CN106285711A - 一种基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统及其方法 - Google Patents

一种基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统及其方法 Download PDF

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翟华
万文松
唐素文
唐飞飞
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统及其方法。所述方法用于调整顶管施工中的顶管机的机头姿态，包括：实时采集顶管机的机头在xyz三维坐标系下的轴线位置Mx、My、Mz；把Mx、My、Mz作为反馈量分别与控制目标线性导入量Ix、Iy、Iz进行比较，得出机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)；设置预先准备好的模糊控制规则表，根据机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)，通过所述模糊控制规则表查到纠偏油缸伸缩量的模糊值K；根据模糊值K控制相应纠偏油缸改变顶管机的机头姿态。本发明能完成顶管机轴线自动纠偏施工，提高顶管质量。

Description

一种基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种顶管纠偏控制系统及其顶管纠偏控制方法，尤其涉及一种基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统及其顶管纠偏控制方法。
背景技术
随着我国城镇化进程加速发展，城市地下空间开发需求不断提升。最初主要用于下水道施工的非开挖顶管施工，近来已广泛运用到自来水管、煤气管、动力电缆、通信电缆和发电厂循环水冷却系统等许多管道的施工中。但是由于土质不均匀、地面超载变化、施工布置不合理、操作不当、顶管机制造误差等原因，顶管机很容易发生侧向偏转的现象。已有顶管掘进机通过控制台面板进行手动操作的控制系统，通过检测系统显示位置差异，完全依靠工作人员根据位置变化对手动调整液压系统，纠偏效果差，容易造成蛇形偏差。
目前国内对于顶管施工的研究不充分，对顶管开挖面稳定性的研究较少，针对砂性土、黏性土的研究更少，管道与土体间的相互作用缺乏研究，对管道在顶进过程中受到的纵向、环向应力、管土接触压力无法实现在线检测，变化规律不易掌握。
顶管施工中管道与土体之间的摩擦力是影响管道轴线变化的重要因素，不均匀的摩擦力，不仅导致轴线变化，还会影响顶管机施工中的动态平衡。在土压平衡法施工中，为了保证顶进面土压力与掘进机机头保持动态平衡，需要在施工中注意地下水压力和土压力保持平衡状态。同时还需保证排土量和掘进机推进所占土的体积保持平衡。通过在顶管施工中的注浆工艺可以减小摩擦力，同时注浆压力有助于使隧洞土层稳定，减少顶管施工引起的土体变形。管道轴线偏斜将导致管道周围土压力分布不均匀。
铺设管道长度较长时，顶管施工中管道自身存在失稳现象。主要来源于管道的制造误差，管道间的连接处产生应力集中，导致管道失稳。封填材料受压时不均匀压缩导致顶进力不均匀。管道顶进是一个波状前进过程，管道受力不均匀，会产生应力集中，作用力偏离轴心，产生偏转力矩，接头处产生偏转角度。如图1所示，管管之间的顶力成对出现，管件波形线的半波长为L。
发明内容
为避免顶管施工中轴线过大偏离，防止由于偏离引起的管土摩擦力增大，本发明提供一种基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统及其顶管纠偏控制方法，通过实时检测掘进机、管道的方位角，控制掘进机方向，保证按图纸要求进行顶管施工。
本发明的解决方案是：一种基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统，其用于调整顶管施工中的顶管机的机头姿态；其包括PLC控制器、三轴光纤陀螺仪、四组纠偏油缸；所述三轴光纤陀螺仪为检测单元，实时采集顶管机的机头在xyz三维坐标系下的轴线位置Mx、My、Mz；所述PLC控制器为控制核心，所述PLC控制器包括比较单元、模糊控制单元和PLC可编程控制单元；所述比较单元把Mx、My、Mz作为反馈量分别与控制目标线性导入量Ix、Iy、Iz进行比较，得出机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)；所述模糊控制单元设置有预先准备好的模糊控制规则表，根据机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)，通过所述模糊控制规则表查到纠偏油缸伸缩量的模糊值K；所述PLC可编程控制单元根据模糊值K控制相应纠偏油缸改变顶管机的机头姿态。
作为上述方案的进一步改进，所述顶管纠偏控制系统还包括触摸屏，所述PLC控制器控制所述触摸屏显示机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)。
进一步地，所述顶管纠偏控制系统还包括若干压力传感器，所述压力传感器安装在所述纠偏油缸的进油管道上。
再进一步地，所述PLC控制器控制所述压力传感器检测到的压力数据显示在所述触摸屏上。
作为上述方案的进一步改进，在所述PLC控制器的纠偏控制中，当管道轴线偏差大于10％时，开始进行纠偏作业。
作为上述方案的进一步改进，所述纠偏油缸为液压纠偏油缸。
进一步地，所述液压纠偏油缸通过方向阀的换向和纠偏油缸的伸缩改变机头姿态。
作为上述方案的进一步改进，四组纠偏油缸设置于顶管机内呈正交的四个方位上。
本发明还提供上述任意基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统的顶管纠偏控制方法，其用于调整顶管施工中的顶管机的机头姿态；其包括以下步骤：
实时采集顶管机的机头在xyz三维坐标系下的轴线位置Mx、My、Mz；
把Mx、My作为反馈量分别与控制目标线性导入量Ix、Iy、Iz进行比较，得出机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)；
设置预先准备好的模糊控制规则表，根据机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)，通过所述模糊控制规则表查到纠偏油缸伸缩量的模糊值K；
根据模糊值K控制相应纠偏油缸改变顶管机的机头姿态。
作为上述方案的进一步改进，所述顶管机的机头每次纠偏的角度不大于1°。
本发明设计了一套以PLC控制器为核心，以三轴光纤陀螺仪为检测单元的顶管纠偏控制系统，可以同时实现实时采集顶管机机头的三轴角度、实时计算轴线偏差、实时控制纠偏油缸运动、在线显示轴线偏差角度、在线显示纠偏油缸压力、在线调整油缸压力等功能，能完成顶管机轴线自动纠偏施工，提高顶管质量。
附图说明
图1是管道轴线弯曲情况。
图2是本发明基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统的结构示意图。
图3是图2中基于光纤陀螺的顶管纠偏控制方法的闭环控制示意图。
图4是图2中三轴光纤陀螺仪的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图2，本发明基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统用于调整顶管施工中的顶管机的机头姿态。顶管纠偏控制系统包括PLC控制器1、三轴光纤陀螺仪2、四组纠偏油缸3、触摸屏4、若干压力传感器5。
三轴光纤陀螺仪2为检测单元，实时采集顶管机的机头在xyz三维坐标系下的轴线位置Mx、My、Mz。三轴光纤陀螺仪2测得机头的三个方向角度信息，并由此得到机头在xyz三维坐标系下的轴线位置Mx、My、Mz。PLC控制器1为控制核心，请结合图3，PLC控制器1包括比较单元11、模糊控制单元12和PLC可编程控制单元13。
比较单元11把Mx、My、Mz作为反馈量分别与控制目标线性导入量Ix、Iy、Iz进行比较，得出机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)。模糊控制单元12设置有预先准备好的模糊控制规则表，根据机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)，通过所述模糊控制规则表查到纠偏油缸3伸缩量的模糊值K。PLC可编程控制单元13根据模糊值K控制相应纠偏油缸改变顶管机的机头姿态。
当然也可以让PLC控制器1将三轴光纤陀螺仪2测得机头的三个方向角度信息与设计轴线角度信息进行对比和运算，这样PLC控制器1将读取到的角度信息与设计轴线角度信息进行对比和运算，通过模糊控制技术得到纠偏油缸3伸缩量的模糊值，PLC控制器1根据模糊值控制相应方向阀换向，以及对应纠偏油缸3伸缩。三轴光纤陀螺仪2再对纠偏后的角度信息进行测量，如此循环形成闭环系统，最终实现顶管机的自动纠偏。
三轴光纤陀螺仪2是一种基于Sagnac原理的惯性角速率传感器。具有量程宽、精度高、灵敏度高、模拟和数字输出、坚固可靠、抗干扰等优点，分为干涉式光纤陀螺仪、谐振式光纤陀螺仪和布里渊型光纤陀螺仪。其中干涉型光纤陀螺仪研究开发最早，技术最为成熟，正处于推进批量生产和商品化阶段。
请结合图4，三轴光纤陀螺仪2主要包括SLD光源、2×2耦合器、集成光学器件(Y波导)、探测器组件(PIN—FET)、光纤环、光源控制电路和信号处理电路等。按照功能模块可以划分为光源模块、光路模块和信号处理模块。三轴光纤陀螺仪采集的数据由RS232/RS422输出，输出为8位16进制数，接入电脑显示为角速度信息。精度：3°/h，数据更新频率600Hz。传递数据仅用普通电缆，无需屏蔽。
从SLD光源发出的一束光经过耦合器1X3被分为三束，分别为三个方向的测量提供光源。三束光分别进入三个耦合器2x2之后，又被分成两束，分别沿顺时针和逆时针两个方向进入光纤环。两束光由光纤环进入PIN-FET，产生干涉条纹光信号。干涉条纹光信号通过信号处理电路经过一系列的信号放大、转换、处理及滤波后转换为计算机可读取的模拟或数字形式的角速率信息。
将三轴光纤陀螺仪应用到顶管施工中可以实时检测机头在X、Y、Z三个方向的角速度，角度变化需要根据时间累计变化进行积分计算。
根据顶管施工要求，确定管道轴线方位，PLC控制器1实时控制顶管机千斤顶组，纠偏轴线，保证管道轴线位置精度。三轴光纤陀螺仪2可以实时采集机头轴线的X、Y、Z三个方向的角速度，经过计算提供给PLC控制器1，实现管道轴线纠偏闭环控制。
根据顶管机纠偏控制系统机械结构，该系统可以实时采集管线的角度变化、控制四组纠偏油缸动作，实现顶管的轴线的变化，具体可以实现的功能如下。
(1)实时采集三轴光纤陀螺角度。
(2)实时计算轴线偏差。
请再次参阅图3，由上述三轴光纤陀螺仪2自动测量顶管机空间姿态位置值Mx、My、Mz，把Mx、My、Mz作为反馈量与控制目标线性导入量Ix、Iy、Iz在比较单元11内进行比较，可得出轴线偏差，为纠偏油缸的运动提供依据。
(3)实时控制纠偏油缸运动。
把比较差值作为模糊控制单元12的输入(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)。通过模糊控制规则表可以查到纠偏油缸伸缩量的模糊值，把该模糊值输入PLC可编程控制单元13，控制相应方向阀换向和对应纠偏油缸伸缩。
(4)在线显示轴线偏差角度。反馈量与导入量比较后的结果显示到触摸屏上。
(5)在线显示纠偏油缸压力。在油缸进油管道上安装压力传感器，将测量的数据显示到触摸屏上。
(6)在线调整油缸压力。
综上所述，本发明的基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统的顶管纠偏控制方法，包括以下步骤：
实时采集顶管机的机头在xyz三维坐标系下的轴线位置Mx、My、Mz；
把Mx、My、Mz作为反馈量分别与控制目标线性导入量Ix、Iy、Iz进行比较，得出机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)；
设置预先准备好的模糊控制规则表，根据机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)，通过所述模糊控制规则表查到纠偏油缸伸缩量的模糊值K；
根据模糊值K控制相应纠偏油缸改变顶管机的机头姿态。
纠偏控制中，当光纤陀螺检测到顶管机轴线与设计轴线偏离值大于10％时，开始进行纠偏作业。当长行程顶管施工中，偏离值则需要更小，减少顶管施工摩擦力。
顶管施工中使用液压纠偏油缸作为纠偏装置。四组纠偏油缸呈正交方位设置于顶管机内四个方位，每组纠偏油缸可由具有多个油缸组成。纠偏油缸一般带有液压锁，具有吨位大，行程短特点。
纠偏控制时要随时注意顶管机姿态，一般采用小角度纠偏，每次纠偏角度不大于1°，纠偏过程应平稳实施，避免快速纠偏产生的土应力的变化，引起顶管施工困难，地面沉陷或隆起现象。
偏离值较大时，也应采用小角度缓慢纠偏，按照一定的轨迹和曲率半径，依次逐步控制纠偏油缸，不断调整到设计轴线。
PLC控制器中可以采用模糊控制算法实施纠偏计算，逐步控制纠偏油缸运动次序，缓慢纠偏，避免矫枉过正现象。
纠偏中还需要实时监测周围土水压力和注浆压力，也可以通过调节注浆压力等方式协同控制管道轴线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统，其用于调整顶管施工中的顶管机的机头姿态；其特征在于：其包括PLC控制器、三轴光纤陀螺仪、四组纠偏油缸；所述三轴光纤陀螺仪为检测单元，实时采集顶管机的机头在xyz三维坐标系下的轴线位置Mx、My、Mz；所述PLC控制器为控制核心，所述PLC控制器包括比较单元、模糊控制单元和PLC可编程控制单元；所述比较单元把Mx、My、Mz作为反馈量分别与控制目标线性导入量Ix、Iy、Iz进行比较，得出机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)；所述模糊控制单元设置有预先准备好的模糊控制规则表，根据机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)，通过所述模糊控制规则表查到四组纠偏油缸伸缩量的模糊值K；所述PLC可编程控制单元根据模糊值K控制相应纠偏油缸改变顶管机的机头姿态。
2.如权利要求1所述的基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统，其特征在于：所述顶管纠偏控制系统还包括触摸屏，所述PLC控制器控制所述触摸屏显示三组机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)。
3.如权利要求2所述的基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统，其特征在于：所述顶管纠偏控制系统还包括若干压力传感器，所述压力传感器安装在所述纠偏油缸的进油管道上。
4.如权利要求3所述的基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统，其特征在于：所述PLC控制器控制所述压力传感器检测到的压力数据显示在所述触摸屏上。
5.如权利要求1所述的基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统，其特征在于：在所述PLC控制器的纠偏控制中，当管道轴线偏差大于10％时，开始进行纠偏作业。
6.如权利要求1所述的基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统，其特征在于：所述纠偏油缸为液压纠偏油缸。
7.如权利要求6所述的基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统，其特征在于：所述液压纠偏油缸通过方向阀的换向和纠偏油缸的伸缩改变机头姿态。
8.如权利要求1所述的基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统，其特征在于：四组纠偏油缸设置于顶管机内呈正交的四个方位上。
9.一种如权利要求1至8所示的基于光纤陀螺的顶管纠偏控制系统的顶管纠偏控制方法，其用于调整顶管施工中的顶管机的机头姿态；其特征在于：其包括以下步骤：
实时采集顶管机的机头在xyz三维坐标系下的轴线位置Mx、My、Mz；
把Mx、My、Mz作为反馈量分别与控制目标线性导入量Ix、Iy、Iz进行比较，得出机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)；
设置预先准备好的模糊控制规则表，根据机头轴线偏差(Ex、dEx)、(Ey、dEy)和(Ez、dEz)，通过所述模糊控制规则表查到四组纠偏油缸伸缩量的模糊值K；
根据模糊值K控制相应纠偏油缸改变顶管机的机头姿态。
10.如权利要求9所述的基于光纤陀螺的顶管纠偏控制方法，其特征在于：所述顶管机的机头每次纠偏的角度不大于1°。
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