзонида шудааст.

Минтақаи ибтидоии ҷустуҷӯи параметрҳои PID бо диапазони боэътимоде маҳдуд карда шудааст, ки тавассути танзими муҳандисӣ ба даст омадааст. Ин равиш ҳадаф дорад, ки ҷустуҷӯи тасодуфии минтақаҳои параметрии аз ҷиҳати физикӣ бемаъниро кам кунад.

Дар марҳилаи дуюм модел ба танзими нозуки онлайн мегузарад ва сиёсат бо таҷрибаҳои нави ҳолат–амал–мукофот, ки аз система гирифта мешаванд, нав карда мешавад.

Натиҷаҳои ниҳоии симулятсия чӣ нишон медиҳанд?

Дар шароити бе халал overshoot-и DDPG-и такмилёфта нисбат ба PID-и классикӣ аз %25 ба %3 ва нисбат ба DDPG-и стандартӣ аз %12 ба %3 кам мешавад. Хатои ҷойивазкунӣ мутаносибан аз 5,0 ва 2,0 mm ба 0,3 mm коҳиш меёбад.

Дар шароити халал барои DDPG-и такмилёфта overshoot %4,0 ва хатои ҷойивазкунӣ 0,5 mm аст. Дар ҳамин шароит PID-и классикӣ %28 overshoot ва 7,0 mm, DDPG-и стандартӣ бошад %15 ва 3,0 mm натиҷа медиҳад.

Ҷавобҳои идоракунӣ ва диаграммаҳои сутунии Расми 18 ин ҷадвалро визуалӣ дастгирӣ мекунанд: PID-и классикӣ дар оғоз overshoot-и баръало баланд нишон медиҳад, дар ҳоле ки DDPG-и такмилёфта ба ҳадафи 53,4 mm ҳамвортар наздик мешавад. Ҳангоми татбиқи халал дар t = 8 s, инҳирофҳо дар каҷҳои PID-и классикӣ ва DDPG-и стандартӣ калонтар, дар DDPG-и такмилёфта бошад хурдтаранд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Бо муттаҳид кардани гардонандаи винтӣ, механизми эксцентрикии кривошип–ползун ва механизми параллелограммӣ воҳиди паймонаи лангарӣ бо шаш slip тарҳрезӣ шудааст.
• Модели динамикии ҳаракати slip бо усули Lagrange сохта шудааст.
• Рафтори ҷойивазкунии slip дар шаш қувваи гуногуни тела бо таҷрибаи маҳдуди физикии лабораторӣ омӯхта шудааст.
• Манба диапазони 10–15 kN-ро барои дастгоҳи таҷрибавии худ минтақаи мувофиқи лангарӣ муайян мекунад.
• DDPG барои мутобиқсозии пайвастаи параметрҳои \(K_p\) ва \(K_i\) истифода шудааст.
• Ба функсияи мукофоти DDPG-и такмилёфта ҷаримаи маҳдудияти механикӣ илова шудааст.
• Барои \(K_p\) ҳудуди бехатари 500–2000 ва барои \(K_i\) 0,1–0,5 муайян шудааст.
• Барои вазни ҷаримаи механикӣ қимати 0,5 дар симулятсияҳои манба тавозуни мувофиқтарин интихоб шудааст.
• Стратегияи пешомӯзиши офлайнӣ ва танзими нозуки онлайнии думарҳилаӣ татбиқ шудааст.
• Дар симулятсияҳои ниҳоӣ DDPG-и такмилёфта нисбат ба PID-и классикӣ ва DDPG-и стандартӣ overshoot ва хатои ҷойивазкунии камтар додааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад ё ҳанӯз тасдиқ накардааст

• Нишон дода нашудааст, ки идоракунии DDPG-и такмилёфта дар лӯлаи воқеии зеробӣ ҳамин самаранокии ададиро медиҳад.
• Усули идоракунӣ дар прототипи пурраандозаи PIPR ба таври физикӣ санҷида нашудааст.
• Тасдиқи Hardware-in-the-loop анҷом дода нашудааст.
• Фишори воқеии зеробӣ, ҷараёни турбулентӣ ва шароити дарозмуддати кори дохили қубур дар як таҷриба якҷоя тасдиқ нашудаанд.
• Хатогиҳои сенсор, таъхири иртибот ва тамоми динамикаи воқеии драйвери электронӣ таҷрибавӣ арзёбӣ нашудаанд.
• Натиҷаҳои Ҷадвали 9-ро ба диаметр, геометрия ё механизмҳои лангари гуногун мустақиман умумӣ кардан мумкин нест.
• Таҳқиқот таҷрибавӣ исбот намекунад, ки дар лӯлаи воқеӣ мӯҳркунӣ бо сифр ихроҷ таъмин мешавад.
• Хулоса кардан мумкин нест, ки DDPG дар ҳамаи масъалаҳои идоракунии роботи қубур аз TD3 ё дигар усулҳои омӯзиши тақвиятӣ бартар аст.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Параметрҳои сохтории воҳиди лангарӣ

Модели динамикӣ

Ҷойивазкунии радиалии slip \(\Delta y\) ҳамчун координатаи умумӣ истифода шудааст. Бо дарназардошти қувваичӯбҳои дароз, массаи slip ва соиши лағжиш:

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

муодилаи динамикӣ ба даст омадааст.

Дар модел фарз мешавад, ки ҳаракати slip тарҷумаи софи радиалӣ аст. Ин фарз моделро содда мекунад ва холигии воқеии буғумҳо, деформатсияи чандир ё таҳаммулпазирии истеҳсолиро мустақиман ба модел дохил намекунад.

Тасдиқи ибтидоии физикӣ

Механизми slip дар дастгоҳи лабораторӣ бо қувваҳои тела 5, 8, 12, 15, 22 ва 25 kN санҷида шудааст. Манба диапазони 10–15 kN-ро минтақаи хатои камтарин тафсир мекунад.

Бо вуҷуди ин, азбаски дар аломатҳои инҳирофи Ҷадвали 3 ва дар он ки инҳироф нисбат ба кадом истинод таъриф шудааст, норавшании математикӣ вуҷуд дорад, маълумоти ҷадвал набояд аз нав ҳисоб шуда «ислоҳ» карда шавад.

Параметрҳои модели идоракунӣ

Байни ин арзишҳои Ҷадвали 4 ва баъзе коэффитсиентҳое, ки дар ҳосилкунии минбаъдаи Муодилаи (23) истифода шудаанд, номутобиқии дохилиманбавӣ вуҷуд дорад; функсияи ниҳоии интиқол бояд ҳамон тавре, ки дар манба чоп шудааст, нигоҳ дошта шавад.

Муқоисаи параметрҳои контроллери асосӣ

Дар натиҷаи ин муқоиса \(K_p=1000\), \(K_i=0,2\) ва \(K_d=0\) ҳамчун параметрҳои асосии идоракунӣ интихоб шудаанд.

Параметрҳои омӯзиш ва шабакаи DDPG

Натиҷаҳои ниҳоии алгоритм

Ин ҷадвал қавитарин натиҷаи миқдории идоракунии таҳқиқот аст. Аммо ҳамаи натиҷаҳо ба тасдиқи идоракунии асосёфта ба Simulink тааллуқ доранд ва набояд ҳамчун самаранокии саҳроии роботи воқеии бастан пешниҳод шаванд.

Номутобиқиҳои муҳими техникии дохили манба

Аломатҳои инҳироф дар Ҷадвали 3: Арзишҳои назариявӣ ва таҷрибавӣ бо аломатҳои “Displacement Deviation” бо як таърифи ягонаи фарқ мувофиқ нестанд. Тафсир нисбат ба ҳадафи 53,4 mm низ бо ҳамаи сатрҳо аз ҷиҳати арифметикӣ мувофиқ намеояд.

Фосилаи эътимоди %95: Манба фосилаи [−4,03; 2,00]-ро медиҳад. Бо истифода аз шаш инҳирофи аломатдори ҷадвал ин фосила мустақиман дубора ҳосил намешавад. Арзиши манба тағйир дода нашудааст.

Коэффитсиентҳои функсияи интиқол: Ҷадвали 4, матни атрофи Муодилаи (22) ва ҷойгузории ададии пеш аз Муодилаи (23) барои \(K_aK_t\) ва \(\gamma_g\) дараҷаҳо ё рақамҳои гуногун медиҳанд.

Навъи муҳаррик: Тарҳи сохторӣ муҳаррики асинхронии YPE200-4-ро интихоб мекунад, дар ҳоле ки қисми идоракунӣ аз step motor ва дар шарҳи дигар аз DC motor/hydraulic actuator ёд мекунад.

Номгузории PID/PI: Таҳқиқот истилоҳи DDPG-PID-ро истифода мебарад; аммо азбаски \(K_d=0\), сохтори асосии воқеии идоракунӣ аз ҷониби манба низ ҳамчун PI-и мавқеӣ таъриф шудааст.

PID steady-state error: Дар шарҳи аввалини step response тақрибан 0,005 mm, дар Ҷадвали ниҳоии 9 бошад дар ҳолати бе халал 5,0 mm хато гузориш шудааст. Манба таърифи санҷиши ин фарқро равшан ҳамоҳанг намекунад.

Ҳудуди воқеии тасдиқи таҷрибавӣ

Таҷрибаи физикии таҳқиқот барои санҷидани рафтори механикии ҷойивазкунии slip-ҳои лангарӣ ва тамоюли умумии модели динамикии сохташуда пешбинӣ шудааст. Ягон тасдиқи сахтафзорӣ пешниҳод нашудааст, ки DDPG, DDPG-и такмилёфта, TD3, функсияи мукофот ё танзими мутобиқшавандаи \(K_p/K_i\) дар дастгоҳи физикии санҷишӣ иҷро шуда бошанд.

Аз ин рӯ, ду қабати тасдиқи таҳқиқот бояд аз ҳам ҷудо карда шаванд:

• Модели механикӣ: таҷрибаи маҳдуди лаборатории ҷойивазкунӣ мавҷуд аст.
• Самаранокии идоракунии мутобиқшаванда: ба тасдиқи симулятсионӣ асос меёбад.

Ин тафовут барои арзёбии сатҳи воқеии камолоти муҳандисии таҳқиқот аҳамияти асосӣ дорад.

Қайди манба ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Adaptive Tracking Control of Anchoring Unit for Pipeline Intelligent Plugging Robot Based on Improved Deep Deterministic Policy Gradient

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

Тартиби муаллифон: Тартиби манба айнан нигоҳ дошта шудааст.

Муаллифи масъул: Tingting Wu.

Ҳиссаи баробар/муаллифи якуми баробар: Дар манба чунин изҳорот вуҷуд надорад.

Муассисаҳо: 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.

Маҷалла: Machines.

Ношир: MDPI.

Сабти библиографӣ: Machines 2026, 14, 675.

DOI: 10.3390/machines14060675.

Пайванди расмии нашр:https://doi.org/10.3390/machines14060675

Санаи нашр: 10 июни 2026.

Навъи манба ва ҳолати тақриз: Мақолаи аслии таҳқиқотии тақризшуда. Модели ҳаракати механизми лангарӣ бо таҷрибаи маҳдуди физикӣ баррасӣ шудааст; тасдиқи самаранокии идоракунии такмилёфтаи DDPG-PID бо симулятсия анҷом дода шудааст.

Литсензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Маблағгузорӣ: 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) ва Research Special Program (26ZX018) дар доираи Key Scientific Research Project Plan-и муассисаҳои таҳсилоти олии Henan Province.

Дастрасии маълумот: Муаллифон изҳор кардаанд, ки маълумот дар дохили мақола мавҷуд аст.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Ҳиссагузории муаллифон: Tingting Wu дар консептуализатсия, усул ва дарёфти маблағгузорӣ; Yaxin Liu дар усул, нармафзор, тасдиқ ва тарҳи аввал; Laihe Qi дар нармафзор ва тасдиқ; Pu Wang дар тасдиқ; Qingtao Liang дар таҳқиқот; Shuai Li ва Xingxing Wang дар таъмини захираҳо; Lijian Li дар тартибдиҳии маълумот; Xingyuan Miao дар бозбинӣ ва таҳрир; Hong Zhao дар назорат иштирок кардаанд.

Сохтори робот, андозагирии механикӣ, муодилаҳои динамикӣ, натиҷаҳои таҷрибаи физикӣ, архитектураҳои идоракунӣ, шарҳҳои DDPG/TD3, функсияҳои мукофот ва арзишҳои самаранокӣ дар ин мақолаи Verianla ба таҳқиқоти манбаи баррасишуда асос ёфтаанд. Ба ғайр аз санҷиши ҳувияти библиографӣ, аз манбаҳои беруна натиҷаи нави таҷрибавӣ ё илмӣ илова нашудааст.

Ҳудуди асосии методологӣ: Раванди ҷойивазкунии slip барои воҳиди механикии лангарӣ дар дастгоҳи физикии миқёси лабораторӣ санҷида шудааст. Аммо натиҷаҳои ниҳоии самаранокии DDPG-PID-и такмилёфта ба симулятсияи MATLAB/Simulink асос меёбанд. Дар таҳқиқоти мавҷуда тасдиқи роботи пурраандоза, hardware-in-the-loop, лӯлаи воқеии зеробӣ, фишори саҳроӣ ва устувории дарозмуддат вуҷуд надорад.

Номутобиқии Ҷадвали 3: Арзишҳои назариявӣ ва таҷрибавии ҷойивазкунӣ ва инҳирофҳои аломатдори дар манба додашуда дар ҳамаи сатрҳо як таърифи ягонаи фарқро пайгирӣ намекунанд. Фосилаи эътимоди %95-и дар манба додашуда низ бо истифода аз шаш арзиши аломатдори ҷадвал мустақиман дубора ҳосил намешавад. Рақамҳо ҳамон тавре, ки дар манба ҳастанд, нигоҳ дошта шудаанд.

Номутобиқии функсияи интиқол: Ҷадвали 4 ва ҳосилкунии Муодилаи (23) барои \(K_aK_t\) ва \(\gamma_g\) дараҷаҳо/рақамҳои гуногун истифода мекунанд. Муодилаи ниҳоӣ ҳамон тавре, ки дар манба чоп шудааст, интиқол дода шуда, коэффитсиентҳо пинҳонӣ аз нав ҳисоб нашудаанд.

Истилоҳоти муҳаррик ва актуатор: Тарҳи механикӣ муҳаррики асинхронии дискии YPE200-4-ро интихоб мекунад; дар қисмҳои модели идоракунӣ истилоҳҳои step motor, DC motor ва дар як ҷой hydraulic actuator мавҷуданд. Манба ин фарқиятҳои истилоҳиро алоҳида шарҳ намедиҳад.

Қайди PID/PI: Гарчанде ки дар номи мақола ва алгоритм “PID” истифода мешавад, дар контроллери интихобшуда \(K_d=0\) аст ва манба сохтори асосиро ҳамчун идоракунии мавқеии PI тавсиф мекунад.

Қайди хатои идоракунӣ: Дар арзёбии аввалини PID step response тақрибан 0,005 mm steady-state error нишон дода шудааст, дар ҳоле ки дар Ҷадвали ниҳоии 9 PID displacement error бе халал 5,0 mm дода мешавад. Ин ду натиҷа дар манба дар доираи як метрик ва шароити санҷиши яксон ба таври ошкор ҳамоҳанг карда нашудаанд.