CN104328783A - 一种针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统，属于建筑工程领域。本发明由配电柜(1)、控制柜(2)、空压机(3)、卷扬机(4)、刹车气缸(5)、刹车操纵杆(6)、离合气缸(7)、离合操纵杆(8)、气管(9)、高度传感器(10)、卡锤传感器(11)、桩架(12)、桩锤(13)组成，其特征在于，还包括快速傅里叶FFT变换系统、余绳最优控制算法系统和余绳专家控制系统。本发明不仅能够灵活应对各种复杂地质情况，而且提高系统可靠性和稳定性的同时，还提高了起锤信号的采集速率，节省了微控制器的运算时间。

Description

一种针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统

技术领域

本发明涉及建筑工程领域，特别涉及一种针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统。

背景技术

传统冲孔打桩机由卷扬机、刹车操纵、离合操纵杆、桩架、桩锤及附属设备等组成，一般都需手动操作。施工人员在工作过程中通过对离合和刹车操作杆频繁重复操作，来控制卷扬机实现对桩锤的提升与降落。利用桩锤自由落体所产生的冲击动力对目标地基进行周期性的冲击破碎，直至形成具有一定深度和直径的桩孔，在冲孔过程中，及时用抽渣筒对孔内的碎屑进行清理以便加快冲孔的速度，冲孔完成后，再进行钢筋笼安装和混凝土灌注。

同时在传统的气动冲孔打桩机打桩环节中，当桩锤利用自身重力砸向桩底时，由于桩锤的惯性，会带动绕线器加速转动，如果不能及时对绕线器进行点刹，钢丝绳就会因为惯性而无休止下落，再加上之后的离合时间，就会造成余绳长度过长。余绳长度过长，不仅降低了系统打桩的效率，而且由于桩锤长期沉积在桩底，容易造成吸锤、卡锤等故障，存在很大的安全隐患。然而如果点刹太早，会导致余绳太紧，又会造成桩锤还没到达桩底或者刚好到达桩底，不仅会使打桩失效，而且还会因为突然的刹车使得钢丝绳绷断，同样存在安全隐患。

由此可见，传统冲孔打桩机对施工人员有极高的要求，劳动强度大，安全系数低，施工质量难以保证。然而在不同地质环境下的施工要求和难度也是不同的，如在斜岩等复杂地形条件下对施工人员的要求将会更高，一般的冲孔桩经常出现偏孔，在该地质上的破岩能力大大降低，从而使得打桩效率大幅度降低。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统。

本发明实现上述目的所采取的具体技术方案为：

一种针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统，由配电柜、控制柜、空压机、卷扬机、刹车气缸、刹车操纵杆、离合气缸、离合操纵杆、气管、高度传感器、卡锤传感器、桩架、桩锤组成，还包括：快速傅里叶FFT变换系统、余绳最优控制算法系统和余绳专家控制系统。

所述配电柜和控制柜、空压机、卷扬机相连接，所述空压机、控制柜、刹车气缸、刹车操纵杆、离合气缸、离合操纵杆通过气管相连，所述控制柜与高度传感器、卡锤传感器通过电路连接。

所述控制柜由电路部分和气路部分组成，电路部分由空气开关、主控板、急停开关、接线排、电磁阀与高度传感器、卡锤传感器通过电路连接；气路部分由刹车气缸、刹车操纵杆、离合气缸、离合操纵杆和气管组成。

所述主控板由微控制器、存储器、JATG、液晶显示、键盘、电机过流保护电路、电流互感器控制电路和刹车/离合控制电路组成。

所述快速傅里叶FFT变换系统是将FFT变换算法通过C语言的方式进行转换，编写到自动冲孔打桩机的软件程序中。所述FFT变换是一种信号处理方法。首先在采集的起锤信号波形中取长度为N的时域序列，为起锤信号的频域序列，取旋转因子为＝，将时域序列按n的奇偶性分为两组，即n＝2r及n＝2r+1两组，可得以下公式，如1所示：

    (1)

通过上式可知偶数点样本计算，奇数点样本计算。由基2时间抽取时间算法将时域周期进行第一次二分，可以得到，故得公式2：

                    (2)

通过以上公式可以发现，将时域不断进行分解，按时间抽取算法可知在尽量小的序列上进行离散傅里叶变换，得到频域序列。本发明中起锤信号的检测是通过电流互感器实现的，电流互感器安装在三相异步电机的任意相上，通过一次侧和二次侧的电流变比来将大功率的交流电机电流转化为电压，从而实现电机电流检测。在处理检测起锤信号的过程中，出现了电流信号波动较大，输出波形毛刺较明显，很大程度上影响了起锤信号的检测精度，从而使系统的稳定性和可靠性受到了影响。通过对信号进行时域分析，发现并不能直观的表现出信号的异变规律，说明起锤信号是离散信号，需要进行频域分析。起锤信号经过FFT处理后，降低了毛刺，提高了系统的可靠性和稳定性。

所述余绳最优控制算法系统是一种时变系统，采用模糊自适应控制算法对余绳进行控制，可以在不同的冲孔打桩环境下，随时调整工作状态，来提高系统的工作效率。

所述余绳专家控制系统由余绳知识库、知识获取、知识推理和知识表达规则集四个模块组成。余绳知识库里涵盖了所有地质环境信息、不同地质环境下余绳的长度信息和泥浆浓度信息，系统通过反馈信息获得当前地质环境的知识，依据余绳知识库中的知识进行知识推理，然后在余绳控制规则表中找到相应的余绳长短的控制，最后通过知识表达规则集输出到执行机构上，同时又可以向用户进行解释推理的依据，并且将当前事实记录添加到余绳控制规则表中。通过人机接口主要用来完成对余绳知识库的维护和更新。本发明的余绳控制规则完全参考《冲孔灌注桩施工工艺》的要求进行制定，按照该工艺要求，余绳控制的标准如表1所示。

表1不同地质类别的余绳控制规则表

有益效果：本发明不仅能够灵活应对各种复杂地质情况，而且提高系统可靠性和稳定性的同时，还提高了起锤信号的采集速率，节省了微控制器的运算时间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种控制柜示意图；

图3是本发明实施例提供的一种余绳最优控制算法结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的阐明，以便更好的理解本发明。

实施例

一种针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统，由配电柜1、控制柜2、空压机3、卷扬机4、刹车气缸5、刹车操纵杆6、离合气缸7、离合操纵杆8、气管9、高度传感器10、卡锤传感器11、桩架12、桩锤13组成，其特征在于，所述针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统还包括：快速傅里叶FFT变换系统、余绳最优控制算法系统和余绳专家控制系统；

所述配电柜1和控制柜2、空压机3、卷扬机4相连接，提供整个系统的电源；所述空压机3、控制柜2、刹车气缸5、刹车操纵杆6、离合气缸7、离合操纵杆8通过气管9相连，构成控制系统的气动部分；所述控制柜2与高度传感器10、卡锤传感器11通过电路连接，构成控制系统的电路部分；所述配电柜1、控制柜2、卷扬机4、桩架12和桩锤13构成系统的主要功能部分；所述控制柜2由电路部分和气路部分组成，电路部分由空气开关14、主控板15、急停开关16、接线排17、电磁阀18与高度传感器10、卡锤传感器11通过电路连接；气路部分由刹车气缸5、刹车操纵杆6、离合气缸7、离合操纵杆8和气管9组成；所述主控板15由微控制器、存储器、JATG、液晶显示22、键盘23、电机过流保护电路、电流互感器控制电路和刹车/离合控制电路组成；所述的微控制器的型号为MC9S12XS128。

本发明的实施与体现主要通过软件的编写来实现的，把整个专家系统的结构和各个知识库的内容用C语言的过程编程和寄存器的形式表现出来。稳定实施的前提：首先根据冲孔自动打桩机系统、及其控制方法和所处的外在环境建立出一个合适的余绳专家系统；再根据其知识库所需的内存空间大小分配足够大存储空间，由于知识库的内容需要根据遇到的各种新的地质环境，对其内容进行更新；最后，根据以往的经验对知识的推理和运算方法进行总结和归纳，建立通用的数学模型，其可以表示为：U＝(E，K，I)。其中：E＝{e₁，e₂，...，e_m}专家控制器的输入集；K＝{k₁，k₂，...，k_n}专家知识集；I＝{i₁，i₂，...，i_p}知识推理输出集；U＝{u₁，u₂，...，u_q}专家控制器的输出集。

具体实施过程如下：当打桩机提升桩锤13的一瞬间，通过电流互感器控制电路采集到起锤信号，把数据传给微控制器，微控制器按照FFT变换算法对起锤信号进行运算处理，使信号更加清晰稳定，对打桩机稳定精准运行提供了可靠的保证。同时，通过高度传感器10采集到桩锤13的提升高度和余绳的长度，微控制器根据余绳专家控制系统对这些数据进行对比和推理，以提高自动冲孔打桩机的适应性。通过对比和推理后，当采集到的数据与知识库中已知信息刚好吻合，此时微控制器将根据知识库中的信息发出相应的动作指令；否则，打桩机将停止工作，以待工作人员对现场情况观察后做进一步调整。例如，当打桩施工过程中遇到斜岩时，高度传感器10采集相应的现场信息，将此信息与余绳控制规则进行对比，找到吻合信息后，微控制器对参数进行调整；再根据起锤信号，精确控制桩锤13，使桩锤13立即停止，等待工作人员添加石子和泥土对桩柱进行填平处理，小冲程反复冲击，调整余绳长度，避免偏孔的产生，从而保证了施工质量。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统，由配电柜(1)、控制柜(2)、空压机(3)、卷扬机(4)、刹车气缸(5)、刹车操纵杆(6)、离合气缸(7)、离合操纵杆(8)、气管(9)、高度传感器(10)、卡锤传感器(11)、桩架(12)、桩锤(13)组成，其特征在于，所述针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统还包括：快速傅里叶FFT变换系统、余绳最优控制算法系统和余绳专家控制系统；

所述配电柜(1)和控制柜(2)、空压机(3)、卷扬机(4)相连接，所述空压机(3)、控制柜(2)、刹车气缸(5)、刹车操纵杆(6)、离合气缸(7)、离合操纵杆(8)通过气管(9)相连，所述控制柜(2)与高度传感器(10)、卡锤传感器(11)通过电路连接；

所述控制柜(2)由电路部分和气路部分组成，电路部分由空气开关(14)、主控板(15)、急停开关(16)、接线排(17)、电磁阀(18)与高度传感器(10)、卡锤传感器(11)通过电路连接；气路部分由刹车气缸(5)、刹车操纵杆(6)、离合气缸(7)、离合操纵杆(8)和气管(9)组成；

所述主控板(15)由微控制器、存储器、JATG、液晶显示(22)、键盘(23)、电机过流保护电路、电流互感器控制电路和刹车/离合控制电路组成。

2.根据权利要求1所述的针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统，其特征在于，所述快速傅里叶FFT变换系统是将FFT变换算法通过C语言的方式进行转换，编写到自动冲孔打桩机的软件程序中。

3.根据权利要求1所述的针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统，其特征在于，所述余绳最优控制算法系统是一种时变系统，采用模糊自适应控制算法对余绳进行控制，可以在不同的冲孔打桩环境下，随时调整工作状态，来提高系统的工作效率。

4.根据权利要求1所述的针对复杂地形的自动冲孔打桩机控制系统，其特征在于，所述余绳专家控制系统由余绳知识库、知识获取、知识推理和知识表达规则集四个模块组成。