機(jī)電信息類論文發(fā)表期刊推薦《電子科技》為月刊，每月15日出版。主要刊登高等院校、科研院所、電子行業(yè)企事業(yè)單位等科研機(jī)構(gòu)在電子技術(shù)應(yīng)用、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全及信息、光電子材料等領(lǐng)域最新的學(xué)術(shù)、技術(shù)論文、工程技術(shù)應(yīng)用研究、教學(xué)實(shí)踐總結(jié)、行業(yè)綜述等稿件。
　　【摘 要】本文對(duì)壓樁機(jī)邊樁工作的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析以及仿真，討論了自動(dòng)調(diào)平難度較高、對(duì)壓樁機(jī)支腿結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究解決其負(fù)荷重的問(wèn)題、引入了液壓控制技術(shù)，筆者為了最大限度的消除負(fù)載的干擾，認(rèn)為對(duì)干擾力的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)測(cè)并提前補(bǔ)償，然后建立壓裝機(jī)的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，最后經(jīng)過(guò)仿真后，證明所提出的一系列理論都有利于邊樁機(jī)自動(dòng)調(diào)平的實(shí)現(xiàn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

　　【關(guān)鍵詞】邊樁機(jī),自動(dòng)調(diào)平,仿真

　　The automatic leveling system on the pile pressing machine side piling work to carry on the research analysis and simulation

　　Wang Bo，F(xiàn)u Si-feng，Zhou Wei-dong

　　(Henan Aero Geophysics and Remote Sensing Center Zhengzhou Henan 450053)

　　【Abstract】In this paper， the automatic leveling system on the pile pressing machine side piling work to carry on the research analysis and simulation， discusses the automatic leveling difficulty is higher， on the pile pressing machine leg structure were studied to solve the problem of heavy load， introduces the hydraulic control technology， in order to pass on these problems to improve the press mounting process machine efficiency. The author in order to eliminate the interference load maximum， think of the real-time monitoring and compensation to the disturbance force prediction in advance， and then establish the automatic leveling system of pressing machine， finally through the simulation， a series of theoretical proof of the proposed are conducive to the realization of automatic leveling side pile machine， and provides a theoretical basis for the the improved system design.

　　【Key words】Paper;Discusses;Fong zhen

　　1. 序言

　　全液壓靜力壓樁機(jī)是一種可以快速平穩(wěn)而安靜地把預(yù)制樁壓入地基新型壓樁機(jī)，采用的技術(shù)是高壓油所產(chǎn)生的強(qiáng)大的靜壓力，自動(dòng)調(diào)平對(duì)壓樁機(jī)來(lái)說(shuō)是極為重要的一個(gè)技術(shù)，替換了原來(lái)的人工調(diào)整操作，有利于較高水平的調(diào)整壓裝機(jī)機(jī)身的平穩(wěn)性，使得將要被壓入地基的預(yù)制樁與地面保值垂直，由此來(lái)提高壓裝機(jī)的工作效率。但在壓樁機(jī)邊樁實(shí)際的工作過(guò)程中，由于各個(gè)支腿承受者較多的干擾，用傳統(tǒng)方法控制根本無(wú)法將支腿干擾引起的誤差抵消掉，其實(shí)自動(dòng)調(diào)平是不容易實(shí)現(xiàn)的，為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者基于Matlab仿真軟件，在文中提出了狀態(tài)觀測(cè)器補(bǔ)償干擾的方法，從支腿的液壓系統(tǒng)和壓樁機(jī)平臺(tái)為接入點(diǎn)，建立了機(jī)液耦合的壓樁機(jī)自動(dòng)調(diào)平模型，經(jīng)過(guò)仿真，我們發(fā)現(xiàn)，要想消除支腿干擾引起的誤差并實(shí)現(xiàn)壓裝機(jī)的自動(dòng)調(diào)平目標(biāo)以提高其工作效率，狀態(tài)觀測(cè)臺(tái)系統(tǒng)的補(bǔ)償作用具有顯著的效果。

　　圖1 250噸的全液壓靜力壓樁機(jī)

　　2. 壓樁機(jī)平臺(tái)仿真模型的建立

　　(1)筆者以250噸的全液壓靜力壓樁機(jī)(如下圖1所示)為討論對(duì)象，系統(tǒng)中的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)模型是由4個(gè)統(tǒng)一規(guī)格的升降式支腿液壓缸支撐形成的并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，邊樁工作啟動(dòng)之前，為了保證工作的穩(wěn)定配，重就會(huì)在機(jī)身平臺(tái)上向著邊樁機(jī)構(gòu)的方向移動(dòng)，使機(jī)身的重心偏向于之。

　　(2)通過(guò)對(duì)壓樁機(jī)工作原理的分析，我們建立了壓樁機(jī)的由4條支腿和平臺(tái)組成的機(jī)身平臺(tái)模型。此模型的主要組成部分是圖中看到的四條起支撐作用的腿架和一個(gè)平臺(tái)，其中，包含了慣性張量、質(zhì)量、連接副和平臺(tái)的形狀幾個(gè)因素，根據(jù)邊樁機(jī)的特點(diǎn)可以知道，模型的重心是可以隨機(jī)地選擇的。

　　3. 液壓系統(tǒng)模型的建立

　　3.1 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)有一個(gè)關(guān)鍵性的決定因素――支腿液壓系統(tǒng)，所以，為了保證調(diào)平系統(tǒng)的有效工作，必須對(duì)液壓系統(tǒng)模型的建立必須有一個(gè)準(zhǔn)確標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的要求，介于液壓系統(tǒng)的四個(gè)支腿具有統(tǒng)一的規(guī)格，本文只針對(duì)其中一支進(jìn)行建模。壓樁機(jī)邊樁工作時(shí)需要各個(gè)支腿的控制信號(hào)按照一定的比例呈上升趨勢(shì)，為了實(shí)現(xiàn)由于每個(gè)支腿架自身的負(fù)重干擾引起的輸出控制閥的流量的干擾的最小化，在本次的模型建立工作中，我們選擇了Atos QVKZOR-A-10的流量閥控制每一個(gè)液壓缸，支腿閥控制的液壓缸的函數(shù)模型是：

　　x= Q1 AK - FL AK 2 [V04βes+Ct] s(s2ωh2+2ξhωhs+1) (1)

　　其中， x表示支腿上的油缸內(nèi)的活塞位移值， AK 表示油缸的無(wú)桿腔面積， FL表示負(fù)載干擾，V0表示油缸上升的容積的等效值， βe表示彈性模量， Ct表示漏損系數(shù)， ωh表示閥門對(duì)液壓缸的控制頻率， ξh表示液壓缸阻尼綜合值。 　　流量閥控制支腿信號(hào)的函數(shù)為：

　　WV(s) = Q1 U

　　=KV s2ωv2+2δvωv+1 (2)

　　其中 Q1表示流量閥的輸出量， U表示控制器端的電壓輸出值， KV 表示流量閥的放大比例值， ωv表示流量閥的工作頻率， δv示流量閥阻尼比值。

　　3.2 接下來(lái)對(duì)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。壓樁機(jī)邊樁工作的過(guò)程中，系統(tǒng)的平臺(tái)的重心會(huì)有所偏移，根據(jù)力學(xué)原理的推論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)，1號(hào)和2號(hào)支腿架所受到的負(fù)載壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外兩條支腿架所受的負(fù)載壓力，在這種情況下，液壓系統(tǒng)的響應(yīng)的主要影響因素是支腿受到的來(lái)自于負(fù)載壓力的干擾，為了將這種干擾的影響力降到最低，可以借用PID進(jìn)行系統(tǒng)的控制和調(diào)整，只要將各個(gè)參數(shù)調(diào)整到合適的范圍，就可以使液壓系統(tǒng)的支腿液壓缸的輸出值在少于兩秒的時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差自然不復(fù)存在。不過(guò)由于在系統(tǒng)的響應(yīng)初期，1號(hào)支腿和2號(hào)支腿與另外兩條支腿的初調(diào)值具有很大的差距，如果在初始角比較大的情況下，支腿輸入的信號(hào)差距越大，那么初期響應(yīng)的超調(diào)值也越大，自動(dòng)平衡實(shí)現(xiàn)的難度會(huì)相應(yīng)的增加，PID的作用越加明顯和突出，在壓樁機(jī)邊樁實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)中具有重要的意義。

　　4. 如何用狀態(tài)觀測(cè)器補(bǔ)償干擾損失

　　關(guān)于干擾力對(duì)液壓調(diào)平系統(tǒng)的影響的補(bǔ)償，現(xiàn)在大多數(shù)施工采取的都是利用傳感器先將誤差值測(cè)量出來(lái)然后再通過(guò)液壓系統(tǒng)消除之，是一種前饋補(bǔ)償?shù)霓k法，可以壓樁機(jī)邊樁工作過(guò)程中，往往是比較隨地?cái)[放配重的位置以保證壓樁機(jī)的工作效率，這就使得誤差值得測(cè)量變得尤為復(fù)雜，可行性大大降低，為了解決這一問(wèn)題，筆者引入了狀態(tài)觀測(cè)法，將干擾的前饋補(bǔ)償調(diào)整為實(shí)時(shí)的。

　　4.1 設(shè)計(jì)思路。

　　從圖3的支腿液壓系統(tǒng)的框圖可以得到以下方程組：

　　=AX+BU+B'FL ' (3)

　　Y=CX

　　設(shè) FL是狀態(tài)變量，那么增廣系統(tǒng)為

　　FL=0 0B' AFLX+0BU (4)

　　Y=[0 C]FLX

　　圖2 壓樁機(jī)邊樁工作的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的仿真模型

　　4.2 補(bǔ)償方法。

　　從狀態(tài)觀測(cè)器中我們可以得到干擾力的值，若想消除干擾就必須滿足以下式，

　　L'・WE(S) WV(S) WC(S) - FL' WC(S) =0 (5)

　　其中 WV(S) 表示流量閥， WC(S) 表示流量閥控制液缸的模型， WV(S) 表示干擾傳遞的模型， WE(S) 表示前饋補(bǔ)償器。

　　首先確定兩條支腿的重量分別是30噸，另外兩條支腿的重量分別為95噸，通過(guò)對(duì)Matlab軟件上的仿真結(jié)果的分析，可以知道，利用狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償后，干擾力對(duì)壓樁機(jī)負(fù)載的干擾效果有了很大的改善，各條支腿的輸出值都趨于一致或者只是存在極小的誤差，由此可見(jiàn)，要想實(shí)現(xiàn)壓樁機(jī)邊樁工作的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的正常工作，轉(zhuǎn)臺(tái)觀測(cè)器的運(yùn)用具有跨時(shí)代的意義。

　　5. 對(duì)系統(tǒng)仿真的分析

　　(1)經(jīng)過(guò)了前文復(fù)雜的分析與討論，筆者最終確立了壓樁機(jī)邊樁工作的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的仿真模型，如下圖2所示。

　　(2)由于壓裝機(jī)機(jī)身重量的原因?qū)е缕渚哂泻軓?qiáng)的慣性，再加上液壓系統(tǒng)本身的條件限制，我們采取的液壓支腿控制原則是有升無(wú)降，與此同時(shí)，調(diào)平過(guò)程還要求兩條支腿一起運(yùn)作，因?yàn)檫@樣可以預(yù)防整個(gè)過(guò)程中虛腿的發(fā)生，使調(diào)平系統(tǒng)可以穩(wěn)定有序的工作，具體操作就是：將兩條最低的支腿調(diào)整在同一個(gè)水平高度，使其初始角度均為5度。

　　(3)為了方便在仿真過(guò)程中順利地實(shí)現(xiàn)壓樁機(jī)機(jī)身平臺(tái)與支腿之間的液壓平衡控制，就將機(jī)身平臺(tái)的各支腿的質(zhì)量和流量閥的控制系統(tǒng)的輸出速度做了一定的耦合。

　　(4)然后，再分別用PID控制技術(shù)和狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)干擾的補(bǔ)償方法進(jìn)行仿真分析，比較兩種方法的不同，通過(guò)仿真我們可以發(fā)現(xiàn)，如果采用PID進(jìn)行干擾力的消除工作，自動(dòng)調(diào)平的時(shí)候平臺(tái)會(huì)在兩個(gè)方向之間來(lái)回晃動(dòng)，穩(wěn)定性極差，自然也不能夠促進(jìn)調(diào)平工作的順利展開，而采用狀態(tài)觀測(cè)法則完全不同，兩條最低的支腿可以再30秒內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了壓樁機(jī)邊樁工作的自動(dòng)調(diào)平。

　　6. 結(jié)束語(yǔ)

　　本文以直推的液壓系統(tǒng)和壓樁機(jī)的機(jī)身平臺(tái)為切入點(diǎn)，完成了壓樁機(jī)邊樁工作過(guò)程中的自動(dòng)調(diào)平模型的建立。在對(duì)虛腿進(jìn)行分析的到時(shí)候，對(duì)憑條的負(fù)載條件予以了規(guī)定，關(guān)于如何消除支腿負(fù)載的干擾力，筆者認(rèn)為由于兩條支腿之間的負(fù)載差距太大，使最終的輸出值不一致，影響了自動(dòng)調(diào)平的效果，所以提出了以狀態(tài)觀測(cè)法為基礎(chǔ)的干擾補(bǔ)償理論并建立了模型，分別對(duì)支腿進(jìn)行補(bǔ)償，然后又通過(guò)Matlab仿真軟件，對(duì)所建立的模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，最終認(rèn)為，當(dāng)負(fù)載的干擾力比較大的情況下，在同一條件下，通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)法對(duì)支腿干擾力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ч�要好于PID控制法，不僅可以有效解決干擾帶來(lái)的機(jī)身平衡調(diào)解困難的問(wèn)題，更重要的是極大程度的提高了壓樁機(jī)的工作效率，降低了生產(chǎn)成本，由此可見(jiàn)，通過(guò)空間的并聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)壓樁機(jī)的變壓工作的調(diào)平進(jìn)行研究，進(jìn)而改進(jìn)建模的方式，以便于獲得更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，來(lái)完成對(duì)壓樁機(jī)的改善工作，并采用狀態(tài)觀測(cè)法為機(jī)身的自動(dòng)調(diào)平提供理論依據(jù)的是具有可行性的，值得在今后的施工過(guò)程中進(jìn)行推廣。

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