（电机与电器专业论文）大型通用桩架桅杆角度自动定位控制系统的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 另外，本文也指出了针对在控制系统的设计过程中所需要注意的问题。并对控 制系统中主要控制元件进行了介绍。 关键词：桩架桅杆解耦控制自动定位定量补偿 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fa u t o m a t i cp o s i t i o no r i e n t a t i o ns y s t e mf o r t h eh u g eg e n e r a ls t a k e f r a m e a b s t r a c t a sc r u c i a lg r o u n d w o r kc o n s t r u c t i o ne q m p m e m ，t h es t a k e - m a c h i n ei sw i d e l yu s e di nk i n d s o f b u i l d i n gp r o j e c t si nm a n yn a t i o n so ft h ew o r l d ，i t sq u a l i t yd e t e m f i n e st h eg r o u n d w o r kq u a l i t y d i r e c t l y ，a n di t i so n eo ft h ek e yf a c t o r st h a tw h e t h e rt h ew h o l ep r o j e c tq u a l i t yc a na c c o r dw i t h t h ep r a c t i c a ld e m a n d sa n dt h eq u a l i t ys t a n d a r d sw h i c ha r ec o n s t i t u t e db yt h eq u a l i t yi n s p e c t i n g d e p a r t m e n t s t h es t a k e f r a m ei so n eo ft h ea b s o l u t e l yn e c e s s a r i l ye q u i p m e n t sf o rt h es t a k e m a c h i n e i t i sw i d e l yu s e di nm a n yn a t i o n s b u td u r i n gi t sw o r k i n g ，t h et e c h n i q u eo fa n g l ea u t o m a t i c o r i e n t a t i o ni sr e s t r i c t e db ym a n yf a c t o r s f o ri n s t a n c e ，t h em u l t i f a m i l ys o i lt e x t m eo f t h et o tw i l l b r i n go nt h ev e m c a lc h a n g eo f t h ew h i r l i n g f - d i g g i n gp o l e ，a n ds o m es p e c i a lp r o j e c t sr e q u i r et h e s t a k e m a c h i n em u s tb ev e s t a l ，d u r i n gt h ea n g l eo r i e n t a t i n ga n da d j u s t i n g ，t h es t a k e m a c h i n e n e e do r i e n t a t ef r e q u e n t l y ，w a s t et i m e ，a n dt h es t r o n gc o u p l i n gm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，e t c t h ek e yt e c h n i c a lp m b l e m so ft h es t a k e - f r a m et h a ti m p r o v et h ec o n s t r u c tq u a l i t ya n d p r o m o t et h ew o n i n ge f f i c i e n c yi nt h ep r a c t i c a lp r o j e c t sa r en e e d e dt os o l v eu r g e n t l y i n t h i sp a p e r , t h ea u t o m a t i cp o s i t i o no r i e n t a t i o ns y s t e mo f t h eh u g eg e n e r a ls t a k e - f r a m ei s p r e s e n t e d f o rt h ef i r s tt i m ei no r d e rt os o l v e 吐l ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e t h ec o n t r o lo b j e c t o f t h ea u t o m a t i cp o s i t i o no r i e n t a t i o ns y s t e mi st h es t a k e f r a m e f i r s t l ) ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h es t a k e f r a m ei sa n a l y z e dc o n c r e t e l ya n dt h e n p r e d i g e s t e dr e a s o n a b l y t h i sp a r tw o r ki st h eb a s i cp o r t i o no fa l lt h ew o r k t h e n 、t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h es t a k e f r a m ei se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ep r e d i g e s t e dm e c h a n i c a l s t r u c t u r eo f i t s e c o n d l yb a s i n go i lt h ep r a c t i c a lw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i ct h es 廿o n gc o u p l i n gm e c h a n i c a l s l m c t u r ea n dt h ei d e o g r a p h i cc o n s t r u c t i o nd e m a n d so ft h es t a k e f r a m e ，t h ec a l c u l a t i o no ft h e r a t i o nc o m p c n s a t i o nc o n t r o ln u m e r i c a lv a l u ei sp e r f o r m e dt h e nt h ec o n 虹o la r e ac r i t e r i o ni s a c h i e y e d f i n a l b ，b a s eo na l lt h er e s u l t so b t a i n e da b o v e ，, t h ew h o l ed e s i g np r o j e c ti sp r e s e n t e db a s eo i l t h ec o n t r o lm a n e u v e r , c o n s i d e r i n gt h es t r o n gc o u p l i n gm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，w h i c hi st h es t a k e 一 一3 沈阳工韭大擎硕士学位论文 f r a m eh a v ec o n n a t u r a l l y ，d u r i n gt h ed e s i g no ft h ec o n 舡o lc i r c u i t r y ，n o to n l yt h ed e c o u p l i n g c o n 廿0 1m e t h o di sa d o p t e d ，b u ta l s ot h el i m i t e dc i r c u l a r i t yc o n t r o lc r i t e r i o na n dt h em e t h o do f r a t i o nc o m p e n s a t i o na r ea l s oa p p l i e df o rt h es a k eo f a v o i d i n gt h eb o d y w o r ko v e r t u r n e d ，s y s t e m c o n c u s s i o na n do v e 卜t u m i n g 1 na d d i t i o n ，t h eq u e s t i o n sn e e d e dt ob ea t t e n t i o ni nt h ed e s i g n i n go fc o n t r o ls y s t e m ， p r e s e n t e dt o o a n dt h em a i nc o m p o n e n t so f t h es y s t e ma r ea l s oi r r t r o d u c e d k e yw o r d s ：t h eg e n e r a ls t a k e - - - f r a m e ，d e e o u p l i n gc o n t r o l ，r a t i o nc o m p o s i t i o n ， a n t o m a t i ep o s i t i o n0 r i e n t a t i o n 一4 。 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：遗4 盘社 日期：z ! ! 生f ：! 关于论文使用授权的说明 、本人完全_ 解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：目拉拭 导师签名：日期：即彰哕 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题的提出和意义 根据建筑机械设备的分类规定，完成桩基础的施工所采用的机械设备统称为桩 工机械。桩工机械作业方式按动作原理可分为冲击式、震动式、静压式和成孔灌注 式等。但是它的基本结构主要是由桩架和施工部件构成( 根据建筑工程的具体要 求，配备不同的麓工部件。如：桩锤、长螺旋钻杆、短螺旋钻抒等) 【i 】。通常，桩 工机械具有桩和土壤两个施工对象。其技术性能要求同时适应和满足它们的要求， 必须使桩工机械的技术性能参数与桩和施工场地的具体地质条件取得合理的匹配。 通过桩工机械产生的冲击、振动、静压、钻孔、高压喷射等不同施工作业方式，把 各种桩沉入或构筑在地下一定设计深度的承力地层，或就地完成混凝土灌注桩、砂 桩、灰土桩等的旃工。在加固软弱地基时，可采用强汆钻孔旋喷、振冲、插塑料 板、深层搅拌、砂井排水等施工工艺【2 【”。因而桩工机械具有要面对各种复杂地质条 件开展施工作业的工程实际特点。 现代建筑工程的地基基础工程的主要形式是各种桩基础工程。它的主要任务是 在各种l j 质的地面上支撑建筑物，防渗及支护等；如在透水地基中防渗( 如板桩排 或混凝土灌注桩墙) 、在建筑工程中减少建筑物的沉降等，应用十分广泛。不仅用 于般的民用、商用建筑工程当中；而且在铁路桥梁、港口码头、重要厂房、高层 建筑、水库大坝、地下建筑、水下工程、国防建设、国家大型水利施工工程等重要 的基础设施建设当中也得到了十分广泛的应用口 。从一i ：程造价和施工工期来讲，基 础工程要占用全部工程相当大的比例。桥梁和码头的水下基础工程占全部工程的 1 3 1 2 左右；一般的工业与民用建筑的地基基础工程，有的也达到1 3 左右1 4 j 。因 而桩工机械施工质量的优劣就必然成为影响整体工程质量的关键性因素之一。 就任项建筑工程项目而言，为了保证整体工程的质量，在进行桩基础工程阶 段的施工作业时，对桩基础桩身角度的要求非常严格。根据国家建筑施工相关规范 的规定，对桩基础柱身垂直角度( 直桩) 或桩基础柱身与设计角度的最大偏移量 ( 斜桩) 都有着严格的规定。因此，也就要求在桩工机械现场的施工过程中，施工 沈阳工业大学硕士学位论文 前必须对其角度进行监测控制和调节操作。众所周知，桩架是桩丁：机械专用的导 向、起吊和负重装置。它的主要作用是起吊施工部件和桩体；在具体施工作业的过 程中，对施工部件和桩身进行导向。因而，对桩架桅杆角度的进行定位和控制，就 成为保证整体工程的质量关键。 我们知道，桩工机械在实际的施工过程中存在着多种因素，影响桩架桅杆角度 的进行定位和控制。例如施工场地土质自身的多样复杂性( 地表层土质为流动性很 差的粘土性质，中层土质为松软度及流动性均很大的砂石质土层，而下层土质为却 难以穿凿的岩层结构) 、施工过程中不可避免的机械震动以及需要频繁地更换桩位 及风力大小等诸方面因素的影响和制约，都成为桩工机械角度定位在工程实际中所 面l 临并亟待解决的关键问题【6 j 。 如何能够在保持高效率地施工作业的基础上，同时又能够大幅度地提高施工的 精度的这一工程实际问题，就成为本课题( 大型通用桩架桅杆角度自动定位及控制 系统的研究) 所要解决的主要任务。就课题性质和特点而言，本课题研究内容属于 工程实际应用问题。它的主要作用是：提高桩工机械的施工精度和工作效率： 为工程监理部门提供定量的质量验收判据：提高我国建筑机械自动化的水平。 从桩工机械的发展历程来看，桩工机械的出现、发展及不断完善的过程也正是 建筑水平不断地提高、发展和完善的过程。因此桩工机械对改善和提高实际建筑施 工工程的质量做出了巨大贡献。 早期桩架桅杆的角度定位及控制操作均由施工人员通过人工手动操作及肉眼目 测来完成【7 l 【8 】。这种施工是在完全依赖于施工人员的经验和直觉的基础b 进行的。由 此可知施工的质量根本无法得到严格保证。其后，随着现代检测和控制技术的逐步 发展，产生了许多针对桩工机械施一l ：质量进行衡量的检测和判定的仪器设备1 7j 。可 以在桩工机械施工结束后对其进行质量检测。因而桩工机械的施工质量也在很大程 度i ：得到了保证和提高。但是，由于桩工机械施l ：e 程成本高、 _ 期长，工程结束 后再进行质量检测往往造成巨大的、不该发爿i 的经济损失( 包括经费和工期) 。随 着现代建筑工程的不断发展，对工程的质量要求也随之日益提高。i ：述那种只能够 在桩机施工结束后进行检测的质量检测方法，已经远远无法满足现代建筑工程质量 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 的要求例。针对这一矛盾世界各国已经展开了广泛的探索和研究，并且氆蔷+ 爵镤狰 了不同程度的解决问题的方法。例如意大利的意马全液压多功能桩架桅杆采用了将 倾斜检测设备安装在桩机的桩架桅杆上，以此实现对桩机桩架桅杆的角度检测。 综上所述，桩工机械角度定位和控制对许多工程实际问题具有很高的实用价 值。该系统不仅能够大幅度地提高桩工机械施工的精度和适应灵活性、使桩基柱身 的垂直度得到良好地保证、提高工程质量，工程管理水平和施工效率，而且也加强 了桩工机械施工( 特别是桩工机械移动过程防倾覆) 的安全性，同时也为工程监理 及验收部门提供了可靠的定量性的质量验收判据。因此针对于桩工机械角度进行定 位和控制的技术问题在近年来也已得到了广泛的关注。由此可见，桩工机械角度自 动定位及控制系统的开发和研制必定具有广阔的市场应用前景。可大大提高国产桩 工机械在产品市场和工程竞标中的竞争力。它的应用和推广不仅仅具有较好的经济 效益，而且还具有重大的社会效益。 1 2 漂越韵背景 1 2 1 桩工机械发展研究综述 众所周知，在桩工机械施工过程中，对于桩架桅杆的垂直度的控制有着很高豹 要求，特别是在钻杆较长的情况下，则会出现差之毫厘，失之千里的施工质量事 故。 传统的桩架桅杆垂直度的检测定位控制主要是采用重锤吊线法、水平尺找平法 这两种方法来实现【1 0 1 。但这种方法多是由施工人员进行手动操作完成。这种传统的 桩架桅杆角度定位及控制的方法，在很大程度上要依赖施工人员的实际工作经验， 并受到施工人员主观观测因素的制约。 我们知道，桩工机械在旌工过程中，根据其自身的工作特点，需频繁地变更施 工位置；在施工时又会产生机械震动：并且还考虑到风力等客观外界因素的影响。 因此，上述的角度控制方法既耗费人力资源、影响施工工作效率、同时又不能保证 垂直度的调节控制精度。因此如何保证桩架桅杆垂直度控制精度，又能够做到省时 高效，省工精简地完成桩架桅杆垂直度( 或定位角度) 调节控制的这一技术难题， 已受到国内外建筑机械行业的密切关注j 。 一3 沈阳工业大学硕士学位论文 l 2 2 国外桩架桅杆角度控制渡术发展的研究 目前，由于通用桩架是构成桩工机械的重要基础部件之一，又因其自身具有的 机动灵活性高、可根据不同的工程特点和具体的施工要求与相应的成桩机构搭配组 合，构成适于具体工程施工要求的桩工机械，这使其在国内外的桩基础工程施工中 得到了十分广泛的应用。尤其在欧洲和日本等发达国家，针对桩架桅杆角度的定位 和控制技术的研究和可发也已获得不同程度的进展。 在针对目前国外的桩架桅杆角度定位控制技术的发展进行了较详细的调查和研 究后，我们已了解到，针对解决上述问题国外桩工机械生产制造行业提出了各自不 同的解决方案，并已有在实际工程中的应用。 例如，意大利土力公司( s o i l m e c s p p a ) 生产的土力 ( s o i l m e c ) 旋挖钻桩 机。它具有多功能的设计，可是现地下连续墙施王操作、套管法、长螺旋钻桩等多 种成桩施工操作。而且它的所有机型均采用电液就捌伺服控制技术，可实现微动 ；箨- ，并可装备电子测斜纠正系统。 “ 意大利迈特 m a i t ) 工厂出品的迈特旋挖钻桩机，其自动化程度很高。全车所有 韵动作均可在驾驶室内完成。整机可以前、后、左、右自动移动，自动显示钻进尺 度。 奥地利利勃海尔工程有限公司( l i e b h e r r w e r kn e n z i n go m b h ) 生产的 l r b 2 5 0 型和l b 4 0 0 型桩机，对桩架桅杆前、后角度调整的最大范围能够实现前倾 7 。、后倾1 0 0 ( l r b 2 5 0 ) ；前倾5 。、后倾1 0 0 ( l b 4 0 0 ) 。 德国宝峨特殊地下工程股份有限公司( b a u e rs p e z ia l t i e fb a ug m b h ) 出产 的b g 系列大口径旋挖钻桩机，随机配有电脑控制的钻桅( 桩架桅杆) 测斜纠偏系 统【12 1 。 意大利的意马全液压多功能旋挖钻桩机采用了将倾斜检测设备安装在桩机的桩 架桅杆上，以此实现对桩机桩架桅杆的角度检测。并预先设置了预报角度和报警角 度。当桩机桩架桅杆的工作倾斜角度达到预报角度或接近报警角度时，则由预报、 报警装置或灯光等进行报警显示。检测设备则由安景在驾驶室内的倾斜检测仪、倾 斜指示器、以及各种信号器件等构成。 d 沈阳工业大学硕士学位论文 日本车辆制造株式会社( n i p p o ns h a r yl t d ) 研制生产的d e 系列旋挖钻机的角 度检测的方法为：在桩架桅杆上安装了传感器件，对旋挖作业的精度进行检测和控 一制管理。在旋挖作业的管理系统中，应用了装有倾斜仪器的地下通讯系统。该通讯 系统将x y 两方向的倾斜仪器、数据处理和发送装置、通讯用线圈等设备组装在一 段钢管之中，然后再与驾驶室内的显示器相连接。在桩工机械进行施工作业过程当 中，每当到达各段预定的掘削深度时。桩工机械停止作业，同时由掘削作业管理系 统进行确定方向的倾斜角度的测定。旌工作业时每深入5 m 的距离就停机进行检测 即检测每间隔5 m 进行一次。在驾驶室内的操作人员就可以根据其中安装的显示器 所反应的检测结果，采取相应的调节措施，调整桩工机械的工作状况。从以上的介 绍可知，这是一种半自动、非完全实时的监控管理系统【l ”。 英国出产的b s p 牌及荷兰出产的j u n t t a n 牌桩工机械设备。这两类桩工机械 产品均采用了由微机进行监控的工程牛乍业管理系统。它们均采用了带有垂直度自动 检测、调整、孔深数璐显示等技术【l 5 】。 通过对前当各国主要桩工机械生产制造行业针对桩架桅杆角度定位控制问题厨 采用的相关技术进行较详细的调查和研究后，我们已了解到，为解决上述角度定位 控制问题，国外相关行业基本上均采用了电液自动控制方法。并在很大程度上实现 了系统自动控制。具有灵活高效、省工省时、施工质量能够得到保证的优势。 1 2 3 国内桩机行业的发展 目前，我国的桩工机械发展水平与国外相比非常落后。大型桩工机械基本上都是 依赖进口，而且价格十分昂贵。主要以意大利土力公司、意马公司、迈特公司及德 国宝峨公司的产品为代表。近年来我国桩工机械行业将桩工机械设计与实际施工工 艺密切结合，并借鉴了日本、德国、英国、意大利等国外先进技术，使得我国的桩 工机械产品技术水平的不断改进和提高，部分桩工机械产品已经达到国外8 0 年代末 的技术水平。例如1 9 8 8 北京城建机械厂就针对国外样机开发了履带起重机附着式旋 挖钻桩机；2 0 世纪9 0 年代中期郑卅f 勘察机械有限公司又从英国b s p 公司引进了附 着式旋挖钻桩机的技术1 6 】【17 1 ，使得我国的桩工机械行业得到了快速的发展，其技术 水平也在一定程度上得到了提高。 5 沈阳工业大学硕士学位论文 就整体桩工机械行业的技术水平和装置自动化程度而言，我国仍与国外存在较 大差距，桩架桅杆垂直度的调节及控制技术的开发方面差距更显巨大。如何调节和 控制桩机桩架桅杆的垂直度这一技术关键问题目前国内仍没有获得大幅度地突破性 进展。 目前，我国桩工机械产品在解决桩架桅杆垂直度调节控制问题方面，大多仍沿 用传统的人工目测、手动操作的施工方式。这种施工方式主要是采用重锤吊线法、 水平尺找平法这两种方法来实现r 嘲。在进行现场具体旌工操作时，完全由施工人员 手动操作来完成。这种传统的桩架桅杆角度定位及控制的方法，不仅在很大程度上 依赖施工人员的实际工作经验，而且在很大程度上必然受到施工人员主观观测因素 的制约。 此外，我们已知道，桩工机械在施工过程中，一方面根据其自身的工作特点， | 17 一 需频繁地变更施工位置、在施2 1 2 时又会产生机械震动，另一方面由于受到地面支 撑、车体弹性及风力等客观舞需因素的影响，因此，上述的角度定位控制方法既耗 费人力资源、无法提高施工效率c 、不便于质量管理，同时又不能保证垂直度( 或定 ”一一。 位角度) 的调节控制精度。随着现代控制技术的发展成熟及建筑施工质量要求的不 。“江 断提高，我国的桩工机械针蝣楼架桅杆垂直度调节控制技术也面临着急需展开迸一 步地开发和研究的局面。如何才能保证桩架桅杆垂直度控制精度，方便工程质量监 理，做到省时高效，提高工程质量，仍然是我国建筑机械行业正在积极寻求解决的 技术难题之一。 1 3 课题的主要工作内容 本文以大型旋挖桩机为例进行桩架桅杆角度自动定位及控制系统的研究。具体 内容及工作步骤如下： 第一、简化控制对象的机械结构 实际的桩工机械在机械结构上具有十分繁琐、复杂的特点，但考虑到本课题的 研究对象主要为桩工机械中的桩架桅杆部分，因此可以将具体的机械结构加以简化 处理，去除与研究对象无关( 或影响较小) 的机械组成部分，保留主要的控制对象 6 沈阳工业大学硕士学位论文 及与其相关的机械部分即可。这样既可以减少与研究系统无关变量的影响，又便于 问题的分析。 第二、建立控制对象运动区域的数学模型 数学模型的建立直接关系到问题是否能够得到解决、所需工作量的多少等重要 问题。对于不同的研究对象、不同的控制目的，可得到不同的数学模型。在本课题 的深入研究中，根据实际情况出发，针对不同的研究对象及影响因素，分别建立了 各自不同数学模型。主要包括：桩机工作平台空间数学模型、运动区域三维空间数 学模型及基于工作平台的运动区域垂直投影数学模型。最后义通过坐标变换的方法 把相互之间彼此独立的数学模型联系起来，构成了一个完整的研究系统。 第三、选取适当的控制策略及方法 完成任何控制系统的研究，都需选取正确( 适当) 的控制策略。它对于控制系 统能否实现、是否稳定起到了决定性释用。本课题针对所研究的角度自动定位控制 系统在机械结构上所具有的强耦合、大挠度的结构特点和驱动上具有的高重心、大 惯性特性，同时又要兼顾车体自身属于多扰动系统的实际机构特点，为了保证系统 的控制精度，对控制系统进行了逐步地分析比较。分析了以p 控制策略所构建的系 统在实际应用中存在的问题。根据产生问题的原因，将误差分时定量校正的控制策 略应用于本控制系统中。这是本课题的重点研究部分。 第四、确定系统控制方案、进行系统硬件的开发。 以确定的系统控制策略为依据，确立了系统的具体控制方案。并且参与了系统 硬件组建的工作。 7 沈阳工业大学硕士学位论文 2 建立研究系统的数学模型 在本章里首先针对逯厘所研究的桩架桅杆的机械系统进行具体地分析i 一其次根 据实际研究的需要，对桩机的具体机械系统进行了合理的简化及化分；然后根据简 化系统的各组成部分独自具有的结构特点，分别建立相应的空间结构数学模型，和 控制对象的三维空间运动区域数学模型及运动区域一维平面的垂直投影数学模型。 最后通过应用坐标变换的方法使各部分之间的数学模型能够相互有机地联系起来， 构成一个完整的系统。本章所求得的数学模型将直接应用于后面章节的实际应用 中。 2 1 桩机角度自动定位控制系统机械结构简化 桩工机械的实际机械结构是十分繁琐、复杂的。图2 1 是一种万能桩架桅杆整体机 圉2 1 万能桩架桅杆整体机械结构总图 ，8 沈阳工业大学硕士学位论文 械结构总图。现代桩架大都采用这样一种结构型式。目前国内外无论那一种桩工机械它 们都是以履带为整机的承载体。( 图2 1 为履带承载方式) 桩机的桩架桅杆整体安装在 车体工作平台上，大型桩架的立柱高达数十米。通过调节两个与桩架相连接的斜撑的长 度可以实现桩机的导向、边幅( 打斜桩) 及定位等工作。图2 i 中斜撑是采用丝杠、 螺母机构来调整其长度。但传统桩架的斜撑多采用油缸伸缩机构。桩机处于施工状态 时，车体的工作平台由液压机构进行支撑，通过对液压机构的调节以保证工作平台的水 平度f 1 9 1 刚。本文样机设计采用丝杠、螺母机构来调整其长度。就桩工机械整体而言，形 成了强耦合、大挠度的机械结构；从桩机动力驱动角度考虑，它又具有高重心、大惯性 的驱动特点口”。 此外，结合桩工机械的实际工作情况考虑，我们可以知到，桩机的桩架桅杆是以车 体工作平台为基本工作平面的，而桩架桅杆的工作角度却是以实际水平面为参考平面 的。桩机处于施工作业状态时，不可避免地要产生高强度的震动，从而引起车体工作平 台的水平度和桩架桅杆的垂直度产生变动。因此，桩机工作平台在空间所处的位置会对 桩架桅杆的垂直度产生影响。所以在简化控制研究对象的具体机械结构时，不仅要包括 桩架桅杆，还要考虑桩机的工作平台部分。其机械结构简图如图2 2 所示。 圈2 2 桩机机械结构简图 9 一 沈阳工业大学硕士学位论文 通过卜述处理，在保证控制系统的控制精度及可靠性的基础卜，不仅简化了控 制系统的研究列缘的结构，使研究对象更加明确、具体：f _ 1 j 电为后续部分建立系 统数学模型、7 确甫系统控制厅案等王作做了完善地准备。 2 2 建立控制对象运动区域数学模型 从r州门分析可知，水课题的主要研究对象是由榭j 【机械的桩架桅杆、鹏斜 撑和桩机作、r 台三部分构成。因此本节所建立的数学模驰主要为工作1 卜台的窄问 数学偾型、瓣禁楗辛1 i 维空州运动区域数学模型以及以工作平台为参考坐标系丽建 节 t , 3 运动r 域维平面垂直投影数学模型。 2 1 1 工作平台建模 ( 1 ) 坐畅：系的选墩 小搴小所何棚关平面的数学模型，均以笛卡儿坐标系( 均。作为标准参考坐标 水 图2 3 工作平台空间简图 ( ? ) 到；存：j “、f 台的数号! 俘 型 根捌匕述参考坐柄、系建立的原则可建立工作平台的数学模型。为使削题 1 0 _ ， ， 、 r 沈阳工业大学硕士学位论文 誊翁黼薮_ = i 溱荤蔷遴谣薰荔。“一? 。一；i ；l 蒸一。 。二则车体的工作平台可表示为： 囊。 蘸餮母 一i r u + 一茹 等每_ _ 睾- - ： 。a x + z + c z = 0。二二。# 携蕾。羔。i 磐蒋麓麓? 。 式中，a b 、c 为该平面的方向法矢簦幽，蠢霉搿藏c 扣 2 2 2 建立桩架桅杆空间运动区域的数学模型 根据简化的桩机机械结构能够确定桩架桅杆的极限运动区域。如图2 4 所示。 r 圈2 4 桩絮桅杆的掇粮薅鞠区域 则桩架桅杆顶点运动区域数学表达式1 2 3 】为： z = 、回f 了 h c o s 5 。蔓z h 。h s i n ( - 5 。) 蔓xs h s i n 5 。 翳l l i 女i 添5 1 ；：) y 篁奎交i 蔷擎 ( 2 2 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 式中，日为桩架桅杆与两斜撑连接点到工作平台底部的长度。 由式( 2 2 ) 可知，桩架桅杆顶点运动区域是一个以原点0 为球心、杆长为 半径的球面的一部分。其圆心角的变化范围为船。 2 , 2 3 基于d 1 五y ，坐标系建立运动区域垂直投影数学模型 首先以工作平台所在的平面为参考坐标系o ；x 。y ，向工作平台所在的o , x 。m 平面 做桩架桅杆空间运动区域的垂直投影，如图2 5 所示。图中粗虚线圆表示桩架桅杆 极限运动轨迹在馥善，y 。平面上的垂直投影；两圆点虚线表示两斜撑各自以其标准臂 长上为半径，与工作平台连接点0 l 、0 为圆心的部分轨迹圆则可建立桩机桩架桅杆 基于工作平台垂直投影的数学模型。 x ? + y ? = r 2 如+ 七) 2 + ( y ，+ 啊) 2 = 霞二 。 ( z 3 ) “一i ) 2 + ( y 。+ 啊) 2 = 学 式中，r 为桩架桅杆极限倾角口+ ( 倾角允许偏移角度的最大值) 时向工作平台垂直投 影的极限圆半径。且有r = 口s i n o 。2 k 为o i 点和点0 2 之间的距离，表示原点到 q q 连线垂直距离。 一 o 、y l ， 、 ， 、 冷。原 ：形 憾 ? ? 1 、。 图2 - 5 桩架机构基于工作平台运动区域垂直投影 一1 2 ， 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 4 坐标系的旋转( 旋转坐标变换关系式) 由于桩机的桩架桅杆是以车体工作平台为基本工作平面的，而桩架桅杆的控制 角度却是以实际水平面为参考平面的。车体工作平台在空间所处的位置和状态会影 响桩机桩架桅杆角度的控制。但是由于车体工作平台的水平度是随着桩机： 作时所 产生的震动、水平调节的精度、t 作位置的改变而随之发i ! 三改变的，因而这种变化 则不可避免地列桩架桅杆的倾斜角度的定位及控制产生影响，因此对工作甲台水平 度的变化必须加以考虑。 当工作平台在水平状态下若发生水平位，其水平度并未发生改变，冈此对系统 控制对象桩架桅杆的倾斜角度并不发生任何影响，因此对于工作平台发生水平 位移的问题我们可以忽略不汁。而当工作平台的水平度因上述某种原因发生改变 时，这种改变必将影响整体系统的控制精度，所以我们必须加以分析。 无论工作平台的水平度发生何种惰况的变化，我们都可以将其分解归纳成为该 平台绕空间某一轴作旋转运动的结果，或是绕空问某两个轴分别作旋转运动的结 果。因此我们可以借助于坐标系的旋转变换解决关系式这一问剐2 钔。 坐标旋转变换关系式为： ( 1 ) 绕x 轴方向旋转 r ( z ，a ) 0 c o s a s 汛o a o o s i n 口 c o n o t 0 式中，d 为工作平台绕x 轴旋转的角度。 ( 2 ) 绕v 轴方向旋转 r ( y 。) c o s ，e 0 一s i n f l 0 式中，为工作平台绕y 轴旋转的角度。 1 3 一 ( 2 ，4 ) ( 2 5 ) 口 肛 0 o s c 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 绕z 轴方向旋转 r ( z ，y ) = c o s y s i n y 0 0 s i n y c o s y 0 0 o ol0 0 00l ( 2 6 ) 式中，y 为工作平台绕z 轴旋转的角度。 2 3 本章小结 在本章罩首先针对课题所研究的桩架桅杆的整体机械系统进行了系统的地分 析，明确了本课题所要研究的控制对象。并根据该控制对象自身形成的强耦合、大 挠度的机械结构；高重心、大惯性的驱动特点和实际施工中的各种影响因素，对桩 架桅杆的机械结构进行了合理的简化。 其次根据前面的分析、简化结果i 从实际情况出发，针对不同的研究对象及影 响因素，分别建立了各自独立地建立其相应的桩机工作平台空间数学模型和研究对 象运动区域数学模型。并且在保证系统控制稳定性的基础上，将三维空间数学模型 转化为基于工作平台的一维平面运动区域垂直投影数学模型。从而降低了系统的计 算难度控制难度。 最后通过应用坐标变换的方法使彼此相互独立的数学模型能够相互联系起来， 构成一个完整的系统。最终为后续部分的控制工作做好了铺垫。 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 3 系统调节补偿量( 纠偏量) a l 的求解 当桩架桅杆的垂直角度发生倾斜变化时，桩架桅杆的两斜撑的实际长度l ；和l ： 分别与其标准长度厶( 当桩架桅杆垂直于水平面时，即倾斜角度臼= 0 0 时，两斜撑 的长度) 之间的数值差量i 址，i 和 址：l 即为系统调节所需的调节补偿量的幅值( 长 度) 。但是，由于桩机的桩架桅杆在机械结构上具有明显的强耦合的特点，为了能 够避免控制系统在进行调节补偿时，两斜撑之间所产生的相互硬性机械耦合作用， 因此系统在针对桩架桅杆的倾剩角度口进行调节时，我们不仅需要确定系统调节补 偿量i 址，降u i a l ：i 幅值的大小，而且还需要确定系统补偿调节量的极性( 即判定斜撑 l 和三，的各自的伸缩方向) 。根据补偿量的极性确定系统的调节补偿方向。在本章 中我们将对求解的具体过程进行详细的推导。 3 1 基- t - o , , 。y 。坐标系确定斜撑厶和：实际工作长度 设桩架桅杆与斜撑连接点，在1 作平台上的垂直投影为f ，对f 坐标的确定 可分为倾角为臼= 0 。时及倾角为时( o 。( 臼5 。) 两种情况，下面我们将针对这两种情况 加以分析： ( 一) 当日= 0 。时 此时桩架桅杆相对于j 【作平台的垂直度并未发生改变。因此，连接点f 在工作 平台上的垂直投影点f 的坐标与工作平面坐标系原点0 重合即f ( o ，0 ) ，同理系统 调节调节补偿量的幅值l 龇“= j l ，l = 0 。因而控制系统不需要发向下一级的驱动控制 单元出任何调节驱动指令，分别安装在两斜撑上的两个无刷直流电动机也就不需要 对斜撑的长度进行调节。 ( 二) 当0 。 0f收缩 b | |收缩 l 虬! i l 0 f i伸长 | i 收缩 i l ! i 0i收缩 j 址。 收缩 j 址：j 一 oi i伸长 | 世“ 收缩 l 战：i 0 0 o r伸长 i 越“ 伸长 i 址。l 4 3 本章小结 在本章中，亡j 先以前面章节所建立的桩架桅杆的机械数学模型为基础，对拎制 系统的调节补偿量上进行了定量性的求解运算。在求解过稗中，以桩架桅卡1 的倾剩 角毋的不同取值情况，分别进行j 分移i 和求解。 其次，为解决系统实际调节补偿量的极性与传感器反馈的调节信号极倒j 不匹配 的问题埘系统的控制区域进行重新划分。将系统的控制区域由车体工作习i 台所_ | ：；i 的传统q x 。y ，坐标系变换为由系统控制对象的运动轨迹划分后所构成的坐标系。 最后，将上述工作结果加妙缘台分析，提出了两种系统控制区域的判定力法。 同时给出了相应响进行系统控韦! 逸域判刖的判据。这部分1 i 作将为后面章节的进 步工作打下了理论基础，具有理沦指导性意义。 2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 5 桩架桅杆角度自动定位控制系统的设计 在本黉中! 我霄) 首先介绍了传统的模拟p i 控制器的控制策略3 哆1 并指出了 它的不足之处。根据系统控制对象的具体特点，引入了数字p 正控制方法。其次，在 此基础上，根据数字式p i 控制思想进行了控制系统的设计，具体地阐述了桩架桅杆 角度自动定位系统的基本原理，给出了控制系统的总体设计方案。然后，针对控制 系统在现场的实验应用中所存在的问题进行了分析，并提出了改进的方案。最后， 指出了在进行本控制系统的设计时，所需要重点考虑的几点注意事项。 5 1 传统模拟钟控制原理 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性 高，在工业过程控制领域中得到了广泛的应用，尤其适用于能够建立精确的数学模 型的确定性控制系统【3 钉。 8 5 ：r 1 1 传统模拟p 控常b 器基本原理 。 囊“| 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制策略之一是彤控制。常规的尸，控制 n t 系统韵原理框图如图5 1 所示。控制系统主要由模拟控制器和被控对象组成。 图5 1 模拟p ，控制系统原理框图 p i 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，o ) 与实际输出值c ( f ) 构成控制偏 差e ( f ) 。 e ( f ) = r o ) 一c e ) 2 l 一 ( 5 1 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 控制器将偏差的比例( 尸) 和分( ，) 通过线性组合后构成系统的控制量，对被控 对象进行控制”l f l 4 1 。其控制规律为： 娴= 耳p + 扣叫 其传递函数为： g 陆粥= 砗( t + 专) ( 5 2 ) ( 5 3 ) 式中世。为比例系数 l 为积分时间常数 以上就是传统的模拟p i 控制策略钓控制婉律。 5 1 2 传统模拟控制器的缺点 由于在实际的工业生产过程往往都具有非线性、时变不确定性等特点，因此， 罐以建立精确的系统数学模型，应用常规酶筋控制器不能达到理想的控制效果；在 实际生产现场中，由于受到参数整定方法蠛杂的困扰，常规的控制器参数往往整 定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差【3 5 1 。针对这一问题，长期以来，人们 一直在寻求控制器参数的自动整定技术，以适应复杂的实际工况和高标准的控制 要求。随着微处理机技术的快速发展和数字智能式控制器的实际应用，这种设想已 经变成了现实。同时，随着现代控制理论研究和应用的不断发展与深入，为控制复 杂无规则的系统开辟了新途径。近年来，出现了许多新型的川控制器，它们对于复 杂、无规则系统的控制，其效果远远超过传统的常规控制器嗍 4 0 1 。 5 2 数字式控制算法 随着微处理机技术的高速发展和数字智能技术的日益普及，彤控制策略以这两 项技术为依托，并结合现代控制理论不断发展研究的成果，产生了数字式控制器 这一新型系统控制方式。它在很大程度上克服了传统的控制器自身具有的缺点及 不足，大大提高了控制系统的控制效果。 2 2 沈阳工业大学硕士学位论文 在计算机控制系统中，使用的是数字尸，控制器。数字p ，控制算法通常又可 分为位置式p s 控制算法和增量式p i 控制算法两大类【4 2 。根据本课题所研究的控 制对象的具体特点，系统首先采用了增量式j d ，控制算法。因此，在本文r t l 对增量式 尸控制算法进行了介绍。 5 21 数字增量式j p ，控制算法 由于计算机控制系统是一种采样控制系统，冈此它只能根据采样时刻的偏筹值 计算系统的控制量，因此式f 52 ) 中的积分项不能直接使用，需要进彳蕊散化处理 4 3 1 。按照模拟p ，控制算法的( 52 ) 式，以一系列的采样时刻点k 了1 代表连续时川f ，以 和式代替积分项，则可作如下近似变换 ( 5 4 ) 式中，7 1 为采样周期。 为了保证系统有足够的控制精度，在离散化过程当中，采样周期丁必须足够 短。 设e ( k r ) = e ( k ) ，则将( 54 ) 式代入( 5 2 ) 式，可得离散的p i 控制箅法表达式为 诹) “，+ ；静，) “爿咖k ，妻出) ( 5 5 ) 式巾，k 为采样序号，a = 0 ，1 ，2 ，： “( ) 为第k 次采样刚刻的计算机输出值： p ( 女) 为第k 次采样时刻输入的偏差值； k ，为积分系数，= -