壓樁機邊樁工作的自動調平系統仿真分析

王博++付思峰++周衛東

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

【關鍵詞】邊樁機；自動調平；仿真

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

Wang Bo，Fu 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而安靜地把預制樁壓入地基新型壓樁機，采用的技術是高壓油所產生的強大的靜壓力，自動調平對壓樁機來說是極為重要的一個技術，替換了原來的人工調整操作，有利于較高水平的調整壓裝機機身的平穩性，使得將要被壓入地基的預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，其實自動調平是不容易實現的，為了解決這個問題，筆者基于Matlab仿真軟件，在文中提出了狀態觀測器補償干擾的方法，從支腿的液壓系統和壓樁機平臺為接入點，建立了機液耦合的壓樁機自動調平模型，經過仿真，我們發現，要想消除支腿干擾引起的誤差并實現壓裝機的自動調平目標以提高其工作效率，狀態觀測臺系統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，系統中的自動調平系統模型是由4個統一規格的升降式支腿液壓缸支撐形成的并聯型結構，邊樁工作啟動之前，為了保證工作的穩定配，重就會在機身平臺上向著邊樁機構的方向移動，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、質量、連接副和平臺的形狀幾個因素，根據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. 液壓系統模型的建立

3.1 自動調平系統有一個關鍵性的決定因素——支腿液壓系統，所以，為了保證調平系統的有效工作，必須對液壓系統模型的建立必須有一個準確標準和嚴格的要求，介于液壓系統的四個支腿具有統一的規格，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，為了實現由于每個支腿架自身的負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的活塞位移值， AK 表示油缸的無桿腔面積， FL表示負載干擾，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， 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 接下來對液壓系統的響應進行簡要的分析。壓樁機邊樁工作的過程中，系統的平臺的重心會有所偏移，根據力學原理的推論計算，發現，1號和2號支腿架所受到的負載壓力要遠遠小于另外兩條支腿架所受的負載壓力，在這種情況下，液壓系統的響應的主要影響因素是支腿受到的來自于負載壓力的干擾，為了將這種干擾的影響力降到最低，可以借用PID進行系統的控制和調整，只要將各個參數調整到合適的范圍，就可以使液壓系統的支腿液壓缸的輸出值在少于兩秒的時間內趨于穩定，穩態誤差自然不復存在。不過由于在系統的響應初期，1號支腿和2號支腿與另外兩條支腿的初調值具有很大的差距，如果在初始角比較大的情況下，支腿輸入的信號差距越大，那么初期響應的超調值也越大，自動平衡實現的難度會相應的增加，PID的作用越加明顯和突出，在壓樁機邊樁實現自動平衡調節中具有重要的意義。

4. 如何用狀態觀測器補償干擾損失

關于干擾力對液壓調平系統的影響的補償，現在大多數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消除之，是一種前饋補償的辦法，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雜，可行性大大降低，為了解決這一問題，筆者引入了狀態觀測法，將干擾的前饋補償調整為實時的。

4.1 設計思路。

從圖3的支腿液壓系統的框圖可以得到以下方程組：

=AX+BU+B'FL ' （3）

Y=CX

設 FL是狀態變量，那么增廣系統為

FL=0 0B' AFLX+0BU （4）

Y=[0 C]FLX

圖2 壓樁機邊樁工作的自動調平系統的仿真模型

4.2 補償方法。

從狀態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軟件上的仿真結果的分析，可以知道，利用狀態觀測器對干擾進行補償后，干擾力對壓樁機負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，要想實現壓樁機邊樁工作的自動調平系統的正常工作，轉臺觀測器的運用具有跨時代的意義。

5. 對系統仿真的分析

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

（2）由于壓裝機機身重量的原因導致其具有很強的慣性，再加上液壓系統本身的條件限制，我們采取的液壓支腿控制原則是有升無降，與此同時，調平過程還要求兩條支腿一起運作，因為這樣可以預防整個過程中虛腿的發生，使調平系統可以穩定有序的工作，具體操作就是：將兩條最低的支腿調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量和流量閥的控制系統的輸出速度做了一定的耦合。

（4）然后，再分別用PID控制技術和狀態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現，如果采用PID進行干擾力的消除工作，自動調平的時候平臺會在兩個方向之間來回晃動，穩定性極差，自然也不能夠促進調平工作的順利展開，而采用狀態觀測法則完全不同，兩條最低的支腿可以再30秒內達到平衡狀態，實現了壓樁機邊樁工作的自動調平。

6. 結束語

本文以直推的液壓系統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平模型的建立。在對虛腿進行分析的到時候，對憑條的負載條件予以了規定，關于如何消除支腿負載的干擾力，筆者認為由于兩條支腿之間的負載差距太大，使最終的輸出值不一致，影響了自動調平的效果，所以提出了以狀態觀測法為基礎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，最終認為，當負載的干擾力比較大的情況下，在同一條件下，通過狀態觀測法對支腿干擾力進行補償的效果要好于PID控制法，不僅可以有效解決干擾帶來的機身平衡調解困難的問題，更重要的是極大程度的提高了壓樁機的工作效率，降低了生產成本，由此可見，通過空間的并聯結構來對壓樁機的變壓工作的調平進行研究，進而改進建模的方式，以便于獲得更精準的數據，來完成對壓樁機的改善工作，并采用狀態觀測法為機身的自動調平提供理論依據的是具有可行性的，值得在今后的施工過程中進行推廣。

參考文獻

[1] 林建輝. 加強液壓靜力壓樁機檢定工作的思考[J]. 質量技術監督研究. 2010（4）： 43～45.

[2] 胡均平，陳煒，郭勇，等. 靜力壓樁機自動調平系統的逆動力學模型研究[J]. 現代制造工程. 2011（6）： 36～39.

[3] 胡均平，陳煒. 壓樁機邊樁工作的自動調平系統仿真研究[J]. 計算機仿真. 2011， 28（12）： 163～167.

[4] 劉達興. 液壓樁機壓樁液壓缸前端蓋的結構改進[J]. 機械工程師. 2011（4）： 153～154.

[5] 胡均平，陳煒，郭勇，等. 靜力壓樁機自動調平系統的逆動力學模型研究[J]. 現代制造工程. 2011（6）： 36～39.endprint