CN101886389B - 一种振动打桩机偏心力矩和打击频率的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动打桩机偏心力矩和打击频率的控制系统，两个马达分别连接并驱动两个主轴，对应的两个从动轴上分别设置两个相位传感器，两个马达分别连接两个液压泵，分别控制两个液压泵的两个伺服阀分别连接两个伺服放大器，两个伺服放大器分别连接控制装置，控制装置分别连接开关按钮组和数据采集卡，数据采集卡分别连接两个相位传感器；控制装置内部具有主速度控制器、从速度控制器、相位控制器、两个差分运算器和干扰观测器；采用内外双层嵌套方式控制，本发明在振动打桩机运转过程中通过程序控制的方式以设定值灵活、快速、稳定地分别无级连续调整打击频率和偏心力矩；结构简单，性能可靠，可远距离控制。

Description

一种振动打桩机偏心力矩和打击频率的控制系统

技术领域

本发明涉及建筑桥梁、房屋、港口、水利工程实施、沿海大陆架水域等施工所用的偏心块式振动打桩机，尤其涉及振动打桩机偏心力矩和打击频率的控制系统，对各种偏心块式振动打桩机的打桩频率和偏心力矩进行控制。

背景技术

振动打桩机的工作对象是情况十分复杂的土壤，现有的偏心块式振动打桩机的偏心力矩高达几百至上千牛米，偏心力矩固定，不能调节，起动时负荷很大，因此，很难适应变化着的工作条件。目前，为了能够实时调整偏心力矩和打击频率，采用在停机后进行机械或手工操作来调整偏心力矩，无法准确和稳定地调整。

现有的调频调矩技术一般采用机械结构实现，难以实时、精确跟踪和自动适应变化着的工作条件，将调频调矩技术用于偏心块式振动机械时，结构复杂且高频率对应着大的偏心力矩只能实现有级调节，并且频率和力矩不能分开调节。

发明内容

本发明提供了一种基于干扰观测器的振动打桩机偏心力矩和打击频率的控制系统，实现无级连续、稳定地分别调整打击频率和偏心力矩。

本发明采用的技术方案是：振动打桩机的打桩头内部包括主从动轴、偏心块和齿轮，两个马达分别连接并驱动两个主轴旋转，与两个主轴对应的两个从动轴上分别设置两个相位传感器，两个马达分别连接两个液压泵，分别控制两个液压泵的两个伺服阀分别连接两个伺服放大器，两个伺服放大器分别连接控制装置，控制装置分别连接开关按钮组和数据采集卡，数据采集卡分别连接两个相位传感器；所述控制装置内部具有主速度控制器、从速度控制器、相位控制器、两个差分运算器和干扰观测器；采用内外双层嵌套方式控制偏心力矩和打击频率，外层的主驱动控制以输入的速度预设值分别经串接的主速度控制器、一伺服放大器、一伺服阀、一马达、一相位传感器和一差分运算器，将一马达的转速相位转变为速度；外层的从驱动控制是将实测的一马达转速相位与预设的一马达和另一马达转速相位差的差作为执行元件的理想输入与实测的一马达转速相位比较，将比较的偏差值输入相位控制器后传递给从速度控制器控制串接的另一伺服放大器、另一伺服阀和另一马达，另一相位传感器反馈实测的另一马达转速相位给相位控制器以控制相位差；内层的另一差分运算器前侧连接另一相位传感器、后侧连接干扰观测器，干扰观测器的输出端连接低通滤波器，干扰观测器将另一马达的实测转速与参考转速作比较，获得的等价干扰负反馈给相位控制器输出端。

本发明是一种基于干扰观测器的双层嵌套的控制系统，能以设定值灵活、及时、快速、稳定地调整打击频率和偏心力矩。在振动打桩机运转过程中通过程序控制的方式分别实现无级连续调整频率和偏心力矩的大小，保证了振动打桩机的品质。结构简单，性能可靠，可以远距离控制。

附图说明

图1为本发明的结构连接图；

图2为图1的控制原理图；

图3为图2中干扰观测器34的构造图。

图中：1.控制装置；2.伺服放大器；3.伺服放大器；4.液压泵；5.伺服阀；6.马达；7.主轴；8.齿轮；9.偏心块；10.从动轴；11.齿轮；12.偏心块；13.相位传感器；14.相位传感器；15.偏心块；16.从动轴；17.齿轮；18.偏心块；19.主轴；20.齿轮；21.马达；22.伺服阀；23.散热器；24.泵；25.开关按钮组；26.数据采集卡；27.速度预设值；28.相位差；29.主速度控制器；30.相位控制器；31.从速度控制器；32.差分运算器；33.差分运算器；34.干扰观测器。

具体实施方式

参见图1，本发明由电控、液压和机械三部分组成，电控部分由控制装置1、两个伺服放大板2和3、两个相位传感器13和14、数据采集卡26和开关按钮组25组成，其中，控制装置1分别连接两个伺服放大器2和3、开关按钮组25和数据采集卡26，两个相位传感器13和14分别连接数据采集卡26。液压部分由两个伺服阀5和22、两个液压泵4和24、两个马达6和21和散热器23组成；两个液压泵4和24分别连接马达6和21；两个伺服放大器2和3分别接伺服阀5和22，控制两个液压泵4和24，从而控制两个马达6和21。机械部分为振动打桩机的打桩头内部结构：由两个相互对应的主、从动轴、偏心块和齿轮等组成，其中，两个马达6和21分别连接并驱动主轴7和19的旋转，安装在一主轴7上的齿轮8与安装在一从动轴10上的齿轮11啮合，带动一从动轴10作反向同步运动；同样，安装在另一主轴19上的齿轮20与相应安装在另一从动轴16上的齿轮17啮合，带动另一从动轴16作反向同步运动。在一主轴7上具有一组偏心块9，在一从动轴10上具有另一组偏心块12，偏心块9和12的位置相互对应；同理，在另一主轴19和另一从动轴16上也各设置了位置相互对应的一组偏心块18和15。在一从动轴10和另一从动轴16上还分别安装相位传感器13和14，一从动轴10和另一从动轴16上的各个偏心块运动时的实时位置分别通过相位传感器13和14检测。

如图2，本发明采用基于干扰观测器34的内外双层嵌套方式控制偏心力矩和频率。对偏心力矩的控制采用内外层速度控制。外层速度控制采用主从驱动控制方式控制相位差。其中，主驱动控制是输入速度预设值27，输入的速度预设值27分别经相串接的主速度控制器29、一伺服放大器2、一伺服阀5、一马达6、一相位传感器13和一差分运算器32转变为速度；主速度控制器29和一差分运算器32都设置在控制装置1中，一伺服阀5控制一马达6的运动，一相位传感器13实测出一马达6的转速相位，一差分运算器32将一马达6的转速相位经过数学处理转变为速度，这样，构成主驱动速度闭环控制回路。从驱动控制是由一相位传感器13实际测得的一马达6的相位与用户预设的一马达6和另一马达21的相位差28的差作为执行元件的理想输入，再与另一相位传感器14实测的另一马达21的转速相位比较，并将偏差值输入控制装置1中的相位控制器30，经相位控制器30的作用再传递给控制装置1中的从速度控制器31，从速度控制器31控制另一伺服放大器3，通过另一伺服阀22控制另一马达21，通过另一相位传感器14反馈实测的另一马达21的转速相位后，调节一马达6和另一马达21的相位差28，保证用户设定的偏心力矩，同时另一相位传感器14实测得的另一马达21的相位实时反馈给相位控制器30构成从驱动速度闭环控制。

内层速度控制中，另一差分运算器33前侧接另一相位传感器14，在另一差分运算器33的后侧采用了干扰观测器34，另一差分运算器33和干扰观测器34均安装在控制装置1中。另一相位传感器14测得的另一马达21的转速相位经过另一差分运算器33的数学处理转变为速度ω，如图3所示，速度ω作为干扰观测器34的输入，干扰观测器34将速度ω和另一马达21的参考速度比较，获得控制系统所受到的等价干扰

并将等价干扰

负反馈给相位控制器30输出端，以消除等价干扰T_L对系统相位跟踪精度的影响。干扰观测器34将包括诸如控制系统被控对象名义模型参数偏离实际被控制对象模型

参数引起的模型误差、被控对象模型在动力学建模中忽略的一些结构性的非线性因素、打桩过程中土质的变化、系统受到的突变强电磁干扰、能源系统的波动等外部干扰因素作为调频调矩控制系统所受到的等价干扰。为了减少速度测量噪声等信号对系统的影响，在干扰观测器34的输出端值设置了低通滤波器Q(s)。在相位从动控制中，如果干扰观测器34中控制系统被控对象的名义模型

的参数与实际被控制对象模型

参数完全一致，那么干扰观测器34的输出将包含上述等价干扰中的除了名义模型参数偏离实际被控制对象模型参数引起的模型误差外的所有项，即使

参数与实际被控制对象模型

参数不完全一致，在一定的参数误差范围内，通过干扰观测器34仍然能够观测全部的等价干扰

使得对速度的控制更具有鲁棒性。

本发明频率的控制采用内层控制，内层对频率的控制是基于外层对速度控制的基础上实现的，对打桩机的从动部分的频率进行控制。从动部分对速度的控制是由另一相位传感器14测得的另一马达21的相位经过另一差分运算器33的数学处理得到另一马达21的速度反馈给系统构成闭环控制，通过从速度控制器31的微调将控制信号传递给依次串接的另一伺服放大器3，另一伺服阀22，从而控制另一马达21的速度。这样，带干扰观测器34的从速度控制器31控制另一马达21的速度，提高系统的抗干扰能力，对频率的控制更加稳定，更具鲁棒性。

本发明工作时：首先闭合开关按钮组25启动两液压泵4、24，并升压至正常工作所需压力。根据图2，依据设定的速度预设值27，主速度控制器29发送控制信号至伺服放大器2，将放大的控制信号传递给伺服阀5，控制伺服阀5输出流量的大小，使得马达6能按照预定的速度运转，相位传感器13测得的马达6的相位经差分运算器32数学处理得到马达6的速度，并反馈给主速度控制器29形成闭环控制。同时以相位传感器13检测出来的相位减去设定的两主轴7、19的相位差28作为偏心块15的理想相位输入，相位控制器30根据这个理想的相位输入发送控制信号至另一伺服放大器3，将放大的控制信号传递给另一伺服阀22控制另一马达21与一马达6的相位差。

同时，由另一相位传感器14测得的另一马达21的相位经过另一差分运算器33的数学处理得到另一马达21的速度反馈给系统构成另一马达21的速度闭环控制。干扰观测器34将实测得的另一马达21的速度和另一马达21的参考速度比较，获得控制系统所受到的等价干扰

并将等价干扰

负反馈到参考速度端，以消除等价干扰T_L对系统相位跟踪精度的影响。干扰观测器34将包括诸如控制系统被控对象名义模型参数偏离实际被控制对象模型参数引起的模型误差、被控对象模型在动力学建模中忽略的一些结构性的非线性因素、打桩过程中土质的变化、系统受到的突变强电磁干扰、能源系统的波动等外部干扰因素作为调频调矩控制系统所受到的等价干扰。

上述程序控制的方式保证了振动打桩机两个主轴7和19能以设定的相位差稳定运转。两个主轴7和19及安装其上的偏心块相位差为0°时偏心力矩最大，相位差为180°时偏心力矩为0，因此，只要在程序中改变设定的速度预设值27和相位差28就能方便地调节频率和偏心力矩。

Claims (2)

1.一种振动打桩机偏心力矩和打击频率的控制系统，振动打桩机的打桩头内部包括主动轴、从动轴、偏心块和齿轮，两个马达(6、21)分别连接并驱动两个主轴(7、19)，与两个主轴(7、19)对应的两个从动轴(10、16)上分别设置两个相位传感器(13、14)，其特征是：两个马达(6、21)分别连接两个液压泵(4、24)，分别控制两个液压泵(4、24)的两个伺服阀(5、22)各连接两个伺服放大器(2、3)，两个伺服放大器(2、3)分别连接控制装置(1)，控制装置(1)分别连接开关按钮组(25)和数据采集卡(26)，数据采集卡(26)分别连接两个相位传感器(13、14)；所述控制装置(1)内部具有主速度控制器(29)、从速度控制器(31)、相位控制器(30)、两个差分运算器(32、33)和干扰观测器(34)；采用内外双层嵌套方式控制偏心力矩和打击频率，外层的主驱动控制以输入的速度预设值(27)分别经串接的主速度控制器(29)、一伺服放大器(2)、一伺服阀(5)、一马达(6)、一相位传感器(13)和一差分运算器(32)，将所述一马达(6)的转速相位转变为速度；外层的从驱动控制将实测的所述一马达(6)转速相位与预设的所述一马达(6)和另一马达(21)转速相位差(28)的差作为执行元件的理想输入与实测的所述一马达(6)转速相位比较，将比较的偏差值输入相位控制器(30)后传递给从速度控制器(31)控制串接的另一伺服放大器(3)、另一伺服阀(22)和所述另一马达(21)，另一相位传感器(14)反馈实测的所述另一马达(21)转速相位给相位控制器(30)以控制相位差(28)；内层的另一差分运算器(33)前侧连接所述另一相位传感器(14)且后侧连接干扰观测器(34)，干扰观测器(34)的输出端连接低通滤波器，干扰观测器(34)将所述另一马达(21)的实测转速与参考转速作比较，获得的等价干扰负反馈给相位控制器(30)输出端。

2.根据权利要求1所述的一种振动打桩机偏心力矩和打击频率的控制系统，其特征是：所述一主轴(7)上的齿轮(8)与一从动轴(10)上的齿轮(11)啮合带动所述一从动轴(10)作反向同步运动；另一主轴(19)上的齿轮(20)与另一从动轴(16)上的齿轮(17)啮合带动所述另一从动轴(16)作反向同步运动；两个主轴(7、19)上分别具有的一组偏心块(9、18)与两个从动轴(10、16)上分别具有的一组偏心块(12、15)位置相对应。

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