CN116902800A - 一种管道支吊架主动控制系统、方法及全局协同系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管道支吊架主动控制系统、方法及全局协同系统，包括：控制器、执行器和传感器；所述执行器的一端铰接在固定基座上，所述执行器的另一端铰接在管道支吊架的支架长臂端；所述控制器用于：接收所述传感器采集的所述管道支吊架的目标部件的当前形变量；根据所述目标部件处的预设形变量和当前形变量，得到当前控制量；根据所述当前控制量，控制所述执行器的伸缩，以实现对所述管道支吊架的动态控制。本发明能够对管道支吊架进行主动控制，提高了管道支吊架的控制性能，同时采用多个管道支吊架，还可以对整个管道进行全局协同控制。

Description

一种管道支吊架主动控制系统、方法及全局协同系统
技术领域
本发明涉及机电控制技术领域，尤其涉及一种管道支吊架主动控制系统、方法及全局协同系统。
背景技术
管道支吊架广泛应用于建筑、化工、核能、电站等工业管道领域。当管道为热的或冷的流体时，管壁金属温度变化使得管道在垂直或水平方向发生位移，从而引起管道支点的变位。若支点刚性支架，使管道产生过大的力和应力，将会妨碍管段变位或脱离，甚至通过管道系统将力或应力传递到相连设备或泵组，造成污染、泄漏、爆炸等安全问题。
管道支吊架分为固定支吊架、可变弹簧支吊架、恒力支吊架等。后两者的主要柔性器件是弹簧。其作用包括：1)承受管道的重量荷载(如自重、介质重等)；2)限制管道位移，阻止管道发生非预期方向的位移；3)控制振动，用来控制摆动振动。
以上管道支吊架价格低廉，工作稳定，寿命较长，但其问题是：1)需要根据负载进行严格的计算和调节，一旦负载发生变化或设置不准确，可能失去原有作用。2)支吊架虽然有可变弹簧和恒力方式，但即使计算准确，实际都有一定误差或水平平移，仍然会有应力或位置变化。3)无法满足更快的响应，仅能满足静态的的支吊需求，当有低频振动时效果不佳。
因此，亟需提供一种技术方案解决上述问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种管道支吊架主动控制系统、方法及全局协同系统。
本发明的一种管道支吊架主动控制系统的技术方案如下：
包括：控制器、执行器和传感器；所述执行器的一端铰接在固定基座上，所述执行器的另一端铰接在管道支吊架的支架长臂端；所述控制器用于：
接收所述传感器采集的所述管道支吊架的目标部件的当前形变量；
根据所述目标部件处的预设形变量和当前形变量，得到当前控制量；
根据所述当前控制量，控制所述执行器的伸缩，以实现对所述管道支吊架的动态控制。
本发明的一种管道支吊架主动控制系统的有益效果如下：
本发明的系统能够对管道支吊架进行主动控制，提高了管道支吊架的控制性能。
在上述方案的基础上，本发明的一种管道支吊架主动控制系统还可以做如下改进。
进一步，所述目标部件为：所述管道支吊架的支点或所述固定基座与所述支架长臂端之间的弹簧；
当所述目标部件为所述支点时，所述当前形变量为当前支点角度值；
当所述目标部件为所述弹簧时，所述当前形变量为当前弹簧拉力值。
进一步，所述控制器具体用于：
利用预设算法，并根据预设角度值和所述当前支点角度值，生成用于调节角度差值的所述当前控制量；或，利用所述预设算法，并根据预设拉力值和所述当前弹簧拉力值，生成用于调节拉力差值的所述当前控制量；其中，所述预设算法为：PID算法、模型预测算法或智能控制算法。
进一步，还包括：电源模块；所述电源模块分别为所述传感器、所述控制器和所述执行器供电。
进一步，所述执行器为：螺纹丝杠电机、液压杆或空气弹簧。
本发明的一种管道支吊架主动控制方法的技术方案如下：
接收传感器采集的管道支吊架的目标部件的当前形变量；
根据所述目标部件处的预设形变量和当前形变量，得到当前控制量；
根据所述当前控制量，控制执行器的伸缩，以实现对所述管道支吊架的动态控制；其中，所述执行器的一端铰接在固定基座上，所述执行器的另一端铰接在所述管道支吊架的支架长臂端。
本发明的一种管道支吊架主动控制方法的有益效果如下：
本发明的方法能够对管道支吊架进行主动控制，提高了管道支吊架的控制性能。
在上述方案的基础上，本发明的一种管道支吊架主动控制方法还可以做如下改进。
进一步，所述目标部件为：所述管道支吊架的支点或所述固定基座与所述支架长臂端之间的弹簧；
当所述目标部件为所述支点时，所述当前形变量为当前支点角度值；
当所述目标部件为所述弹簧时，所述当前形变量为当前弹簧拉力值。
本发明的一种管道支吊架的技术方案如下：
本发明的一种管道支吊架采用如本发明的管道支吊架主动控制系统。
本发明的一种管道支吊架的有益效果如下：
本发明的管道支吊架能够进行主动控制与调节，相比于传统的管道支吊架，提高了控制性能。
本发明的一种管道支吊架全局协同控制系统的技术方案如下：
包括上位机和多个如本发明的管道支吊架主动控制系统；每个管道支吊架主动控制系统均安装设置在目标管道上；所述上位机用于：
接收每个管道支吊架主动控制系统对应的管道支吊架的当前形变量；
根据所述目标管道的当前管道参数和每个当前形变量，分别确定每个管道支吊架主动控制系统对应的管道支吊架的当前控制量，以通过每个管道支吊架主动控制系统对应的控制器控制相应的执行器的伸缩，实现对所述目标管道上的每个管道支吊架的动态控制。
本发明的一种管道支吊架全局协同控制系统的有益效果如下：
本发明的系统能够优化整体控制的性能，降低了因人工操作所造成的误差，提高了管道支吊架协同控制的精准度。
本发明的一种管道支吊架全局协同控制方法的技术方案如下：
接收目标管道的每个管道支吊架主动控制系统对应的管道支吊架的当前形变量；
根据所述目标管道的当前管道参数和每个当前形变量，分别确定每个管道支吊架主动控制系统对应的管道支吊架的当前控制量，以通过每个管道支吊架主动控制系统对应的控制器控制相应的执行器的伸缩，实现对所述目标管道上的每个管道支吊架的动态控制。
本发明的一种管道支吊架全局协同控制方法的有益效果如下：
本发明的方法能够优化整体控制的性能，降低了因人工操作所造成的误差，提高了管道支吊架协同控制的精准度。
附图说明
图1示出了本发明提供的一种管道支吊架主动控制系统的实施例的第一结构示意图；
图2示出了本发明提供的一种管道支吊架主动控制系统的实施例的第二结构示意图；
图3示出了本发明提供的一种管道支吊架主动控制系统的实施例的第三结构示意图；
图4示出了本发明提供的一种管道支吊架主动控制系统的实施例的第四结构示意图；
图5示出了本发明提供的一种管道支吊架主动控制方法的实施例的流程示意图；
图6示出了本发明提供的一种管道支吊架全局协同控制系统的实施例的结构示意图；
图7示出了本发明提供的一种管道支吊架全局协同控制方法的实施例的流程示意图。
具体实施方式
图1示出了本发明提供的一种管道支吊架主动控制系统的实施例的结构示意图。如图1所示，该系统100包括：控制器110、执行器120和传感器130。
其中，①控制器110可采用各类小型专用嵌入式计算机，也可以采用PC机、PLC或控制网络等，在此不设限制。②控制器110通过电气信号分别与执行器120和传感器130进行连接。③执行器120采用螺纹丝杠电机、液压杆或空气弹簧等装置，以接收控制器110的信号，并执行相应的动作。④执行器120的一端铰接在固定基座上，执行器120的另一端铰接在管道支吊架的支架长臂端。⑤传感器130可采用接触式角度传感器、位移应力传感器、拉力传感器和非接触传感器(如：光电传感器和视觉传感器)等。
需要说明的是，在控制器和执行器之间，可设置一个驱动器，以使驱动器驱动执行器120运行。例如，当执行器120采用螺纹丝杠电机时，通过驱动驱动器(变流器)可以驱动电机旋转，从而达到预定位置或者实现一定频率的速度或力的控制。
所述控制器110用于：
接收所述传感器130采集的所述管道支吊架的目标部件的当前形变量。
其中，①管道支吊架采用恒力支吊架或弹簧支吊架。每种类型的管道支吊架包括“全主动控制”和“机械弹簧+主动控制”。如图1所示，本实施例中默认以恒力支吊架(机械弹簧+主动控制)为例。②管道支吊架包括：弹簧、支点、支架和拉杆等。③图2示出了全主动控制的恒力支吊架，图3示出了全主动控制的弹簧支吊架，图4示出了机械弹簧+主动控制的弹簧支吊架。④目标部件为：管道支吊架的支点或固定基座与支架长臂端之间的弹簧。⑤当目标部件为支点时，当前形变量为当前支点角度值。当目标部件为弹簧时，当前形变量为当前弹簧拉力值。
需要说明的是，①采用设置在管道支吊架的支点处的接触式角度传感器采集当前支点角度值；该支点为可旋转的支点，铰接在固定基座上。②采用拉力传感器采集弹簧处的当前弹簧拉力值。
根据所述目标部件处的预设形变量和当前形变量，得到当前控制量。
具体地，利用预设算法，并根据预设角度值和所述当前支点角度值，生成用于调节角度差值的所述当前控制量；或，利用所述预设算法，并根据预设拉力值和所述当前弹簧拉力值，生成用于调节拉力差值的所述当前控制量。
其中，预设算法为：PID算法、模型预测算法或智能控制算法。
需要说明的是，①以PID算法为例，根据预设角度值和当前支点角度值之间的角度差值，进行控制解算，采用PID(比例-积分-微分)算法，计算生成当前控制量，并根据当前控制量，控制执行器120的伸长或缩短(控制执行器120的形变量，如向外推动支架或向内拉动支架)，以实现对所述管道支吊架的动态控制。②采用PID算法生成控制量的具体过程为现有技术，在此不过多赘述。③控制器110还可以与上位机通信，将相关数据进行上传。④执行器120运行至既定位置后，即进行静态锁定。或者设置自动程序，在当前的位置或力达到一定稳定程度后自动锁定，在超出一定范围内重新自自动调整方式。
较优地，还包括：电源模块140。
所述电源模块140分别为所述传感器130、所述控制器110和所述执行器120供电。
其中，电源模块140用于将市电220V和50Hz变换为直流28V、5V、正负15V等电源，分别为传感器130、控制器110和执行器120供电。
需要说明的是，电源的功率计算与支吊架的出力有关，功率＝速度×拉力。在全主动控制的管道支吊架中，拉力完全依靠电能转化，因此需要拉力较高；在半主动控制(机械弹簧+主动控制)中，拉力大部分是靠弹簧承担，所以需要拉力较低。在电机选型时也是只要能满足最大力的余量即可。
本实施例的技术方案能够补偿管道支吊架的弹簧刚度，使拉力或位置调节更准确；当静态负载变化或不准确时，自动调节配置负载力；当负载动态变化或振动时，起到调节阻尼和主动减振降噪的效果；能够对管道支吊架进行主动控制，提高了管道支吊架的控制性能。
图5示出了本发明提供的一种管道支吊架主动控制方法的实施例的流程示意图。如图5所示，该方法包括如下步骤：
步骤210：接收传感器采集的管道支吊架的目标部件的当前形变量。
步骤220：根据所述目标部件处的预设形变量和当前形变量，得到当前控制量。
步骤230：根据所述当前控制量，控制执行器的伸缩，以实现对所述管道支吊架的动态控制；其中，所述执行器的一端铰接在固定基座上，所述执行器的另一端铰接在所述管道支吊架的支架长臂端。
较优地，所述目标部件为：所述管道支吊架的支点或所述固定基座与所述支架长臂端之间的弹簧；
当所述目标部件为所述支点时，所述当前形变量为当前支点角度值；
当所述目标部件为所述弹簧时，所述当前形变量为当前弹簧拉力值。
本实施例的技术方案能够补偿管道支吊架的弹簧刚度，使拉力或位置调节更准确；当静态负载变化或不准确时，自动调节配置负载力；当负载动态变化或振动时，起到调节阻尼和主动减振降噪的效果；能够对管道支吊架进行主动控制，提高了管道支吊架的控制性能。
上述关于本实施例的一种管道支吊架主动控制方法中的的各参数和步骤，可参考上文中关于一种管道支吊架主动控制系统100的实施例中的各参数和各个模块实现相应功能，在此不做赘述。
本发明实施例提供的一种管道支吊架，包括本发明的一种管道支吊架主动控制系统，具体可参考上文中提供的一种管道支吊架主动控制系统的实施例中的各参数和模块，在此不做赘述。
图6示出了本发明提供的一种管道支吊架全局协同控制系统的实施例的结构示意图。如图6所示，该系统300包括：上位机310和多个管道支吊架主动控制系统100。
其中，①每个管道支吊架主动控制系统100均通过现场总线网络连接到上位机310上，每个管道支吊架主动控制系统100的控制器110上装有协同控制软件。②每个管道支吊架主动控制系统100均安装设置在目标管道320上。
需要说明的是，网络的连接方式可以采用总线型网络，也可以采用交换式网络，介质可以采用光纤或电缆、无线或有线等网络方式。
所述上位机310用于：
接收每个管道支吊架主动控制系统100对应的管道支吊架的当前形变量。
根据所述目标管道320的当前管道参数和每个当前形变量，分别确定每个管道支吊架主动控制系统100对应的管道支吊架的当前控制量，以通过每个管道支吊架主动控制系统100对应的控制器110控制相应的执行器120的伸缩，实现对所述目标管道上320的每个管道支吊架的动态控制。
需要说明的是，①当前管道参数包括但不限于：流体、流速、压力、温度等参数，以及通过有限元仿真或经验值预估整个管道的形变情况。②计算当前每个管道支吊架的预紧拉力和形变位置的设置。采用优化分配算法，以n个管道支吊架的整体形变量最少、最大形变量最小或者功率最低等方式进行优化，给出每个管道支吊架的预设位置(预设形变量)的最优解。其中，优化算法不限，需要根据管道的力学结构特性和n个支吊架管道的位置情况统一计算。③上位机310根据管道支吊架的实际位置和拉力信息(当前形变值)，与预设形变值进行对比，继续进行调节。调节分为两种：1)手工调节：一般一次到位，依靠离线的力学专业分析，评估原来的分配方式执行情况是否符合预期，手工发送指令进行微调。2)动态调节：根据当前情况，与设定的管道位置(预设形变量)不符时，根据误差再次进行调节，可以采用PID等闭环控制算法。其中，动态调节的时间可以设置为长周期和短周期：长周期与人工调节类似，而短周期需要有一定的网络实时性，例如可以完成100ms一次的闭环，有一定个主动隔振效果。
本实施例的技术方案能够优化整体控制的性能，降低了因人工操作所造成的误差，提高了管道支吊架协同控制的精准度。
图7示出了本发明提供的一种管道支吊架全局协同控制方法的实施例的流程示意图。如图7所示，该方法包括如下步骤：
步骤410：接收目标管道的每个管道支吊架主动控制系统对应的管道支吊架的当前形变量；其中，管道支吊架主动控制系统为本发明的管道支吊架主动控制系统。
步骤420：根据所述目标管道的当前管道参数和每个当前形变量，分别确定每个管道支吊架主动控制系统对应的管道支吊架的当前控制量，以通过每个管道支吊架主动控制系统对应的控制器控制相应的执行器的伸缩，实现对所述目标管道上的每个管道支吊架的动态控制。
本实施例的技术方案能够优化整体控制的性能，降低了因人工操作所造成的误差，提高了管道支吊架协同控制的精准度。
上述关于本实施例的一种管道支吊架全局协同控制方法中的的各参数和步骤，可参考上文中关于一种管道支吊架全局协同控制系统300的实施例中的各参数和各个模块实现相应功能，在此不做赘述。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。其中，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。上述实施例中的步骤，除有特殊说明外，不应理解为对执行顺序的限定。

Claims (10)

1.一种管道支吊架主动控制系统，其特征在于，包括：控制器、执行器和传感器；所述执行器的一端铰接在固定基座上，所述执行器的另一端铰接在管道支吊架的支架长臂端；所述控制器用于：
接收所述传感器采集的所述管道支吊架的目标部件的当前形变量；
根据所述目标部件处的预设形变量和当前形变量，得到当前控制量；
根据所述当前控制量，控制所述执行器的伸缩，以实现对所述管道支吊架的动态控制。
2.根据权利要求1所述的管道支吊架主动控制系统，其特征在于，所述目标部件为：所述管道支吊架的支点或所述固定基座与所述支架长臂端之间的弹簧；
当所述目标部件为所述支点时，所述当前形变量为当前支点角度值；
当所述目标部件为所述弹簧时，所述当前形变量为当前弹簧拉力值。
3.根据权利要求2所述的管道支吊架主动控制系统，其特征在于，所述控制器具体用于：
利用预设算法，并根据预设角度值和所述当前支点角度值，生成用于调节角度差值的所述当前控制量；或，利用所述预设算法，并根据预设拉力值和所述当前弹簧拉力值，生成用于调节拉力差值的所述当前控制量；其中，所述预设算法为：PID算法、模型预测算法或智能控制算法。
4.根据权利要求1-3任一项所述的管道支吊架主动控制系统，其特征在于，还包括：电源模块；所述电源模块分别为所述传感器、所述控制器和所述执行器供电。
5.根据权利要求1-3任一项所述的管道支吊架主动控制系统，其特征在于，所述执行器为：螺纹丝杠电机、液压杆或空气弹簧。
6.一种管道支吊架主动控制方法，其特征在于，包括：
接收传感器采集的管道支吊架的目标部件的当前形变量；
根据所述目标部件处的预设形变量和当前形变量，得到当前控制量；
根据所述当前控制量，控制执行器的伸缩，以实现对所述管道支吊架的动态控制；其中，所述执行器的一端铰接在固定基座上，所述执行器的另一端铰接在所述管道支吊架的支架长臂端。
7.根据权利要求6所述的管道支吊架主动控制方法，其特征在于，所述目标部件为：所述管道支吊架的支点或所述固定基座与所述支架长臂端之间的弹簧；
当所述目标部件为所述支点时，所述当前形变量为当前支点角度值；
当所述目标部件为所述弹簧时，所述当前形变量为当前弹簧拉力值。
8.一种管道支吊架，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的管道支吊架主动控制系统。
9.一种管道支吊架全局协同控制系统，其特征在于，包括：上位机和多个如权利要求1-5任一项所述的管道支吊架主动控制系统；每个管道支吊架主动控制系统均安装设置在目标管道上；所述上位机用于：
接收每个管道支吊架主动控制系统对应的管道支吊架的当前形变量；
根据所述目标管道的当前管道参数和每个当前形变量，分别确定每个管道支吊架主动控制系统对应的管道支吊架的当前控制量，以通过每个管道支吊架主动控制系统对应的控制器控制相应的执行器的伸缩，实现对所述目标管道上的每个管道支吊架的动态控制。
10.一种管道支吊架全局协同控制方法，其特征在于，包括：
接收目标管道的每个管道支吊架主动控制系统对应的管道支吊架的当前形变量；其中，管道支吊架主动控制系统为如权利要求1-5任一项所述的管道支吊架主动控制系统；
根据所述目标管道的当前管道参数和每个当前形变量，分别确定每个管道支吊架主动控制系统对应的管道支吊架的当前控制量，以通过每个管道支吊架主动控制系统对应的控制器控制相应的执行器的伸缩，实现对所述目标管道上的每个管道支吊架的动态控制。
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