CN116289659A - 一种无线智能顶推装置及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线智能顶推装置及控制系统，涉及桥梁建设领域，包括控制箱、滑块连接架、伺服电机、电磁阀组和顶推支腿，控制箱、伺服电机和顶推支腿从左到右依次设置在滑块连接架的上表面，伺服电机与电磁阀组对称设置，顶推支腿设置在底座的短边正上方，控制箱与伺服电机和电磁阀组连接，顶推支腿与电磁阀组之间设置有纵向移动液压缸，伺服电机靠近纵向移动液压缸的一侧设置有第一拉线位移传感器，顶推支腿的正下方设置有垂直于纵向移动液压缸的横向移动液压缸。本发明通过无线通信模块、伺服驱动器和PLC内置的数据滤波控制多支腿顶推机构的伺服电机，可以实现精确便捷的顶推控制，提高顶推平稳性。

Description

一种无线智能顶推装置及控制系统

技术领域

本发明涉及桥梁建设领域，具体涉及一种桥梁无线智能顶推装置及控制系统。

背景技术

传统的桥梁维修保养方法通常需要使用人工起重机等设备，其受控性能和稳定性存在一定的局限性，不能满足现代桥梁建设的需求，并且传统顶推操作不仅繁琐，而且风险大。在桥梁维修保养过程中，为了保证施工安全和质量，需要将桥梁整体提升到一定高度，但是传统的提升方法通常会对桥梁结构造成不小的损害，因此，研发一种能够实现桥梁顶推的智能装置具有重要的应用价值，现有的桥梁液压顶推装置，可以通过控制多支腿顶推机构实现桥梁的升降，然而，这样的装置大多存在顶推控制不够精确、顶推平稳性差、顶推过程易出现波动等问题，并且有线环境下操作桥梁顶推前需大量布线，增加了作业难度和作业时间，若使用无线远程大跨度的桥梁架设作业则会带来无线远距离随机时间延迟对接收数据造成的滞后影响，使控制效果变低。

因此，有必要提供一种无线智能顶推装置及控制系统，来解决上述问题。

发明内容

本发明目的是提供一种无线智能顶推装置及控制系统，通过无线通信模块、伺服驱动器和PLC内置的数据滤波控制多支腿顶推机构的伺服电机，可以实现精确便捷的顶推控制，提高顶推平稳性。

为实现上述目的，本发明提供了一种无线智能顶推装置及控制系统，包括控制箱、滑块连接架、伺服电机、电磁阀组和顶推支腿，所述控制箱、所述伺服电机和所述顶推支腿从左到右依次设置在所述滑块连接架的上表面，所述滑块连接架的下表面设置在移动导轨上，所述移动导轨设置在底座的上表面，所述移动导轨包括横向移动导轨和纵向移动导轨，所述底座的下表面设置有支撑腿，所述伺服电机与所述电磁阀组对称设置，所述顶推支腿设置在所述纵向移动导轨的正上方，所述控制箱与所述伺服电机和所述电磁阀组连接，所述顶推支腿与所述电磁阀组之间设置有纵向移动液压缸，所述伺服电机靠近所述纵向移动液压缸的一侧设置有第一拉线位移传感器，所述顶推支腿的正下方设置有垂直于所述纵向移动液压缸的横向移动液压缸。

优选的，所述控制箱远离所述伺服电机的一侧设置有第二拉线位移传感器，所述控制箱内设置有PLC、伺服驱动器和无线通讯模块。

优选的，两个所述顶推支腿的顶部均设置有轮辐式拉压力传感器；两个所述顶推支腿根据所述横向移动液压缸对称设置，所述纵向移动液压缸与所述纵向移动导轨之间设置有连接件。

优选的，所述伺服电机的两端对称设置有蓄能器，靠近所述控制箱的所述蓄能器与空气过滤器连接，所述伺服电机靠近所述横向移动导轨的一侧设置有电磁阀，所述电磁阀的两侧对称设置有溢流阀，所述伺服电机靠近所述电磁阀组的一侧设置有油口，所述油口的两侧对称设置有第一压力变送器。

优选的，所述电磁阀组的两侧对称设置有第二压力变送器，所述电磁阀组靠近所述横向移动导轨的一侧设置有过滤器。

优选的，所述滑块连接架包括移动滑块和相邻移动滑块之间的连接架，所述移动滑块包括横向移动滑块和纵向移动滑块，所述横向移动滑块设置在所述横向移动导轨上，所述纵向移动滑块设置在所述纵向移动导轨上。

一种无线智能顶推控制系统，包括以下步骤：

S1：通过PLC和伺服驱动器控制伺服电机驱动顶推支腿在水平位置前后左右移动，根据第一拉线位移传感器的反馈将装置调整到合适位置；

S2：通过倾角传感器、伺服电机编码器和轮辐式拉压力传感器采集支腿状态数据，并由无线通讯模块传输到主站PLC，控制多个顶推装置同步顶推和下降；

S3：在主站PLC内部，对传感器和编码器数据进行卡尔曼滤波处理。

优选的，在步骤S3中，具体实施步骤为，

S31：定义变量，包括传感器测量数据、卡尔曼滤波参数、状态估计值和状态估计协方差矩阵；

S32：初始化状态估计值和状态估计协方差矩阵；

S33：循环，在每个时间步长中，执行以下步骤：

a.计算卡尔曼增益矩阵；

b.更新状态估计值和状态估计协方差矩阵；

c.读取下一个传感器测量值；

S34：输出最终的状态估计值和状态估计协方差矩阵；

其中卡尔曼滤波处理使用公式为：

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p(v)～N(0,R)；

其中预测部份公式为

和P_k ^-＝AP_k-1A^T+Q；校正部分公式为

和P_k＝(1-K_kH)P_k ^-；

其中X₁、X₂是实际位置和实际速度，Z₁、Z₂是测量位置和测量速度，P_k是k时刻误差协方差，

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是先验估计位置和先验估计速度，/>

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是后验估计位置和后验估计速度，K_k是卡尔曼增益。

优选的，矩阵的运算功能通过矩阵求和运算功能块、矩阵乘积运算功能块和矩阵求逆运算功能块实现；

矩阵求和运算功能块使用ST语言的内置函数DIM、ARRAY_LEN、UPPER_BOUND和LOWER_BOUND来确定输入和输出矩阵的维数，将自己定义的累加器变量初始化为0，遍历所有矩阵元素时，一个循环来处理所有元素，最后将累加器变量输出到输出参数中；

矩阵乘积运算功能块，将输出结果矩阵的所有元素初始化为零，使用三个嵌套的循环来计算输出矩阵中的每个元素，外层循环按行迭代，内层循环按列迭代，最内层循环计算矩阵乘积的每个元素，并添加到自定义的整型累加器变量中，计算完成后，将结果存储在输出矩阵中；

矩阵求逆运算功能块，矩阵的阶数小于3时，采用克拉默法则求逆，高阶矩阵求逆时，使用ST语言功能块来实现矩阵求逆，使用高斯约旦消元法来求解线性方程组，进而实现矩阵求逆。

因此，本发明采用上述一种无线智能顶推装置及控制系统，具备以下有益效果；

(1)本发明通过无线通信模块、伺服驱动器和PLC内置的数据滤波控制支腿顶推机构的伺服电机，可以实现精确便捷的顶推控制，提高顶推平稳性。

(2)本发明通过由第一拉线位移传感器和第二拉线位移传感器反映装置当前的水平位置，可以精确移动到所需的工作位置。

(3)本发明倾角传感器和轮辐式拉压力传感器共同反映支腿状态，可以更好地控制桥梁的平稳升降。

(4)本发明传感器数据在PLC和伺服驱动器内部进行卡尔曼滤波处理，可以减少传感器噪声和时延不确定性，提高控制系统的稳定性和可靠性，并且无需上位机进行数据处理，减少了控制的复杂程度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的一种无线智能顶推装置的正视图；

图2为本发明的一种无线智能顶推装置的俯视图；

图3为本发明一种无线智能顶推控制系统的控制系统硬件拓扑图；

图4为本发明一种无线智能顶推控制系统的控制系统示意图；

图5为本发明一种无线智能顶推控制系统的主控PLC内置滤波器程序功能块示意图；

图6为本发明一种无线智能顶推控制系统的矩阵求和运算示意图；

图7为本发明一种无线智能顶推控制系统的矩阵乘积运算示意图；

图8为本发明一种无线智能顶推控制系统的矩阵求逆运算示意图；

1、控制箱；2、第二压力变送器；3、电磁阀组；4、伺服电机；5、顶推支腿；6、过滤器；7、蓄能器；8、空气过滤器；9、溢流阀；10、电磁阀；11、第一压力变送器；12、纵向移动滑块；13、第一拉线位移传感器；14、轮辐式拉压力传感器；15、连接件；16、油口；17、纵向移动液压缸；18、横向移动液压缸；19、纵向移动导轨；20、底座；21、横向移动滑块；22、第二拉线位移传感器；23、横向移动导轨；24、支撑腿。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

在本实施案例中，一种无线智能顶推装置及控制系统，如图1-图2所示，包括控制箱1、滑块连接架、伺服电机4、电磁阀组3和顶推支腿5，控制箱1、伺服电机4和顶推支腿5从左到右依次设置在滑块连接架的上表面，滑块连接架的下表面设置在移动导轨上，移动导轨设置在底座20的上表面，移动导轨包括横向移动导轨23和纵向移动导轨19，底座20的下表面设置有支撑腿24，伺服电机4与电磁阀组3对称设置，顶推支腿5设置在纵向移动导轨19的正上方，控制箱1与伺服电机4和电磁阀组3连接，顶推支腿5与电磁阀组3之间设置有纵向移动液压缸17，伺服电机4靠近纵向移动液压缸17的一侧设置有第一拉线位移传感器13，顶推支腿5的正下方设置有垂直于纵向移动液压缸17的横向移动液压缸18。

控制箱1远离伺服电机4的一侧设置有第二拉线位移传感器22，控制箱1内设置有PLC、伺服驱动器和无线通讯模块。

两个顶推支腿5的顶部均设置有轮辐式拉压力传感器14，两个顶推支腿5根据横向移动液压缸18对称设置，纵向移动液压缸17与纵向移动导轨19之间设置有连接件15。

伺服电机4的两端对称设置有蓄能器7，靠近控制箱1的蓄能器7与空气过滤器8连接，伺服电机4靠近横向移动导轨23的一侧设置有电磁阀10，电磁阀10的两侧对称设置有溢流阀9，伺服电机4靠近电磁阀组3的一侧设置有油口16，油口16的两侧对称设置有第一压力变送器11。

电磁阀组3的两侧对称设置有第二压力变送器2，电磁阀组3靠近横向移动导轨23的一侧设置有过滤器6。

滑块连接架包括移动滑块和相邻移动滑块之间的连接架，移动滑块包括横向移动滑块21和纵向移动滑块12，横向移动滑块21设置在横向移动导轨23上，纵向移动滑块12设置在纵向移动导轨19上。

如图3-图5所示，一种无线智能顶推控制系统，包括以下步骤：

S1：通过PLC和伺服驱动器控制伺服电机驱动顶推支腿在水平位置前后左右移动，根据第一拉线位移传感器的反馈将装置调整到合适位置。

S2：通过倾角传感器、伺服电机编码器和轮辐式拉压力传感器采集支腿状态数据，并由无线通讯模块传输到主站PLC，控制多个顶推装置同步顶推和下降。

S3：在主站PLC内部，对传感器和编码器数据进行卡尔曼滤波处理，减少无线时间延迟对数据的干扰，提高数据的精度和稳定性。

在步骤S3中，具体实施步骤为，

S31：定义变量，包括传感器测量数据、卡尔曼滤波参数、状态估计值和状态估计协方差矩阵。

S32：初始化状态估计值和状态估计协方差矩阵。

S33：循环，在每个时间步长中，执行以下步骤：

a.计算卡尔曼增益矩阵。

b.更新状态估计值和状态估计协方差矩阵。

c.读取下一个传感器测量值。

S34：输出最终的状态估计值和状态估计协方差矩阵。

其中卡尔曼滤波处理使用公式为：

p(w)～N(0,R)和/>

p(v)～N(0,R)。

其中预测部份公式为

和P_k ^-＝AP_k-1A^T+Q；校正部分公式为

和P_k＝(1-K_kH)P_k ^-。

其中X₁、X₂是实际位置和实际速度，Z₁、Z₂是测量位置和测量速度，P_k是k时刻误差协方差，

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是先验估计位置和先验估计速度，/>

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是后验估计位置和后验估计速度，K_k是卡尔曼增益。

如图6-图8所示，矩阵的运算功能通过矩阵求和运算功能块、矩阵乘积运算功能块和矩阵求逆运算功能块实现。

矩阵求和运算功能块使用ST语言的内置函数DIM、ARRAY_LEN、UPPER_BOUND和LOWER_BOUND来确定输入和输出矩阵的维数，将自己定义的累加器变量初始化为0，遍历所有矩阵元素时，一个循环来处理所有元素，最后将累加器变量输出到输出参数中。

矩阵乘积运算功能块，将输出结果矩阵的所有元素初始化为零，使用三个嵌套的循环来计算输出矩阵中的每个元素，外层循环按行迭代，内层循环按列迭代，最内层循环计算矩阵乘积的每个元素，并添加到自定义的整型累加器变量中，计算完成后，将结果存储在输出矩阵中。

矩阵求逆运算功能块，矩阵的阶数小于3时，采用克拉默法则求逆，高阶矩阵求逆时，使用ST语言功能块来实现矩阵求逆，使用高斯约旦消元法来求解线性方程组，实现矩阵求逆。

实施例

主程序中对于卡尔曼滤波部分的一个例程：

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因此，本发明采用上述提出一种无线智能顶推装置及控制系统，通过无线通信模块、伺服驱动器和PLC内置的数据滤波控制多支腿顶推机构的伺服电机，可以实现精确便捷的顶推控制，提高顶推平稳性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种无线智能顶推装置，其特征在于：包括控制箱、滑块连接架、伺服电机、电磁阀组和顶推支腿，所述控制箱、所述伺服电机和所述顶推支腿从左到右依次设置在所述滑块连接架的上表面，所述滑块连接架的下表面设置在移动导轨上，所述移动导轨设置在底座的上表面，所述移动导轨包括横向移动导轨和纵向移动导轨，所述底座的下表面设置有支撑腿，所述伺服电机与所述电磁阀组对称设置，所述顶推支腿设置在所述纵向移动导轨的正上方，所述控制箱与所述伺服电机和所述电磁阀组连接，所述顶推支腿与所述电磁阀组之间设置有纵向移动液压缸，所述伺服电机靠近所述纵向移动液压缸的一侧设置有第一拉线位移传感器，所述顶推支腿的正下方设置有垂直于所述纵向移动液压缸的横向移动液压缸。

2.根据权利要求1中所述的一种无线智能顶推装置，其特征在于：所述控制箱远离所述伺服电机的一侧设置有第二拉线位移传感器，所述控制箱内设置有PLC、伺服驱动器和无线通讯模块。

3.根据权利要求1中所述的一种无线智能顶推装置，其特征在于：两个所述顶推支腿的顶部均设置有轮辐式拉压力传感器；两个所述顶推支腿根据所述横向移动液压缸对称设置，所述纵向移动液压缸与所述纵向移动导轨之间设置有连接件。

4.根据权利要求1中所述的一种无线智能顶推装置，其特征在于：所述伺服电机的两端对称设置有蓄能器，靠近所述控制箱的所述蓄能器与空气过滤器连接，所述伺服电机靠近所述横向移动导轨的一侧设置有电磁阀，所述电磁阀的两侧对称设置有溢流阀，所述伺服电机靠近所述电磁阀组的一侧设置有油口，所述油口的两侧对称设置有第一压力变送器。

5.根据权利要求1中所述的一种无线智能顶推装置，其特征在于：所述电磁阀组的两侧对称设置有第二压力变送器，所述电磁阀组靠近所述横向移动导轨的一侧设置有过滤器。

6.根据权利要求1中所述的一种无线智能顶推装置，其特征在于：所述滑块连接架包括移动滑块和相邻移动滑块之间的连接架，所述移动滑块包括横向移动滑块和纵向移动滑块，所述横向移动滑块设置在所述横向移动导轨上，所述纵向移动滑块设置在所述纵向移动导轨上。

7.一种无线智能顶推控制系统，其特征在于：包括以下步骤：

S1：通过PLC和伺服驱动器控制伺服电机驱动顶推支腿在水平位置前后左右移动，根据第一拉线位移传感器的反馈将装置调整到合适位置；

S2：通过倾角传感器、伺服电机编码器和轮辐式拉压力传感器采集支腿状态数据，并由无线通讯模块传输到主站PLC，控制多个顶推装置同步顶推和下降；

S3：在主站PLC内部，对传感器和编码器数据进行卡尔曼滤波处理。

8.根据权利要求7中所述的一种无线智能顶推控制系统，其特征在于：在步骤S3中，具体实施步骤为，

S31：定义变量，包括传感器测量数据、卡尔曼滤波参数、状态估计值和状态估计协方差矩阵；

S32：初始化状态估计值和状态估计协方差矩阵；

S33：循环，在每个时间步长中，执行以下步骤：

a.计算卡尔曼增益矩阵；

b.更新状态估计值和状态估计协方差矩阵；

c.读取下一个传感器测量值；

S34：输出最终的状态估计值和状态估计协方差矩阵；

其中卡尔曼滤波处理使用公式为：

p(w)～N(0,R)和/>

p(v)～N(0,R)；

其中预测部份公式为

和/>

校正部分公式为

和P_k＝(1-K_kH)P_k ^-；

其中X₁、X₂是实际位置和实际速度，Z₁、Z₂是测量位置和测量速度，P_k是k时刻误差协方差，

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是先验估计位置和先验估计速度，/>

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是后验估计位置和后验估计速度，K_k是卡尔曼增益。

9.根据权利要求8中所述的一种无线智能顶推控制系统，其特征在于：矩阵的运算功能通过矩阵求和运算功能块、矩阵乘积运算功能块和矩阵求逆运算功能块实现；

矩阵求和运算功能块使用ST语言的内置函数DIM、ARRAY_LEN、UPPER_BOUND和LOWER_BOUND来确定输入和输出矩阵的维数，将自己定义的累加器变量初始化为0，遍历所有矩阵元素时，一个循环来处理所有元素，最后将累加器变量输出到输出参数中；

矩阵乘积运算功能块，将输出结果矩阵的所有元素初始化为零，使用三个嵌套的循环来计算输出矩阵中的每个元素，外层循环按行迭代，内层循环按列迭代，最内层循环计算矩阵乘积的每个元素，并添加到自定义的整型累加器变量中，计算完成后，将结果存储在输出矩阵中；

矩阵求逆运算功能块，矩阵的阶数小于3时，采用克拉默法则求逆，高阶矩阵求逆时，使用ST语言功能块来实现矩阵求逆，使用高斯约旦消元法来求解线性方程组，实现矩阵求逆。

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