压桩机边桩工作的自动调平系统仿真分析

王博++付思峰++周卫东

【摘 要】本文对压桩机边桩工作的自动调平系统进行了研究分析以及仿真，讨论了自动调平难度较高、对压桩机支腿结构等进行研究解决其负荷重的问题、引入了液压控制技术，笔者为了最大限度的消除负载的干扰，认为对干扰力的进行实时监控预测并提前补偿，然后建立压装机的自动调平系统，最后经过仿真后，证明所提出的一系列理论都有利于边桩机自动调平的实现，为系统设计的改进提供了理论依据。

【关键词】边桩机；自动调平；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

全液压静力压桩机是一种可以快速平稳而安静地把预制桩压入地基新型压桩机，采用的技术是高压油所产生的强大的静压力，自动调平对压桩机来说是极为重要的一个技术，替换了原来的人工调整操作，有利于较高水平的调整压装机机身的平稳性，使得将要被压入地基的预制桩与地面保值垂直，由此来提高压装机的工作效率。但在压桩机边桩实际的工作过程中，由于各个支腿承受者较多的干扰，用传统方法控制根本无法将支腿干扰引起的误差抵消掉，其实自动调平是不容易实现的，为了解决这个问题，笔者基于Matlab仿真软件，在文中提出了状态观测器补偿干扰的方法，从支腿的液压系统和压桩机平台为接入点，建立了机液耦合的压桩机自动调平模型，经过仿真，我们发现，要想消除支腿干扰引起的误差并实现压装机的自动调平目标以提高其工作效率，状态观测台系统的补偿作用具有显著的效果。

图1 250吨的全液压静力压桩机

2. 压桩机平台仿真模型的建立

（1）笔者以250吨的全液压静力压桩机（如下图1所示）为讨论对象，系统中的自动调平系统模型是由4个统一规格的升降式支腿液压缸支撑形成的并联型结构，边桩工作启动之前，为了保证工作的稳定配，重就会在机身平台上向着边桩机构的方向移动，使机身的重心偏向于之。

（2）通过对压桩机工作原理的分析，我们建立了压桩机的由4条支腿和平台组成的机身平台模型。此模型的主要组成部分是图中看到的四条起支撑作用的腿架和一个平台，其中，包含了惯性张量、质量、连接副和平台的形状几个因素，根据边桩机的特点可以知道，模型的重心是可以随机地选择的。

3. 液压系统模型的建立

3.1 自动调平系统有一个关键性的决定因素——支腿液压系统，所以，为了保证调平系统的有效工作，必须对液压系统模型的建立必须有一个准确标准和严格的要求，介于液压系统的四个支腿具有统一的规格，本文只针对其中一支进行建模。压桩机边桩工作时需要各个支腿的控制信号按照一定的比例呈上升趋势，为了实现由于每个支腿架自身的负重干扰引起的输出控制阀的流量的干扰的最小化，在本次的模型建立工作中，我们选择了Atos QVKZOR-A-10的流量阀控制每一个液压缸，支腿阀控制的液压缸的函数模型是：

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

其中， x表示支腿上的油缸内的活塞位移值， AK 表示油缸的无杆腔面积， FL表示负载干扰，V0表示油缸上升的容积的等效值， βe表示弹性模量， Ct表示漏损系数， ωh表示阀门对液压缸的控制频率， ξh表示液压缸阻尼综合值。endprint

流量阀控制支腿信号的函数为：

WV（s） = Q1 U

=KV s2ωv2+2δvωv+1 （2）

其中 Q1表示流量阀的输出量， U表示控制器端的电压输出值， KV 表示流量阀的放大比例值， ωv表示流量阀的工作频率， δv示流量阀阻尼比值。

3.2 接下来对液压系统的响应进行简要的分析。压桩机边桩工作的过程中，系统的平台的重心会有所偏移，根据力学原理的推论计算，发现，1号和2号支腿架所受到的负载压力要远远小于另外两条支腿架所受的负载压力，在这种情况下，液压系统的响应的主要影响因素是支腿受到的来自于负载压力的干扰，为了将这种干扰的影响力降到最低，可以借用PID进行系统的控制和调整，只要将各个参数调整到合适的范围，就可以使液压系统的支腿液压缸的输出值在少于两秒的时间内趋于稳定，稳态误差自然不复存在。不过由于在系统的响应初期，1号支腿和2号支腿与另外两条支腿的初调值具有很大的差距，如果在初始角比较大的情况下，支腿输入的信号差距越大，那么初期响应的超调值也越大，自动平衡实现的难度会相应的增加，PID的作用越加明显和突出，在压桩机边桩实现自动平衡调节中具有重要的意义。

4. 如何用状态观测器补偿干扰损失

关于干扰力对液压调平系统的影响的补偿，现在大多数施工采取的都是利用传感器先将误差值测量出来然后再通过液压系统消除之，是一种前馈补偿的办法，可以压桩机边桩工作过程中，往往是比较随地摆放配重的位置以保证压桩机的工作效率，这就使得误差值得测量变得尤为复杂，可行性大大降低，为了解决这一问题，笔者引入了状态观测法，将干扰的前馈补偿调整为实时的。

4.1 设计思路。

从图3的支腿液压系统的框图可以得到以下方程组：

=AX+BU+B'FL ' （3）

Y=CX

设 FL是状态变量，那么增广系统为

FL=0 0B' AFLX+0BU （4）

Y=[0 C]FLX

图2 压桩机边桩工作的自动调平系统的仿真模型

4.2 补偿方法。

从状态观测器中我们可以得到干扰力的值，若想消除干扰就必须满足以下式，

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

其中 WV（S） 表示流量阀， WC（S） 表示流量阀控制液缸的模型， WV（S） 表示干扰传递的模型， WE（S） 表示前馈补偿器。

首先确定两条支腿的重量分别是30吨，另外两条支腿的重量分别为95吨，通过对Matlab软件上的仿真结果的分析，可以知道，利用状态观测器对干扰进行补偿后，干扰力对压桩机负载的干扰效果有了很大的改善，各条支腿的输出值都趋于一致或者只是存在极小的误差，由此可见，要想实现压桩机边桩工作的自动调平系统的正常工作，转台观测器的运用具有跨时代的意义。

5. 对系统仿真的分析

（1）经过了前文复杂的分析与讨论，笔者最终确立了压桩机边桩工作的自动调平系统的仿真模型，如下图2所示。

（2）由于压装机机身重量的原因导致其具有很强的惯性，再加上液压系统本身的条件限制，我们采取的液压支腿控制原则是有升无降，与此同时，调平过程还要求两条支腿一起运作，因为这样可以预防整个过程中虚腿的发生，使调平系统可以稳定有序的工作，具体操作就是：将两条最低的支腿调整在同一个水平高度，使其初始角度均为5度。

（3）为了方便在仿真过程中顺利地实现压桩机机身平台与支腿之间的液压平衡控制，就将机身平台的各支腿的质量和流量阀的控制系统的输出速度做了一定的耦合。

（4）然后，再分别用PID控制技术和状态观测器对干扰的补偿方法进行仿真分析，比较两种方法的不同，通过仿真我们可以发现，如果采用PID进行干扰力的消除工作，自动调平的时候平台会在两个方向之间来回晃动，稳定性极差，自然也不能够促进调平工作的顺利展开，而采用状态观测法则完全不同，两条最低的支腿可以再30秒内达到平衡状态，实现了压桩机边桩工作的自动调平。

6. 结束语

本文以直推的液压系统和压桩机的机身平台为切入点，完成了压桩机边桩工作过程中的自动调平模型的建立。在对虚腿进行分析的到时候，对凭条的负载条件予以了规定，关于如何消除支腿负载的干扰力，笔者认为由于两条支腿之间的负载差距太大，使最终的输出值不一致，影响了自动调平的效果，所以提出了以状态观测法为基础的干扰补偿理论并建立了模型，分别对支腿进行补偿，然后又通过Matlab仿真软件，对所建立的模型进行了仿真验证，最终认为，当负载的干扰力比较大的情况下，在同一条件下，通过状态观测法对支腿干扰力进行补偿的效果要好于PID控制法，不仅可以有效解决干扰带来的机身平衡调解困难的问题，更重要的是极大程度的提高了压桩机的工作效率，降低了生产成本，由此可见，通过空间的并联结构来对压桩机的变压工作的调平进行研究，进而改进建模的方式，以便于获得更精准的数据，来完成对压桩机的改善工作，并采用状态观测法为机身的自动调平提供理论依据的是具有可行性的，值得在今后的施工过程中进行推广。

参考文献

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[5] 胡均平，陈炜，郭勇，等. 静力压桩机自动调平系统的逆动力学模型研究[J]. 现代制造工程. 2011（6）： 36～39.endprint