发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种悬索桥主缆索股牵引控制系统及方法,能够解决现有技术中横向外部风扰会使拽拉器和主缆索股发生扭转,导致主缆承载能力降低以及影响拽拉器安全性的问题。
为达到以上目的,本发明采取的技术方案是:
一方面,本发明提供一种悬索桥主缆索股牵引控制系统,包括:
牵引装置,其包括牵引绳和拽拉器,所述拽拉器设于所述牵引绳上,用于拽拉主缆索股;
扭转监测传感器,其用于设置在靠近所述拽拉器的所述主缆索股上,或者设置在所述拽拉器上,以监控所述主缆索股的姿态;
扭转纠正机构,其设于所述拽拉器上,用于根据所述主缆索股的姿态,在所述主缆索股扭转时施加扭转方向的反向力矩,以保持所述拽拉器平衡。
在一些可选的方案中,所述扭转纠正机构包括:
支架,其设于所述拽拉器上;
电机,其设于所述支架上,
惯性轮,其设于所述电机的驱动轴上,并且所述惯性轮的轴向方向朝向所述主缆索股的方向,用于通过加减速转动过程提供保持平衡的力矩。
在一些可选的方案中,所述牵引装置还包括:
两个卷扬机,其分别设于所述牵引绳的两端,用于收放所述牵引绳;
两个编码器,其分别用于设在所述卷扬机收放所述牵引绳的出口处,用于记录所述牵引绳的收放速度和长度;
控制器,其用于获取所述编码器记录的所述牵引绳的收放速度和长度,以控制所述卷扬机的收放速度。
在一些可选的方案中,所述牵引装置还包括张紧装置,所述张紧装置包括:
两个固定轮,其间隔设于所述牵引绳的上方;
活动轮,其设于两个所述固定轮之间,并位于所述牵引绳的下方,所述编码器设置在所述活动轮上;
高度调节机构,其用于调节所述活动轮的高度,以使卡设在所述固定轮和活动轮之间的牵引绳与所述活动轮产生足够大的活动轮静摩擦力,使得牵引绳与所述活动轮之间不发生相对滑移。
在一些可选的方案中,还包括平面坐标定位装置,其包括:
至少三台LoRa基站,其分别设于无通信障碍的设定位置;
LoRa网关,其设于所述拽拉器上,用于与所述LoRa基站协同获取所述拽拉器平面坐标。
在一些可选的方案中,还包括视频传感器,其用于设置在主塔的塔顶和/或跨中位置,以监控所述拽拉器的牵引状态。
另一方面,本发明还提供一种悬索桥主缆索股牵引控制方法,该悬索桥主缆索股牵引控制方法利用上述悬索桥主缆索股牵引控制系统实施,包括以下步骤:
利用牵引绳和拽拉器,拽拉主缆索股;
利用扭转监测传感器监控所述主缆索股的姿态,当所述主缆索股发生扭转时,向所述主缆索股施加扭转方向的反向力矩,以保持所述拽拉器平衡。
在一些可选的方案中,所述的向所述主缆索股施加扭转方向的反向力矩,具体包括:通过驱动轴向方向朝向所述主缆索股的惯性轮加减速转动,施加扭转方向的反向力矩。
在一些可选的方案中,在拽拉主缆索股的同时,还通过编码器记录所述牵引绳的收放速度和长度,并通过控制器获取所述编码器记录的所述牵引绳的收放速度和长度,来控制所述卷扬机的收放速度。
在一些可选的方案中,在拽拉主缆索股的同时,通过平面坐标定位装置获取所述拽拉器平面坐标,结合编码器记录所述牵引绳的收放长度,确定拽拉器的位置。
与现有技术相比,本发明的优点在于:该控制系统可以在主缆索股在受到外部的风扰发生扭转时,及时的通过设置在拽拉器上的扭转纠正机构向主缆索股施加扭转方向的反向力矩,从而保持拽拉器平衡,可将主缆索股的扭转姿态纠正,这样可以避免在牵引过程中,主缆索股发生扭转而导致的影响牵引效果和会降低主缆索股承载能力的问题。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
如图1所示,本发明提供一种悬索桥主缆索股牵引控制系统,包括:牵引装置1、扭转监测传感器3和扭转纠正机构4。
其中,牵引装置1包括牵引绳11和拽拉器12,拽拉器12设于牵引绳11上,用于拽拉主缆索股2;扭转监测传感器3用于设置在靠近拽拉器12的主缆索股2上,或者设置在拽拉器12上,以监控主缆索股2的姿态;扭转纠正机构4设于拽拉器12上,用于根据主缆索股2的姿态,在主缆索股2扭转时施加扭转方向的反向力矩,以保持拽拉器12平衡。
在使用该悬索桥主缆索股牵引控制系统时,利用牵引绳11和拽拉器12,拽拉主缆索股2;在拽拉主缆索股2的同时,利用扭转监测传感器3监控主缆索股2的姿态,当主缆索股2发生扭转时,利用设置在拽拉器12上的扭转纠正机构4向主缆索股2施加扭转方向的反向力矩,以保持拽拉器12平衡,从而纠正主缆索股2的扭转。该控制系统可以在主缆索股2在受到外部的风扰发生扭转时,及时的通过设置在拽拉器12上的扭转纠正机构4向主缆索股2施加扭转方向的反向力矩,从而保持拽拉器12平衡,可将主缆索股2的扭转姿态纠正,这样可以避免在牵引过程中,主缆索股2发生扭转而导致的影响牵引效果和会降低主缆索股2承载能力的问题。
本例中的扭转监测传感器3为内置六轴陀螺仪,所测得的扭转姿态角超出阈值时,还可以报警并暂停系统运行等待工作人员处理,以避免其发生扭转降低主缆索股2的整体负载能力。
如图5和图6所示,在一些可选的实施例中,扭转纠正机构4包括:支架41、电机42和惯性轮43。
其中,支架41设于拽拉器12上;电机42设于支架41上,惯性轮43设于电机42的驱动轴上,并且惯性轮43的轴向方向朝向主缆索股2的方向,用于通过加减速转动过程提供保持平衡的力矩。
在本实施例中,当外部风扰使得拽拉器12姿态发生倾斜,主缆索股2也会发生扭转,设置在靠拽拉器12的主缆索股2上或者拽拉器12上的扭转监测传感器3,感知到主缆索股2的扭转姿态后,电机42便会开始工作驱动惯性轮43,惯性轮43在加减速转动过程中会产生回复力矩,即施加向主缆索股2扭转方向的反向力矩,从而保持拽拉器12平衡,可将主缆索股2的扭转姿态纠正。
其中,惯性轮43在加减速转动过程中会产生回复力矩,具体公式为:M=J·a其中,J=mr2 J为动量轮转动惯量,a为角加速度,m为动量轮质量,r为惯性轮43的半径。由此产生一个与倾斜姿态相反的回复力即可实现拽拉器12的平衡。
如图4所示,在一些可选的实施例中,牵引装置1还包括:两个卷扬机13、两个编码器14和控制器。
其中,两个卷扬机13分别设于牵引绳11的两端,用于收放牵引绳11;两个编码器14分别用于设在卷扬机13收放牵引绳11的出口处,用于记录牵引绳11的收放速度和长度;控制器用于获取编码器14记录的牵引绳11的收放速度和长度,以控制卷扬机13的收放速度。
在本实施例中,两个卷扬机13分别为主卷扬机和辅卷扬机,两个卷扬机13设置在桥的同一端,在对岸通过转向轮16转向,具体的,牵引绳11从主卷扬机的绳盘出发,依次穿过散索鞍门架导轮组、塔顶门架导轮组,通过对岸的转向轮16转向返回到辅卷扬机的转盘中。在其他实施例中,也可以将两个卷扬机13分别设置在两岸,往复拉拽来牵引主缆索股2。
具体实施拉拽的过程中,当卷扬机13出现同步偏差,通过编码器14的数值可计算出当前同步误差e,根据e的正负判断由主牵引卷扬机13或辅牵引卷扬机进行主动补偿调节,通过位置式比例-积分-微分控制(PID)调节控制卷扬机13的电机调节牵引绳11的输出长度,进而消除同步误差,通过公式:
计算当前时刻主卷扬机的输出u(k),其中为,e(k)与e(k-1)为当前时刻与上一时刻的同步误差值,KP、KI、KD为PID调节的各个参数。
当拽拉器12进入对应区段如主跨部分,且当前速度与期望牵引速度存在偏差ev,通过增量式PID调节两卷扬机13输出速度以达到期望牵引速度进行主缆索股2的牵引,调节方如下:
Δuv(k)=KP[ev(k)-ev(k-1)]+KIev(k)+KD[ev(k)-2ev(k-1)+ev(k-2)]
其中,Δuv(k)为当前时刻主卷扬机改变的输出,ev(k)、ev(k-1)、ev(k-2)为对应时刻速度与期望速度的偏差,KP、KI、KD为PID调节的各个参数。
再次参见图4,在一些可选的实施例中,牵引装置1还包括张紧装置15,张紧装置15包括:固定轮151、活动轮152和高度调节机构153。
两个固定轮151间隔设于牵引绳11的上方;活动轮152设于两个固定轮151之间,并位于牵引绳11的下方,编码器14设置在活动轮152上;高度调节机构153用于调节活动轮152的高度,以使卡设在固定轮151和活动轮152之间的牵引绳11与活动轮152产生足够大的活动轮152静摩擦力,使得牵引绳11与活动轮152之间不发生相对滑移。
在本实施例中,通过两个固定轮151和一个活动轮152,分别设于牵引绳11的两侧,并且两个固定轮151位于活动轮152的两侧,利用高度调节机构153调节活动轮152的高度,使牵引绳11与活动轮152产生足够大的活动轮152静摩擦力,这样牵引绳11在穿过两个固定轮151和一个活动轮152时,与活动轮152之间就不发生相对滑移,另外,编码器14设置在活动轮152的转轴上,活动轮152与牵引绳11之间不发生相对位移,就可以使编码器14获得更加准确的数据。本例中,高度调节机构153包括一个高度调节电机1531和一调节杆1532,调节杆1532的两端分别与活动轮152和高度调节电机1531连接,高度调节电机1531可驱动调节杆1532伸缩来控制调节杆1532的高度,从而实现对活动轮152的高度调节,另外,还可以在调节杆1532或者高度调节电机1531上设置传感器,通过传感器获取活动轮152与牵引绳11之间的相对作用力,根据传感器的反馈来驱动调节杆1532伸缩,确保牵引绳11与活动轮152之间不发生相对滑移。
如图3所示,在一些可选的实施例中,该悬索桥主缆索股牵引控制系统还包括平面坐标定位装置,其包括:LoRa网关和至少三台LoRa基站5。
其中,至少三台LoRa基站5分别设于无通信障碍的设定位置;LoRa网关设于拽拉器12上,用于与LoRa基站协同获取拽拉器12平面坐标。
在本实施例中,平面坐标定位装置包括三台LoRa基站5(Long Range Radio,远距离无线电),分别布置于两主塔6的顶端,两主塔6设置在两岸,这样可避免通信死角,并且三台LoRa基站5不位于同一直线上,可方便通过无线数据通讯与对拽拉器12上的LoRa网关实现协同定位,进而获取拽拉器12当前所处位置、速度等参数信息。具体的方式为:
根据公式可确定各个LoRa基站5到LoRa网关的距离,其中,d0为参考点到信号源(LoRa基站)的距离,Pr0为距离为d0时接收到信号源的RSSI(ReceivedSignal Strength Indication,接收的信号强度指示),d为待测点的真实距离,/>为遮蔽因子,P为待测点(LoRa网关)接收到信号源的RSSI,n为路径损耗系数,其中图3中的d1、d2和d3即为三台LoRa基站5到LoRa网关的距离。
根据LoRa网关到各个LoRa基站距离,并以牵引绳11为x轴坐标,以垂直x轴为y轴,建立坐标系,知道各个LoRa基站的坐标,就可以得到LoRa网关的平面坐标,即拽拉器12的平面坐标(x,y),再根据悬链线曲线函数公式:可计算拽拉器12的Z向坐标,其中,a为悬链系数,x为拽拉器12的x轴坐标,可计算出当前拽拉器12所走位移长度。这样就可以得到拽拉器12的三维坐标。操作人员可以根据获得的拽拉器12的坐标,实施相应的控制策略,例如在没有侧风位置,拽拉器12比较平稳的状态下,可加快拽拉器12的拽拉速度。
在一些可选的实施例中,该悬索桥主缆索股牵引控制系统还包括视频传感器,其用于设置在主塔6的塔顶和/或跨中位置,以监控拽拉器12的牵引状态。
在本实施例中,当拽拉器12经过视频传感器时,通过异常图像检测判断当前拽拉器12牵引状态是否正常,结合定位数据,当拽拉器12靠近例如塔顶等需要减速的位置点,系统自动反馈控制卷扬机13调节,降低牵引速度。
另外,整体通信采用串行通信编码结构,由控制系统作为通信主机发出询问,各传感器控制器作为从机依次将当前传感器数据插入信号帧内并修改校验位。最后一个从机将数据插入完成后,将信号帧发回至控制器主机进行数据解析,进而完成所述主牵引卷扬机和所述辅牵引卷扬机的输出控制,整体数据通过所述一体化智能控制系统软件平台进行展示。
在主缆索股牵引过程中,通过大小闭环的分级嵌套,完成多源数据反馈的闭环反馈,卷扬机需要根据反馈数据实时调整输出。同时各反馈数据均设有阈值,当监控数据超过阈值,系统将立即报警并采取相应应急操作,包括:急停、回退、通知管理人员处理等。
如图1和图2所示,另一方面,本发明还提供一种悬索桥主缆索股牵引控制方法,该悬索桥主缆索股牵引控制方法利用上述悬索桥主缆索股牵引控制系统实施,包括以下步骤:
S1:利用牵引绳11和拽拉器12,拽拉主缆索股2。
在本实施例中,将主缆索股2的一端固定在拽拉器12上,通过卷扬机13拉拽牵引绳11,即可将主缆索股2向对岸拉去。
S2:利用扭转监测传感器3监控主缆索股2的姿态,当主缆索股2发生扭转时,向主缆索股2施加扭转方向的反向力矩,以保持拽拉器12平衡。
在一些可选的实施例中,向主缆索股2施加扭转方向的反向力矩,具体包括:通过驱动轴向方向朝向主缆索股2的惯性轮43加减速转动,施加扭转方向的反向力矩。
在本方案中,当外部风扰使得拽拉器12姿态发生倾斜,主缆索股2也会发生扭转,设置在靠拽拉器12的主缆索股2上或者拽拉器12上的扭转监测传感器3,感知到主缆索股2的扭转姿态后,电机42便会开始工作驱动惯性轮43,惯性轮43在加减速转动过程中会产生回复力矩,即施加向主缆索股2扭转方向的反向力矩,从而保持拽拉器12平衡,可将主缆索股2的扭转姿态纠正。
在一些可选的实施例中,在拽拉主缆索股2的同时,还通过编码器14记录牵引绳11的收放速度和长度,并通过控制器获取编码器14记录的牵引绳11的收放速度和长度,来控制卷扬机13的收放速度。在本实施例中,当两个卷扬机13出现同步偏差,通过编码器14的数值可计算出当前同步误差e,根据e的正负判断由主牵引卷扬机13或辅牵引卷扬机进行主动补偿调节,具体的是通过PID调节两个卷扬机13的同步偏差。
在一些可选的实施例中,在拽拉主缆索股2的同时,通过平面坐标定位装置获取拽拉器12平面坐标,结合编码器14记录牵引绳11的收放长度,确定拽拉器12的位置。
在本实施例中,通过分别布置于两主塔6顶端的三台LoRa基站5,以及拽拉器12上的LoRa网关协同定位,进而获取拽拉器12当前所处平面位置,再通过悬链线曲线函数可计算出拽拉器z方向坐标,融合两者数据进而可实现高精度拽拉器12定位。
综上所述,该控制系统可以在主缆索股2在受到外部的风扰发生扭转时,及时的通过设置在拽拉器12上的扭转纠正机构4向主缆索股2施加扭转方向的反向力矩,从而保持拽拉器12平衡,可将主缆索股2的扭转姿态纠正,这样可以避免在牵引过程中,主缆索股2发生扭转而导致的影响牵引效果和会降低主缆索股2承载能力的问题。通过编码器14以及张紧装置15的共同配合作用,实现对牵引绳11的长度进行精确的监控,并通过PID调节,消除同步误差,避免两卷扬机13的对拉。另外,通过三台LoRa基站5和LoRa网关协同定位,获取拽拉器12当前所处平面位置,再通过悬链线曲线函数可计算出拽拉器z方向坐标,融合两者数据进而可实现高精度拽拉器12定位,以使操作人员制定更好的收放牵引绳11的策略。
在本申请的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是,在本申请中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。