王博++付思峰++周衛(wèi)東

【摘 要】本文對壓樁機邊樁工作的自動調(diào)平系統(tǒng)進行了研究分析以及仿真，討論了自動調(diào)平難度較高、對壓樁機支腿結(jié)構(gòu)等進行研究解決其負(fù)荷重的問題、引入了液壓控制技術(shù)，筆者為了最大限度的消除負(fù)載的干擾，認(rèn)為對干擾力的進行實時監(jiān)控預(yù)測并提前補償，然后建立壓裝機的自動調(diào)平系統(tǒng)，最后經(jīng)過仿真后，證明所提出的一系列理論都有利于邊樁機自動調(diào)平的實現(xiàn)，為系統(tǒng)設(shè)計的改進提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】邊樁機；自動調(diào)平；仿真

The automatic leveling system on the pile pressing machine side piling work to carry on the research analysis and simulation

Wang Bo，F(xiàn)u Si-feng，Zhou Wei-dong

（Henan Aero Geophysics and Remote Sensing Center Zhengzhou Henan 450053）

【Abstract】In this paper， the automatic leveling system on the pile pressing machine side piling work to carry on the research analysis and simulation， discusses the automatic leveling difficulty is higher， on the pile pressing machine leg structure were studied to solve the problem of heavy load， introduces the hydraulic control technology， in order to pass on these problems to improve the press mounting process machine efficiency. The author in order to eliminate the interference load maximum， think of the real-time monitoring and compensation to the disturbance force prediction in advance， and then establish the automatic leveling system of pressing machine， finally through the simulation， a series of theoretical proof of the proposed are conducive to the realization of automatic leveling side pile machine， and provides a theoretical basis for the the improved system design.

【Key words】Paper；Discusses；Fong zhen

1. 序言

全液壓靜力壓樁機是一種可以快速平穩(wěn)而安靜地把預(yù)制樁壓入地基新型壓樁機，采用的技術(shù)是高壓油所產(chǎn)生的強大的靜壓力，自動調(diào)平對壓樁機來說是極為重要的一個技術(shù)，替換了原來的人工調(diào)整操作，有利于較高水平的調(diào)整壓裝機機身的平穩(wěn)性，使得將要被壓入地基的預(yù)制樁與地面保值垂直，由此來提高壓裝機的工作效率。但在壓樁機邊樁實際的工作過程中，由于各個支腿承受者較多的干擾，用傳統(tǒng)方法控制根本無法將支腿干擾引起的誤差抵消掉，其實自動調(diào)平是不容易實現(xiàn)的，為了解決這個問題，筆者基于Matlab仿真軟件，在文中提出了狀態(tài)觀測器補償干擾的方法，從支腿的液壓系統(tǒng)和壓樁機平臺為接入點，建立了機液耦合的壓樁機自動調(diào)平模型，經(jīng)過仿真，我們發(fā)現(xiàn)，要想消除支腿干擾引起的誤差并實現(xiàn)壓裝機的自動調(diào)平目標(biāo)以提高其工作效率，狀態(tài)觀測臺系統(tǒng)的補償作用具有顯著的效果。

圖1 250噸的全液壓靜力壓樁機

2. 壓樁機平臺仿真模型的建立

（1）筆者以250噸的全液壓靜力壓樁機（如下圖1所示）為討論對象，系統(tǒng)中的自動調(diào)平系統(tǒng)模型是由4個統(tǒng)一規(guī)格的升降式支腿液壓缸支撐形成的并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，邊樁工作啟動之前，為了保證工作的穩(wěn)定配，重就會在機身平臺上向著邊樁機構(gòu)的方向移動，使機身的重心偏向于之。

（2）通過對壓樁機工作原理的分析，我們建立了壓樁機的由4條支腿和平臺組成的機身平臺模型。此模型的主要組成部分是圖中看到的四條起支撐作用的腿架和一個平臺，其中，包含了慣性張量、質(zhì)量、連接副和平臺的形狀幾個因素，根據(jù)邊樁機的特點可以知道，模型的重心是可以隨機地選擇的。

3. 液壓系統(tǒng)模型的建立

3.1 自動調(diào)平系統(tǒng)有一個關(guān)鍵性的決定因素——支腿液壓系統(tǒng)，所以，為了保證調(diào)平系統(tǒng)的有效工作，必須對液壓系統(tǒng)模型的建立必須有一個準(zhǔn)確標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的要求，介于液壓系統(tǒng)的四個支腿具有統(tǒng)一的規(guī)格，本文只針對其中一支進行建模。壓樁機邊樁工作時需要各個支腿的控制信號按照一定的比例呈上升趨勢，為了實現(xiàn)由于每個支腿架自身的負(fù)重干擾引起的輸出控制閥的流量的干擾的最小化，在本次的模型建立工作中，我們選擇了Atos QVKZOR-A-10的流量閥控制每一個液壓缸，支腿閥控制的液壓缸的函數(shù)模型是：

x= Q1 AK - FL AK 2 [V04βes+Ct] s（s2ωh2+2ξhωhs+1） （1）

其中， x表示支腿上的油缸內(nèi)的活塞位移值， AK 表示油缸的無桿腔面積， FL表示負(fù)載干擾，V0表示油缸上升的容積的等效值， βe表示彈性模量， Ct表示漏損系數(shù)， ωh表示閥門對液壓缸的控制頻率， ξh表示液壓缸阻尼綜合值。endprint

流量閥控制支腿信號的函數(shù)為：

WV（s） = Q1 U

=KV s2ωv2+2δvωv+1 （2）

其中 Q1表示流量閥的輸出量， U表示控制器端的電壓輸出值， KV 表示流量閥的放大比例值， ωv表示流量閥的工作頻率， δv示流量閥阻尼比值。

3.2 接下來對液壓系統(tǒng)的響應(yīng)進行簡要的分析。壓樁機邊樁工作的過程中，系統(tǒng)的平臺的重心會有所偏移，根據(jù)力學(xué)原理的推論計算，發(fā)現(xiàn)，1號和2號支腿架所受到的負(fù)載壓力要遠遠小于另外兩條支腿架所受的負(fù)載壓力，在這種情況下，液壓系統(tǒng)的響應(yīng)的主要影響因素是支腿受到的來自于負(fù)載壓力的干擾，為了將這種干擾的影響力降到最低，可以借用PID進行系統(tǒng)的控制和調(diào)整，只要將各個參數(shù)調(diào)整到合適的范圍，就可以使液壓系統(tǒng)的支腿液壓缸的輸出值在少于兩秒的時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差自然不復(fù)存在。不過由于在系統(tǒng)的響應(yīng)初期，1號支腿和2號支腿與另外兩條支腿的初調(diào)值具有很大的差距，如果在初始角比較大的情況下，支腿輸入的信號差距越大，那么初期響應(yīng)的超調(diào)值也越大，自動平衡實現(xiàn)的難度會相應(yīng)的增加，PID的作用越加明顯和突出，在壓樁機邊樁實現(xiàn)自動平衡調(diào)節(jié)中具有重要的意義。

4. 如何用狀態(tài)觀測器補償干擾損失

關(guān)于干擾力對液壓調(diào)平系統(tǒng)的影響的補償，現(xiàn)在大多數(shù)施工采取的都是利用傳感器先將誤差值測量出來然后再通過液壓系統(tǒng)消除之，是一種前饋補償?shù)霓k法，可以壓樁機邊樁工作過程中，往往是比較隨地擺放配重的位置以保證壓樁機的工作效率，這就使得誤差值得測量變得尤為復(fù)雜，可行性大大降低，為了解決這一問題，筆者引入了狀態(tài)觀測法，將干擾的前饋補償調(diào)整為實時的。

4.1 設(shè)計思路。

從圖3的支腿液壓系統(tǒng)的框圖可以得到以下方程組：

=AX+BU+B'FL ' （3）

Y=CX

設(shè) FL是狀態(tài)變量，那么增廣系統(tǒng)為

FL=0 0B' AFLX+0BU （4）

Y=[0 C]FLX

圖2 壓樁機邊樁工作的自動調(diào)平系統(tǒng)的仿真模型

4.2 補償方法。

從狀態(tài)觀測器中我們可以得到干擾力的值，若想消除干擾就必須滿足以下式，

L'·WE（S） WV（S） WC（S） - FL' WC（S） =0 （5）

其中 WV（S） 表示流量閥， WC（S） 表示流量閥控制液缸的模型， WV（S） 表示干擾傳遞的模型， WE（S） 表示前饋補償器。

首先確定兩條支腿的重量分別是30噸，另外兩條支腿的重量分別為95噸，通過對Matlab軟件上的仿真結(jié)果的分析，可以知道，利用狀態(tài)觀測器對干擾進行補償后，干擾力對壓樁機負(fù)載的干擾效果有了很大的改善，各條支腿的輸出值都趨于一致或者只是存在極小的誤差，由此可見，要想實現(xiàn)壓樁機邊樁工作的自動調(diào)平系統(tǒng)的正常工作，轉(zhuǎn)臺觀測器的運用具有跨時代的意義。

5. 對系統(tǒng)仿真的分析

（1）經(jīng)過了前文復(fù)雜的分析與討論，筆者最終確立了壓樁機邊樁工作的自動調(diào)平系統(tǒng)的仿真模型，如下圖2所示。

（2）由于壓裝機機身重量的原因?qū)е缕渚哂泻軓姷膽T性，再加上液壓系統(tǒng)本身的條件限制，我們采取的液壓支腿控制原則是有升無降，與此同時，調(diào)平過程還要求兩條支腿一起運作，因為這樣可以預(yù)防整個過程中虛腿的發(fā)生，使調(diào)平系統(tǒng)可以穩(wěn)定有序的工作，具體操作就是：將兩條最低的支腿調(diào)整在同一個水平高度，使其初始角度均為5度。

（3）為了方便在仿真過程中順利地實現(xiàn)壓樁機機身平臺與支腿之間的液壓平衡控制，就將機身平臺的各支腿的質(zhì)量和流量閥的控制系統(tǒng)的輸出速度做了一定的耦合。

（4）然后，再分別用PID控制技術(shù)和狀態(tài)觀測器對干擾的補償方法進行仿真分析，比較兩種方法的不同，通過仿真我們可以發(fā)現(xiàn)，如果采用PID進行干擾力的消除工作，自動調(diào)平的時候平臺會在兩個方向之間來回晃動，穩(wěn)定性極差，自然也不能夠促進調(diào)平工作的順利展開，而采用狀態(tài)觀測法則完全不同，兩條最低的支腿可以再30秒內(nèi)達到平衡狀態(tài)，實現(xiàn)了壓樁機邊樁工作的自動調(diào)平。

6. 結(jié)束語

本文以直推的液壓系統(tǒng)和壓樁機的機身平臺為切入點，完成了壓樁機邊樁工作過程中的自動調(diào)平模型的建立。在對虛腿進行分析的到時候，對憑條的負(fù)載條件予以了規(guī)定，關(guān)于如何消除支腿負(fù)載的干擾力，筆者認(rèn)為由于兩條支腿之間的負(fù)載差距太大，使最終的輸出值不一致，影響了自動調(diào)平的效果，所以提出了以狀態(tài)觀測法為基礎(chǔ)的干擾補償理論并建立了模型，分別對支腿進行補償，然后又通過Matlab仿真軟件，對所建立的模型進行了仿真驗證，最終認(rèn)為，當(dāng)負(fù)載的干擾力比較大的情況下，在同一條件下，通過狀態(tài)觀測法對支腿干擾力進行補償?shù)男Ч糜赑ID控制法，不僅可以有效解決干擾帶來的機身平衡調(diào)解困難的問題，更重要的是極大程度的提高了壓樁機的工作效率，降低了生產(chǎn)成本，由此可見，通過空間的并聯(lián)結(jié)構(gòu)來對壓樁機的變壓工作的調(diào)平進行研究，進而改進建模的方式，以便于獲得更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，來完成對壓樁機的改善工作，并采用狀態(tài)觀測法為機身的自動調(diào)平提供理論依據(jù)的是具有可行性的，值得在今后的施工過程中進行推廣。

參考文獻

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