CN113250261A - 一种双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轮铣槽机角度纠偏控制系统，包括倾角检测装置、主控制器和纠偏装置，所述主控制器分别与所述倾角检测系统和纠偏装置电连接；所述倾角检测装置包括安设在铣架上下两侧的上下倾角传感器和安设在铣架左右两侧的左右倾角传感器，可分别实时检测双轮铣槽机工作中的前后倾角和左右倾角；所述纠偏装置包括液压系统、安设在铣架上的前后纠偏机构和左右纠偏机构，所述液压系统的各个液压缸由电液伺服阀控制，所述主控制器采用跟踪微分器的变增益PD控制算法，通过电液伺服阀控制各液压缸的伸缩量从而调节铣架的垂直度。该纠偏控制系统具有能够多角度对该双轮铣槽机构进行纠偏，且能够实现对成槽机构进行实时精准控制的特点。

Description

一种双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统

技术领域

本发明涉及一种地铁施工工程行业双轮铣槽机设备，特别是涉及一种双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统。

背景技术

地下连续墙是基础工程在地面上采用一种挖槽机械，沿着深开挖工程的周边轴线，在泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽。故开槽设备在工作不仅要承受相当的水平力，还要承受更大的垂直载荷。为满足上述要求，必须保证成槽机构的工作装置的垂直度，因此需要对成槽机构的工作装置进行纠偏操作，以调整成槽机构在桩槽内的姿态，进而提高开槽机稳定性、成槽质量和工作效率。

目前的双轮铣槽机产品的纠偏装置都是手控纠偏，根据目视铣槽装置的倾斜程度和倾斜方向来手动控制纠偏装置进行角度纠偏，无法得知铣槽装置在工作中的实时倾斜程度和状态，也无法准确及时地实施纠偏措施。

有鉴于此，研发设计一种能够解决上述技术问题的角度纠偏控制系统显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种能实时进行纠偏，能提升成槽质量和工作效率的双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统。

本发明所采用的技术方案为：一种双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统，其特征在于：包括倾角检测装置、主控制器和纠偏装置，所述主控制器分别与所述倾角检测系统和纠偏装置电连接；

所述倾角检测装置包括安设在铣架上下两侧的上下倾角传感器和安设在铣架左右两侧的左右倾角传感器，可分别实时检测双轮铣槽机工作中的前后倾角和左右倾角；

所述纠偏装置包括液压系统、安设在铣架上的前后纠偏机构和左右纠偏机构，所述前后纠偏机构包括相对铣架水平滑移设置的上侧纠偏板和下侧纠偏板；左右纠偏机构包括相对铣架左右滑移设置的左侧纠偏板和右侧纠偏板，各纠偏板由液压系统的各液压缸控制其伸缩量，所述液压系统的各个液压缸由电液伺服阀控制，所述电液伺服阀包括伺服电机、液压放大器和反馈机构，电液伺服阀接收主控制器的电信号，由伺服电机将电信号转化为转矩和转速以驱动液压放大器；液压放大器控制液压缸流向液压执行机构的流量或压力；反馈机构，使输出的流量或压力与输入的电气控制信号成比例；

所述主控制器采用跟踪微分器的变增益PD控制算法，通过电液伺服阀控制各液压缸的伸缩量从而调节铣架的垂直度。

按上述技术方案，将测量到的前后、左右倾斜角度作为反馈信号，将它和给定的进给方向角度之间的差值e输入到跟踪微分器中，获得近似偏差x₁与近似微分x₂，将x₁和x₂同时输入变增益PD控制器中，获得控制信号u，到通过纠偏系统中的电液伺服阀来控制各液压缸的伸缩，实现铣槽机的纠偏控制；其中，系统标定r为0，对应铣槽机的垂直度为90°的状态，输出y为垂直度测量值，此系统最小化偏差e至0，即控制输出y为至系统标定r的状态，此时铣槽机的垂直度为90°。

按上述技术方案，所述跟踪微分器的变增益PD控制算法包括如下步骤：

S101：根据PD整定方法，选择PD控制增益，作为变增益的下界

然后将

放大适当倍数作为变增益上界

S102：根据实际情况确定给定阈值δ_p>0，δ_d>0以及β_p>0，β_d>0；

S103：测量出系统输出后，计算系统偏差；

S104：将S103中计算出的系统偏差输入跟踪微分器，获得近似偏差与近似偏差微分；

S105：将S104中获得的近似偏差与近似偏差微分输入变增益PD控制器，根据近似偏差与近似偏差微分的绝对值与S102中给定的阈值δ_p、δ_d比较大小，计算PD控制器增益K_p、K_d，并计算此时PD控制器的输出u；

S106：将S105中计算的u作为系统的控制信号并施加于被控对象。

按上述技术方案，步骤S101中变增益K_p、K_d变化函数为：

式中

分别为比例增益的上界与下界；

分别为微分增益的上界与下界；非线性函数Φ_p(x₁(k))和Φ_d(x₂(k))的表达式为

按上述技术方案，PD控制器中使用的偏差x1与偏差导数x2是实际测量出的偏差e及偏差导数

的近似值。

本发明所取得的有益效果为：

本发明能够实现对铣槽装置相对于水平面的俯仰角和横滚角偏移进行实时纠偏，使铣槽装置能垂直于槽底进行施工，提升双轮铣槽机的开槽稳定性、成槽质量和工作效率。本发明通过采用跟踪微分器的变增益PD控制算法，能降低传统微分方法对误差信号中噪声的放大作用，能够实现对成槽机构进行实时精准控制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双轮铣槽机铣架结构示意图。

图2为本发明实施例提供的自动纠偏流程图。

图3为本发明实施例提供的前后纠偏机构原理简图。

图4为本发明实施例提供的结合跟踪微分器的变增益PD控制过程框图。

图5为本发明实施例提供的位置偏差曲线。

图6为本发明实施例提供的控制输入曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，铣架通过双轮铣槽机车身吊臂及钢索悬挂，利用自身重力保证垂直度，垂直向下进行施工。在施工过程中，受到槽壁的水平作用力及槽底施工单元的垂直载荷，这将会影响铣槽装置相对于水平面的俯仰角和横滚角偏移，进而影响双轮铣槽机的开槽稳定性、成槽质量和工作效率。

本发明实施例提供了一种双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统，能够实现对铣槽装置相对于水平面的俯仰角和横滚角偏移进行实时纠偏，使铣槽装置能垂直于槽底进行施工，提升双轮铣槽机的开槽稳定性、成槽质量和工作效率。其包括倾角检测装置、主控制器和纠偏装置。

所述倾角检测装置包括安设在铣架5上下两侧的上下倾角传感器和安设在铣架左右两侧的左右倾角传感器，可分别实时检测双轮铣槽机工作中的前后倾角和左右倾角，即前后倾角传感器可输出双轮铣槽装置相对于水平面的俯仰角；左右倾角传感器可输出双轮铣槽装置相对于水平面的横滚角。

所述主控制器与所述倾角检测系统电连接，接收前后倾角传感器和左右倾角传感器的电信号输入。所述主控制器与所述纠偏装置电连接，接收前后倾角传感器和左右倾角传感器的电信号输入后，经过逻辑运算，将电信号通过指令控制器向所述纠偏装置进行信号输出，以控制纠偏装置进行双轮铣槽机铣槽装置的角度纠偏。

主控制器中拟采用变增益PD控制算法结合跟踪微分器，通过电液伺服阀控制纠偏板从而调节铣槽机的进给方向，实现铣刀的定向控制。

所述纠偏装置包括液压系统、安设在铣架5上的前后纠偏机构和左右纠偏机构，所述前后纠偏机构包括相对铣架5水平滑移设置的上侧纠偏板1和下侧纠偏板2；左右纠偏机构包括相对铣架5左右滑移设置的左侧纠偏板3和右侧纠偏板4，各纠偏板由液压系统的各液压缸控制其伸缩量，所述液压系统的每个液压缸由电液伺服阀控制，所述电液伺服阀包括伺服电机、液压放大器和反馈机构，电液伺服阀接收主控制器的电信号，由伺服电机将电信号转化为转角以驱动液压放大器；液压放大器控制液压缸流向液压执行机构的流量或压力；反馈机构，使输出的流量或压力与输入的电气控制信号成比例。

图2为自动纠偏流程图。由倾角传感器检测到实时倾角后产生电信号输入至主控制器，主控制输出控制信号至电液伺服阀，电液伺服阀中伺服电机输出转矩和转速由液压放大器控制液压缸的压力和流量，各液压缸输出位移量控制纠偏装置中各纠偏板产生连续位移量，并通过反馈机构进行实时调节。

图3为前后纠偏机构原理简图。纠偏装置接收主控制器输入的偏差信号，通过电液伺服阀对纠偏板进行纠偏位移。在前后纠偏机构中，通过上侧纠偏板和下侧纠偏板的纠偏位移量，制造纠偏位移差，以此来调节双轮铣槽机相对于水平面的俯仰角归零；在左右纠偏机构中，通过左侧纠偏板和右侧纠偏板的纠偏位移量，制造纠偏位移差，以此来调节双轮铣槽机相对于水平面的横滚角归零。

图4为结合跟踪微分器的变增益PD控制过程框图。将测量到的前后、左右倾斜角度作为反馈信号，将它和给定的进给方向角度之间的差值e输入到跟踪微分器中，获得近似偏差x₁与近似微分x₂，将x₁和x₂同时输入变增益PD控制器中，获得控制信号u，到通过纠偏系统中的电液伺服阀来控制前后、左右纠偏板，实现铣槽机的纠偏控制。其中系统标定r为0，对应铣槽机的垂直度为90°的状态。输出y为垂直度测量值。此系统最小化偏差e至0，即控制输出y为至系统标定r的状态，此时铣槽机的垂直度为90°。

本实施例中，跟踪微分器的作用是降低传统微分方法对误差信号中噪声的放大。

其中，PD控制器就是根据系统的测量差值，利用比例、微分算法计算出控制量进行调节控制的装置。其输入输出关系可表示为：

式中：u(t)——PID控制器的输出信号；

e(t)——偏差信号；

K_p——比例系数；

T_d——微分时间常数。

对式(1)进行离散化处理，用向后差分代替微分，在采样周期足够小时，u(t)≈u(k)，e(t)≈e(k)，则离散化后的差分方程为：

式中：T——采样周期；

n——采样序号，n＝0,1,2,…；

u(k)——第k次采样时控制器的输出；

e(k)——第k次采样时的偏差值；

e(k-1)——第k-1次采样时的偏差值；

K_p——比例系数；

K_d——微分系数。

从式(2)可以看出，输出u(k)与偏差信号的导数有关，而工程实际中，偏差信号中必然存在扰动与测量噪声，对偏差信号直接求导会放大偏差信号中的测量噪声，进一步会导致控制输出包含大幅值噪声信号，如此提高了对驱动器的动态性能的要求。

本发明提供了一种改进的PD控制方法，即使用结合跟踪微分器的变增益PD控制算法，解决控制系统中微分信号中对测量噪声的放大问题。其算法包括如下步骤：

S101：获得偏差信号e，偏差信号e先经过跟踪微分器，跟踪微分器将输出两个信号x₁和x₂，其中x₁跟踪偏差信号e，而

此时x₂可以作为偏差信号e的近似微分。跟踪微分器的离散形式表达式：

x₁(k+1)＝x₁(k)+Tx₂(k)

x₂(k+1)＝x₂(k)+T·fst(x₁(k)-e,x₂(k),r,h)

式中T为积分步长采样时间，非线性函数fst为快速控制最优综合函数，r为速度因子，h为滤波因子。记函数fst的输出为f，则

其中：

d＝rh

d₀＝hd

z＝e+hx₂

根据PD整定方法，选择PD控制增益，作为变增益的下界

然后将

放大适当倍数作为变增益上界

具体算法步骤为：

PD控制算法表达式：

u(k)＝K_p(x₁(k))x₁(k)+K_dx₂(k)；

式中K_p、K_d分别为比例增益、微分增益。K_p、K_d均为变增益，其表达式为

式中

分别为比例增益的上界与下界；

分别为微分增益的上界与下界；非线性函数Φ_p(x₁(k))和Φ_d(x₂(k))的表达式为：

式中δ_p、δ_d、β_p和β_d分别为偏差的阈值、偏差导数的阈值、偏差非线性调节参数和偏差导数非线性调节参数。

S102：根据实际情况确定给定阈值δ_p>0、δ_d>0以及β_p>0、β_d>0；

S103：测量出系统输出后，计算系统偏差；

S104：将S103中计算出的系统偏差输入跟踪微分器，获得近似偏差与近似偏差微分

S105：将S104中获得的近似偏差与近似偏差微分输入变增益PD控制器，根据近似偏差与近似偏差微分的绝对值与S102中给定的阈值δ_p、δ_d比较大小，计算PD控制器增益K_p、K_d；

具体为：当|x₁(k)|>δ_p时，即认为偏差较大，此时K_p较大，当|x₂(k)|>δ_d时，即认为偏差导数较大，此时K_d较大，此时系统增益较大，减小控制稳态误差；(3)当|x₁(k)|≤δ_p时，即认为偏差较小，此时K_p较小，当|x₂(k)|≤δ_d时，即认为偏差导数较小，此时K_d较小，此时系统增益较小，减小对测量噪声的放大作用。并计算此时PD控制器的输出u；

S106：将S105中计算的u作为系统的控制信号并施加于被控对象。

具体实例：

以某进给伺服系统为例，给定该控制系统的数学模型采用传递函数如下：

其中，z^-1为离散系统移位算子。该进给伺服系统的被控对象如图1所示。r为外界输入指令，如阶跃指令信号。e即为控制偏差，进给伺服阀即上述传递函数G(z^-1)。y为控制系统输出。

步骤S101具体为：根据工程经验或者MATLAB中PID整定工具箱直接整定等方法，整定出一组合适的PD参数，本实施例选择使用MATLAB中PID整定工具箱直接获得一组使系统稳定的PD参数，作为变增益的下界，得到

接着将

放大适当倍数作为变增益上界

本实施例选择放大倍数为2，即

步骤S102具体为：根据实际情况中的噪声水平确定阈值δ_p>0，δ_d>0以及β_p>0，β_d>0。δ_p和δ_d分别选择为大于做无扰动定位控制时的偏差幅值和偏差导数幅值。本实施例中选择δ_p＝10-3，δ_d＝0.02。选择β_p＝10/δ_p＝10⁴，以及β_d＝10/δ_d＝500。

进一步地，给定理想输入，执行程序获得仿真结果。

将本发明提供的方法与传统PD控制方法进行比较，其位置偏差如图5所示，其控制输入如图6所示。从图4可以看出，本发明提供的方法的位置偏差明显小于传统PD控制方法，从图6可以看出，本发明提供的方法的控制输入远小于传统PD控制方法且控制输入中包含的噪声的幅值有明显的降低，因此本发明提供的方法比于传统PD控制方法能实现更好的控制效果。

Claims (5)

1.一种双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统，其特征在于：包括倾角检测装置、主控制器和纠偏装置，所述主控制器分别与所述倾角检测系统和纠偏装置电连接；

所述倾角检测装置包括安设在铣架上下两侧的上下倾角传感器和安设在铣架左右两侧的左右倾角传感器，可分别实时检测双轮铣槽机工作中的前后倾角和左右倾角；

所述纠偏装置包括液压系统、安设在铣架上的前后纠偏机构和左右纠偏机构，所述前后纠偏机构包括相对铣架水平滑移设置的上侧纠偏板和下侧纠偏板；左右纠偏机构包括相对铣架左右滑移设置的左侧纠偏板和右侧纠偏板，各纠偏板由液压系统的各液压缸控制其伸缩量，所述液压系统的各个液压缸由电液伺服阀控制，所述电液伺服阀包括伺服电机、液压放大器和反馈机构，电液伺服阀接收主控制器的电信号，由伺服电机将电信号转化为转矩和转速以驱动控制对象；液压放大器控制液压缸流量或压力；反馈机构，使输出的流量或压力与输入的电气控制信号成比例；

所述主控制器采用跟踪微分器的变增益PD控制算法，通过电液伺服阀控制各液压缸的伸缩量从而调节铣架的垂直度。

2.根据权利要求1所述的双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统，其特征在于：

将测量到的前后、左右倾斜角度作为反馈信号，将它和给定的进给方向角度之间的差值e输入到跟踪微分器中，获得近似偏差x₁与近似微分x₂，将x₁和x₂同时输入变增益PD控制器中，获得控制信号u，到通过纠偏系统中的电液伺服阀来控制各液压缸的伸缩，实现铣槽机的纠偏控制；其中，系统标定r为0，对应铣槽机的垂直度为90°的状态，输出y为垂直度测量值，此系统最小化偏差e至0，即控制输出y为至系统标定r的状态，此时铣槽机的垂直度为90°。

3.根据权利要求2所述的双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统，其特征在于：所述跟踪微分器的变增益PD控制算法包括如下步骤：

S101：根据PD整定方法，选择PD控制增益，作为变增益的下界

然后将

放大适当倍数作为变增益上界

S102：根据实际情况确定给定阈值δ_p>0，δ_d>0以及β_p>0，β_d>0；

S103：测量出系统输出后，计算系统偏差；

S104：将S103中计算出的系统偏差输入跟踪微分器，获得近似偏差与近似偏差微分；

S105：将S104中获得的近似偏差与近似偏差微分输入变增益PD控制器，根据近似偏差与近似偏差微分的绝对值与S102中给定的阈值δ_p、δ_d比较大小，计算PD控制器增益K_p、K_d，并计算此时PD控制器的输出u；

S106：将S105中计算的u作为系统的控制信号并施加于被控对象。

4.根据权利要求3所述的双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统，其特征在于：步骤S101中变增益K_p、K_d变化函数为：

式中

分别为比例增益的上界与下界；

分别为微分增益的上界与下界；非线性函数Φ_p(x₁(k))和Φ_d(x₂(k))的表达式为

5.根据权利要求4所述的双轮铣槽机工作角度纠偏控制系统，其特征在于：PD控制器中使用的偏差x1与偏差导数x2是实际测量出的偏差e及偏差导数

的近似值。

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