CN115585164A - 智能步履式顶推系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了智能步履式顶推系统，具体涉及桥梁施工技术领域，本发明建立智能集群控制器对施工场地所有的步履式顶推装备进行控制，构建智能步履式顶推系统，智能集群控制器根据集群内各顶推装备实时数据进行计算，对单台步履式顶推装备控制器发出位移和压力信号指令，构成外层闭环；单台步履式顶推装备控制器接收顶推液压系统位移和压力信号，并分别向两台伺服电机控制器输出压力和位移信号，构成位移和压力中层闭环；伺服电机控制器将压力和位移信号转换为伺服电机转速信号，驱动伺服电机按需转动，同时通过编码器，构成伺服电机的速度内层闭环；经过外、中、内三层闭环，精确保证顶升和顶推同步性及自动动态纠偏功能。

Description

智能步履式顶推系统

技术领域

本发明涉及桥梁施工技术领域，更具体地说，本发明涉及智能步履式顶推系统。

背景技术

目前桥梁整体顶推施工方案中，步履式顶推系统通常由几十或上百台套三维顶推装备组成，构成集群控制系统，高精度同步控制是技术难点。而在梁段顶推作业时，需控制各顶推装备对应的液压缸反复依次进行同步垂直顶升、水平顶推、垂直下降、水平回缩的动作。垂直方向同步性差会导致应力集中而损坏桥梁，甚至失稳倾覆；水平方向同步性差会使桥梁轴线发生偏移，需要反复纠偏。现有同步位移闭环控制，存在部分顶升缸偏载现象，导致桥梁局部应力集中；而压力反馈控制，有利于桥梁内部应力和顶升缸载荷平衡，但对于桥梁的旋转不可控，危险系数大；

步履式顶推装备进行梁段顶推施工时，常存在液压系统压力设置过高的问题，并且不随顶推负载梁段的长度、重量、结构等参数的变化而改变，导致液压系统发热严重，功率损耗大；同时液压油长期工作在高温高压的极端环境，易腐化变质使压力不稳，增加了不可控性，甚至威胁施工安全；

桥梁偏移类型主要分为轴线、同侧和扭转偏移。桥梁梁段在顶推时产生偏移主要有三个原因：一是各台套顶推装备、位移和压力传感器的性能差异；二是水平顶推启动时，滑道与桥梁间的静动摩擦力切换，对桥梁的平衡状态产生冲击；三是顶推时梁段悬臂端长度不断变化导致垂直顶升缸负载交替变化，故桥梁偏移具有一定的随机性和不稳定性。目前纠偏系统主要采用静态纠偏，耗时长，施工效率低；

因此研发一种智能步履式顶推系统具有重要意义。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了智能步履式顶推系统，用于解决上述的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：智能步履式顶推系统，包括同步控制系统、压力自适应调节液压系统和自动动态纠偏模糊控制系统，所述同步控制系统包括步履式顶推装备构成的集群控制系统，比较各顶升缸的压力值，将负载最大的顶升缸活塞杆输出位移设为基准，其它顶升缸的输出位移与基准的差值作为参考控制量，通过模糊PID补偿器进行增量式同步调节，构成以位移反馈为主，压力反馈为辅的双环控制系统，建立步履顶推设备的液压系统模型，采用模糊PID补偿器对集群内液压系统进行控制，以顶推全流程中各顶推缸压力波动幅值、压力变化速率、压力分布规律、各顶推缸同步位移偏差为输入量，模拟仿真分析各顶推缸的输出位移和缸内压力，形成位移异常处理数据库和压力异常处理数据库，结合各顶推缸位移和压力数据，模糊化动态调整PID补偿器参数，对个顶推缸电磁阀的导通时间进行精确控制。

其以位移反馈为主，压力反馈为辅的顶推装备集群同步控制策略，控制精度为±1mm，对于垂直顶升同步控制，以顶升缸负载最大的位移值为基准，其它顶升缸的活塞杆输出位移与基准的差值作为参考控制量，输入模糊PID补偿器，输出增量式控制信号对控制各顶升缸的电磁阀导通时间进行控制，实现同步控制。同理，对于同步水平顶推控制，以顶推缸负载最大的位移值为基准，其它顶推缸以相对基准的差值进行增量式同步控制，最大化地降低桥梁的偏移程度。

所述压力自适应调节液压系统包括与顶推设备连接的油箱、伺服电机、定量泵、高压比例溢流阀、压力传感器、位移传感器、电磁换向阀，两台步履式顶推装备共用一油箱，构成一顶推单元，采用伺服电机驱动定量泵，高压比例溢流阀作为安全阀，压力传感器实时测量液压缸无杆腔压力，位移传感器实时监测液压缸活塞杆位移，电磁换向阀控制液压缸活塞杆运动方向。

建立伺服电机、泵、缸数学模型，以预顶升负载以及考虑安全系数等确定的系统压力为输入，输出需要泵入的油液压缩体积和伺服电机转速，通过控制系统发出指令对系统压力进行调节。

针对不同顶推负载，通过对顶推梁段进行预顶升获取其负载量和载荷分布情况，将顶推装备液压系统压力自动调整为适应当前负载顶推施工的控制方法，同时泵站由伺服电机驱动定量泵组成，根据负载载荷分布情况自动调节液压泵的输出流量，减少溢流；此外，空载时液压泵以极小流量输出，进一步降低功率损耗和系统发热量。

所述自动动态纠偏模糊控制系统包括光电传感器和光电开关，用于顶推的同时进行缓慢纠偏，提高施工效率，其中偏转类型及偏移量传感器的选择需满足实际施工环境要求，通过建立动态纠偏数学模型，采用具有良好动态响应性能的模糊控制器，以偏移控制量为输入，各纠偏缸位移量为输出，经控制系统发出动作指令，实现在水平顶推的同时对顶推梁段进行纠偏。

作为本发明的进一步方案，所述纠偏过程为：

读取梁段四角设置的光电传感器数据和用于监测梁段中轴线的光电开关信号，分析判断偏移类型及偏移量；

当偏移超过5mm时，将各纠偏缸的压力、位移及梁段偏移量的整体分布等数据输入控制系统，启动动态纠偏程序；

当偏移量超过15mm时，停止动态纠偏，启动静态纠偏程序。

作为本发明的进一步方案：所述纠偏过程通过实时检测传感器间的差值e以及差值变化率de/dt，经模糊推理后得到PID控制器各参数修正量，完成PID控制器参数实时调整。PID控制器根据真实值与理想值的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)计算后得到控制器对各纠偏缸的调整量，经控制系统驱动各纠偏缸对正在顶推中的梁段进行缓慢平稳纠偏。

作为本发明的进一步方案：所述模糊PID控制器实现控制补偿，PID控制器是将偏差的比例、积分和微分通过合成，对被控对象进行控制，其中r(t)为输入信号，e(t)为偏差信号，μ(t)为控制信号，y(t)为控制输出信号，其中控制偏差信号e(t)＝r(t)-y(t)，控制信号μ(t)如下：

对于比例控制P，令k_i＝k_d＝0，可得：

μ(t)＝k_pe(t)

对于积分控制I，令k_p＝k_d＝0，可得：

对于微分控制I，令k_i＝k_p＝0，可得：

将偏差信号e和控制偏差变化率e_c送入模糊控制器，通过模糊控制器模糊化、推理，求解，得出参数Δk_p、Δk_d、Δk_i，分别输入PID控制器，采用下列公式进行在线修正：

k_p＝k_p0+Δk_p

k_i＝k_i0+Δk_i

k_d＝k_d0+Δk_d。

本发明的有益效果在于：

1、本发明建立智能集群控制器对施工场地所有的步履式顶推装备进行控制，构建智能步履式顶推系统，智能集群控制器根据集群内各顶推装备实时数据进行计算，对单台步履式顶推装备控制器发出位移和压力信号指令，构成外层闭环；单台步履式顶推装备控制器接收顶推液压系统位移和压力信号，并分别向两台伺服电机控制器输出压力和位移信号，构成位移和压力中层闭环；伺服电机控制器将压力和位移信号转换为伺服电机转速信号，驱动伺服电机按需转动，同时通过编码器，构成伺服电机的速度内层闭环；经过外、中、内三层闭环，精确保证顶升和顶推同步性及自动动态纠偏功能。

2、本发明同步控制以位移反馈为主，压力反馈为辅的顶推装备集群同步控制策略，控制精度为±1mm，对于垂直顶升同步控制，以顶升缸负载最大的位移值为基准，其它顶升缸的活塞杆输出位移与基准的差值作为参考控制量，输入模糊PID补偿器，输出增量式控制信号控制各顶升缸的电磁阀导通时间进行控制，实现同步控制，同理，对于同步水平顶推控制，以顶推缸负载最大的位移值为基准，其它顶推缸以相对基准的差值进行增量式同步控制，最大化地降低桥梁的偏移程度；

3、本发明针对不同顶推负载，通过对顶推梁段进行预顶升获取其负载量和载荷分布情况，将顶推装备液压系统压力自动调整为适应当前负载顶推施工的控制方法，同时泵站由伺服电机驱动定量泵组成，根据负载载荷分布情况自动调节液压泵的输出流量，减少溢流；此外，空载时液压泵以极小流量输出，进一步降低功率损耗和系统发热量；

4、本发明采用的自动动态纠偏算法，在顶推的同时进行缓慢纠偏，提高施工效率，其中偏转类型及偏移量传感器的选择需满足实际施工环境要求，通过建立动态纠偏数学模型，设计具有良好动态响应性能的模糊控制器，以偏移控制量为输入，各纠偏缸位移量为输出，经控制系统发出动作指令，实现在水平顶推的同时对顶推梁段进行纠偏。

附图说明

图1为本发明顶推系统的连接示意图；

图2为本发明同步控制系统连接示意图；

图3为本发明压力自适应调节液压系统示意图；

图4为本发明自动动态纠偏模糊控制系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了智能步履式顶推系统，包括同步控制系统、压力自适应调节液压系统和自动动态纠偏模糊控制系统，同步控制系统包括步履式顶推装备构成的集群控制系统，比较各顶升缸的压力值，将负载最大的顶升缸活塞杆输出位移设为基准，其它顶升缸的输出位移与基准的差值作为参考控制量，通过模糊PID补偿器进行增量式同步调节，构成以位移反馈为主，压力反馈为辅的双环控制系统，建立步履顶推设备的液压系统模型，采用模糊PID补偿器对集群内液压系统进行控制，以顶推全流程中各顶推缸压力波动幅值、压力变化速率、压力分布规律、各顶推缸同步位移偏差为输入量，模拟仿真分析各顶推缸的输出位移和缸内压力，形成位移异常处理数据库和压力异常处理数据库，结合各顶推缸位移和压力数据，模糊化动态调整PID补偿器参数，对个顶推缸电磁阀的导通时间进行精确控制。

其以位移反馈为主，压力反馈为辅的顶推装备集群同步控制策略，控制精度为±1mm，对于垂直顶升同步控制，以顶升缸负载最大的位移值为基准，其它顶升缸的活塞杆输出位移与基准的差值作为参考控制量，输入模糊PID补偿器，输出增量式控制信号对控制各顶升缸的电磁阀导通时间进行控制，实现同步控制。同理，对于同步水平顶推控制，以顶推缸负载最大的位移值为基准，其它顶推缸以相对基准的差值进行增量式同步控制，最大化地降低桥梁的偏移程度。

压力自适应调节液压系统包括与顶推设备连接的油箱、伺服电机、定量泵、高压比例溢流阀、压力传感器、位移传感器、电磁换向阀，两台步履式顶推装备共用一油箱，构成一顶推单元，采用伺服电机驱动定量泵，高压比例溢流阀作为安全阀，压力传感器实时测量液压缸无杆腔压力，位移传感器实时监测液压缸活塞杆位移，电磁换向阀控制液压缸活塞杆运动方向。

建立伺服电机、泵、缸数学模型，以预顶升负载以及考虑安全系数等确定的系统压力为输入，输出需要泵入的油液压缩体积和伺服电机转速，通过控制系统发出指令对系统压力进行调节。

针对不同顶推负载，通过对顶推梁段进行预顶升获取其负载量和载荷分布情况，将顶推装备液压系统压力自动调整为适应当前负载顶推施工的控制方法，同时泵站由伺服电机驱动定量泵组成，根据负载载荷分布情况自动调节液压泵的输出流量，减少溢流；此外，空载时液压泵以极小流量输出，进一步降低功率损耗和系统发热量。

自动动态纠偏模糊控制系统包括光电传感器和光电开关，用于顶推的同时进行缓慢纠偏，提高施工效率，其中偏转类型及偏移量传感器的选择需满足实际施工环境要求，通过建立动态纠偏数学模型，采用具有良好动态响应性能的模糊控制器，以偏移控制量为输入，各纠偏缸位移量为输出，经控制系统发出动作指令，实现在水平顶推的同时对顶推梁段进行纠偏。

纠偏过程为：

读取梁段四角设置的光电传感器数据和用于监测梁段中轴线的光电开关信号，分析判断偏移类型及偏移量；

当偏移超过5mm时，将各纠偏缸的压力、位移及梁段偏移量的整体分布等数据输入控制系统，启动动态纠偏程序；

当偏移量超过15mm时，停止动态纠偏，启动静态纠偏程序。

纠偏过程通过实时检测传感器间的差值e以及差值变化率de/dt，经模糊推理后得到PID控制器各参数修正量，完成PID控制器参数实时调整。PID控制器根据真实值与理想值的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)计算后得到控制器对各纠偏缸的调整量，经控制系统驱动各纠偏缸对正在顶推中的梁段进行缓慢平稳纠偏。

模糊PID控制器实现控制补偿，PID控制器是将偏差的比例、积分和微分通过合成，对被控对象进行控制，其中r(t)为输入信号，e(t)为偏差信号，μ(t)为控制信号，y(t)为控制输出信号，其中控制偏差信号e(t)＝r(t)-y(t)，控制信号μ(t)如下：

对于比例控制P，令k_i＝k_d＝0，可得：

μ(t)＝k_pe(t)

对于积分控制I，令k_p＝k_d＝0，可得：

对于微分控制I，令k_i＝k_p＝0，可得：

将偏差信号e和控制偏差变化率e_c送入模糊控制器，通过模糊控制器模糊化、推理，求解，得出参数Δk_p、Δk_d、Δk_i，分别输入PID控制器，采用下列公式进行在线修正：

k_p＝k_p0+Δk_p

k_i＝k_i0+Δk_i

k_d＝k_d0+Δk_d。

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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.智能步履式顶推系统，其特征在于，包括同步控制系统、压力自适应调节液压系统和自动动态纠偏模糊控制系统，所述同步控制系统包括步履式顶推装备构成的集群控制系统，建立步履顶推设备的液压系统模型，采用模糊PID补偿器对集群内液压系统进行控制，以顶推全流程中各顶推缸压力波动幅值、压力变化速率、压力分布规律、各顶推缸同步位移偏差为输入量，模拟仿真分析各顶推缸的输出位移和缸内压力，形成位移异常处理数据库和压力异常处理数据库，结合各顶推缸位移和压力数据，模糊化动态调整PID补偿器参数，对个顶推缸电磁阀的导通时间进行精确控制；

所述压力自适应调节液压系统包括与顶推设备连接的油箱、伺服电机、定量泵、高压比例溢流阀、压力传感器、位移传感器、电磁换向阀，两台步履式顶推装备共用一油箱，构成一顶推单元，采用伺服电机驱动定量泵，高压比例溢流阀作为安全阀，压力传感器实时测量液压缸无杆腔压力，位移传感器实时监测液压缸活塞杆位移，电磁换向阀控制液压缸活塞杆运动方向；

建立伺服电机、泵、缸数学模型，以预顶升负载以及考虑安全系数等确定的系统压力为输入，输出需要泵入的油液压缩体积和伺服电机转速，通过控制系统发出指令对系统压力进行调节；

所述自动动态纠偏模糊控制系统包括光电传感器和光电开关，用于顶推的同时进行缓慢纠偏，通过建立动态纠偏数学模型，采用具有良好动态响应性能的模糊控制器，以偏移控制量为输入，各纠偏缸位移量为输出，经控制系统发出动作指令，实现在水平顶推的同时对顶推梁段进行纠偏。

2.根据权利要求1所述的智能步履式顶推系统，其特征在于：所述纠偏过程为：

读取梁段四角设置的光电传感器数据和用于监测梁段中轴线的光电开关信号，分析判断偏移类型及偏移量；

当偏移超过5mm时，将各纠偏缸的压力、位移及梁段偏移量的整体分布等数据输入控制系统，启动动态纠偏程序；

当偏移量超过15mm时，停止动态纠偏，启动静态纠偏程序。

3.根据权利要求2所述的智能步履式顶推系统，其特征在于：所述纠偏过程通过实时检测传感器间的差值e以及差值变化率de/dt，经模糊推理后得到PID控制器各参数修正量，完成PID控制器参数实时调整。PID控制器根据真实值与理想值的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)计算后得到控制器对各纠偏缸的调整量，经控制系统驱动各纠偏缸对正在顶推中的梁段进行缓慢平稳纠偏。

4.根据权利要求3所述的智能步履式顶推系统，其特征在于：所述模糊PID控制器实现控制补偿，PID控制器是将偏差的比例、积分和微分通过合成，对被控对象进行控制，其中r(t)为输入信号，e(t)为偏差信号，μ(t)为控制信号，y(t)为控制输出信号，其中控制偏差信号e(t)＝r(t)-y(t)，控制信号μ(t)如下：

对于比例控制P，令k_i＝k_d＝0，可得：

μ(t)＝k_pe(t)

对于积分控制I，令k_p＝k_d＝0，可得：

对于微分控制I，令k_i＝k_p＝0，可得：

将偏差信号e和控制偏差变化率e_c送入模糊控制器，通过模糊控制器模糊化、推理，求解，得出参数Δk_p、Δk_d、Δk_i，分别输入PID控制器，采用下列公式进行在线修正：

k_p＝k_p0+Δk_p

k_i＝k_i0+Δk_i

k_d＝k_d0+Δk_d。

Images