秦 剛,劉瑋倩,劉 千,周振東,陳忠孝

(1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,陜西 西安 710021；2.海軍駐西安地區(qū)軍事代表局 西安市70號(hào)信箱402分箱海軍代表,陜西 西安710056)

智能控制算法在打樁機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

秦 剛1,劉瑋倩1,劉 千2,周振東1,陳忠孝1

(1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,陜西 西安 710021；2.海軍駐西安地區(qū)軍事代表局 西安市70號(hào)信箱402分箱海軍代表,陜西 西安710056)

打樁機(jī)系統(tǒng)工作過(guò)程中會(huì)遇到各種各樣的復(fù)雜地形,為了提高自動(dòng)沖孔打樁機(jī)對(duì)復(fù)雜地形的打樁能力和適應(yīng)性,文中從打樁機(jī)起錘信號(hào)的處理、余繩最優(yōu)控制算法及專(zhuān)家控制系統(tǒng)等方面來(lái)進(jìn)行研究。采用FFT變換算法,將采集到的時(shí)域信號(hào)變換成頻域信號(hào)進(jìn)行分析處理,消除了雜波信號(hào)的干擾,提高了系統(tǒng)對(duì)起錘信號(hào)檢測(cè)的穩(wěn)定性。采用模糊自適應(yīng)控制算法來(lái)對(duì)余繩進(jìn)行研究,使沖孔打樁機(jī)控制設(shè)備根據(jù)不同的目標(biāo)土層對(duì)余繩的長(zhǎng)度進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。采用專(zhuān)家控制系統(tǒng),以提高沖孔打樁機(jī)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)能力。最終通過(guò)Matlab仿真及反復(fù)實(shí)驗(yàn),分析得出,文中算法和控制策略對(duì)復(fù)雜地形有很好的處理能力。

自動(dòng)打樁機(jī)；專(zhuān)家控制系統(tǒng)；余繩最優(yōu)控制算法；FFT；Matlab

目前,沖孔打樁機(jī)多由人工手動(dòng)機(jī)械式操縱完成,當(dāng)遇到復(fù)雜環(huán)境時(shí)（斜巖）,需要采用添加石子和泥沙混合物直到出現(xiàn)水平打樁面,反復(fù)以上步驟,才能繼續(xù)作業(yè)。同時(shí)對(duì)施工人員有極高的要求,且勞動(dòng)強(qiáng)度大,安全系數(shù)低,施工質(zhì)量難以保證。所以本文通過(guò)采用專(zhuān)家控制系統(tǒng)、余繩最優(yōu)控制算法、FFT變換算法等,提高打樁機(jī)系統(tǒng)的高效性和適應(yīng)性。

1 專(zhuān)家控制系統(tǒng)

專(zhuān)家控制系統(tǒng)最核心的部分是專(zhuān)家控制器,其包含有專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)、知識(shí)獲取、知識(shí)推理和知識(shí)表達(dá)規(guī)則集這4個(gè)模塊。專(zhuān)家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 專(zhuān)家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Expert control system structure diagram

專(zhuān)家控制系統(tǒng)的控制過(guò)程如下:專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)里涵蓋了復(fù)雜環(huán)境信息、余繩長(zhǎng)度信息和泥漿濃度信息等。系統(tǒng)通過(guò)反饋信息獲得當(dāng)前地質(zhì)環(huán)境的知識(shí),依據(jù)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行知識(shí)推理,與知識(shí)庫(kù)中的信息進(jìn)行掃描和對(duì)比,再根據(jù)控制規(guī)則表對(duì)余繩長(zhǎng)短進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,然后通過(guò)知識(shí)表達(dá)規(guī)則集輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。同時(shí),又可以向用戶(hù)進(jìn)行解釋推理,并且將當(dāng)前事實(shí)記錄添加到余繩控制規(guī)則表中,通過(guò)人機(jī)接口來(lái)完成知識(shí)庫(kù)的維護(hù)和更新。

專(zhuān)家控制器最核心的部分是知識(shí)庫(kù)。專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)主要由事實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)規(guī)則庫(kù)組成。其中最底層的事實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存放被控對(duì)象或被控過(guò)程的靜態(tài)知識(shí)和動(dòng)態(tài)知識(shí),本文事實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存放的是建筑工程中打樁機(jī)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí),例如打樁的地質(zhì)環(huán)境,氣候條件等；中間一層的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存放基于事實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中知識(shí)的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn),本文經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的是在打樁機(jī)領(lǐng)域的一些專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)；最高層的知識(shí)規(guī)則庫(kù)是數(shù)據(jù)庫(kù)中知識(shí)的表達(dá)方式,知識(shí)規(guī)則的產(chǎn)生有多種方式,本系統(tǒng)采用產(chǎn)生式的方法來(lái)建立相應(yīng)的知識(shí)規(guī)則庫(kù),這種規(guī)則的表示方式更加便于專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容得到實(shí)時(shí)更新。

知識(shí)推理是指依據(jù)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則從事實(shí)知識(shí)庫(kù)推理出結(jié)論的過(guò)程。知識(shí)推理的方法一般有3種,即正向推理、逆向推理和混合推理。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專(zhuān)家控制系統(tǒng)中,專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)內(nèi)容比較少,所建立的規(guī)則也不多,知識(shí)推理就比較簡(jiǎn)單,故多采用正向推理方法進(jìn)行知識(shí)推理。如圖2所示為專(zhuān)家控制系統(tǒng)推理機(jī)的推理流程圖。

圖2 專(zhuān)家控制系統(tǒng)推理流程圖Fig.2 Expert control system inference flow chart

在知識(shí)推理過(guò)程中可以利用數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá),表達(dá)式為:

專(zhuān)家控制器根據(jù)專(zhuān)家知識(shí)K對(duì)輸入信息E進(jìn)行知識(shí)推理,然后根據(jù)推理結(jié)果I輸出相應(yīng)的控制結(jié)果U。

2 余繩模糊控制算法

在打樁過(guò)程中,樁錘通過(guò)自由落體所產(chǎn)生的重力帶動(dòng)繞線器加速轉(zhuǎn)動(dòng),如果不能及時(shí)對(duì)繞線器進(jìn)行點(diǎn)剎,鋼絲繩就會(huì)繼續(xù)下落,再加之后的離合時(shí)間,就會(huì)造成余繩長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),降低了打樁機(jī)的工作效率,還易于產(chǎn)生吸錘、卡錘等故障；而如果點(diǎn)剎太早,會(huì)使余繩太緊,將導(dǎo)致樁錘未能到達(dá)樁底或剛好到達(dá)樁底,不僅會(huì)使打樁失效,還會(huì)因突然剎車(chē)產(chǎn)生的外力繃斷鋼絲繩,同樣存在安全隱患。因此,對(duì)于余繩的控制至關(guān)重要。

對(duì)余繩進(jìn)行精確控制的關(guān)鍵是模糊控制算法的運(yùn)用。由于沖孔打樁機(jī)余繩的控制沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型,不確定因素眾多,非線性特性明顯,同時(shí)還存在多參數(shù)變化和外界干擾多等控制難點(diǎn),所以采用帶“不同等級(jí)修正因子的自適應(yīng)模糊控制器”進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。該控制器實(shí)際上是一種對(duì)誤差和誤差變化率的加權(quán)控制方案,通過(guò)給修正因子取不同的值,實(shí)現(xiàn)輸入和輸出誤差值的修正,以便適應(yīng)被控對(duì)象的不同要求。這樣模糊控制器具有一定的通用性和適應(yīng)性,從而使得打樁機(jī)的余繩控制能夠適應(yīng)多種復(fù)雜地形。最常用加權(quán)關(guān)系采用式是U= AE+（1-A）C,式中E為誤差，C為誤差變化率,A是加權(quán)系數(shù)。改變A的大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入和輸出誤差及誤差變化率的不同加權(quán)。A的取值大小有兩個(gè)基本準(zhǔn)則:1、對(duì)于響應(yīng)速度慢的系統(tǒng),誤差加權(quán)值應(yīng)較?。?、當(dāng)被控對(duì)象階次數(shù)較低時(shí),誤差加權(quán)值應(yīng)大于誤差變化率的加權(quán)值。但上述帶有一個(gè)修正因子的加權(quán)關(guān)系無(wú)法滿(mǎn)足打樁機(jī)余繩控制的要求,因此提出不同修正因子針對(duì)不同誤差等級(jí)的方法,E小時(shí)用A1，E中等時(shí)用A2,E大時(shí)用A3。

其中,A1,A2,A3∈（0，1）。A1,A2,A3為不同值時(shí)可以有不同的控制決策表。同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際打樁環(huán)境的需要將余繩控制的等級(jí)分的更多更細(xì),可使控制規(guī)則和方法變得更加靈活,滿(mǎn)足不同狀態(tài)下的打樁作業(yè)和工程實(shí)施。

文中通過(guò)參照《沖孔灌注樁施工工藝》中的相關(guān)內(nèi)容,按照不同地質(zhì)環(huán)境的施工要求,制定表格如表1所示。

3 FFT算法

沖孔打樁機(jī)的工作環(huán)境非常復(fù)雜,對(duì)主控電路板而言,會(huì)受到外界各種干擾信號(hào)的影響,尤其是對(duì)起錘信號(hào)的干擾,而起錘信號(hào)的檢測(cè)又是整個(gè)沖孔打樁機(jī)系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此,對(duì)起錘信號(hào)進(jìn)行處理至關(guān)重要。本文將起錘信號(hào)進(jìn)行FFT變換處理,對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析。首先在采集的起錘信號(hào)波形中取長(zhǎng)度為N的時(shí)域序列X（n）,X（k）為起錘信號(hào)的頻域序列,取旋轉(zhuǎn)因子為,將時(shí)域序列X（n）按n的奇偶性分為兩組,即n=2r及n=2r+1兩組,可得以下公式,如4式所示:

表1 余繩控制規(guī)則表Tab.1 The control rule table of rest rope

通過(guò)（4）可知偶數(shù)點(diǎn)樣本計(jì)算G（k）,奇數(shù)點(diǎn)樣本計(jì)算H（k）。由基2時(shí)間抽取時(shí)間算法將時(shí)域周期進(jìn)行第一次二分,可以得到,故得公式（5）:

通過(guò)以上公式可以發(fā)現(xiàn),將時(shí)域不斷進(jìn)行分解,按時(shí)間抽取算法可知在盡量小的序列上進(jìn)行離散傅里葉變換,得到頻域序列X（k）。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn),得出利用FFT變換算法對(duì)起錘信號(hào)進(jìn)行處理,使得起錘信號(hào)波動(dòng)幅度減小,輸出波形毛刺降低,同時(shí)還提高了起錘信號(hào)的采集速率,節(jié)省了微控制器的運(yùn)算時(shí)間,提高了打樁機(jī)的工作效率,保證了沖孔打樁機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

4 Matlab仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證起錘信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT變換后的明顯變化,本文采用Matlab軟件對(duì)所采集到的起錘信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先,通過(guò)Codewarrior調(diào)試軟件對(duì)起錘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,截取500個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)后,在Matlab軟件中對(duì)這500個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換仿真,并得到相應(yīng)的波形圖。

通過(guò)Matlab仿真后的波形圖如圖3所示。

圖3 FFT仿真結(jié)果圖Fig.3 The FFT simulation results

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析容易得出,時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT變換成頻域信號(hào)后,消除了毛刺,有效地防止雜波信號(hào)的干擾。因此,對(duì)起錘信號(hào)進(jìn)行頻域分析,明顯提高了沖孔打樁機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

在原有的自動(dòng)沖孔打樁機(jī)的基礎(chǔ)上,通過(guò)引進(jìn)FFT變換算法對(duì)起錘信號(hào)進(jìn)行處理,將時(shí)域信號(hào)變換成頻域信號(hào),進(jìn)行頻域分析。采用模糊自適應(yīng)控制算法來(lái)對(duì)余繩進(jìn)行分析處理,使打樁機(jī)根據(jù)不同的目標(biāo)土層對(duì)余繩長(zhǎng)度進(jìn)行適應(yīng)型調(diào)整。采用專(zhuān)家控制系統(tǒng),根據(jù)地質(zhì)類(lèi)別、余繩長(zhǎng)度、沖程距離、泥漿比重等指標(biāo),構(gòu)建專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,使設(shè)備能夠根據(jù)不同地質(zhì)環(huán)境推理出相應(yīng)的控制策略,從而增加沖孔打樁機(jī)控制設(shè)備對(duì)復(fù)雜地形環(huán)境的適應(yīng)能力。本文的研究有效提高了沖孔打樁機(jī)的工作效率,增強(qiáng)了打樁機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性,降低了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,在很大程度上節(jié)約了成本,滿(mǎn)足了人們對(duì)建筑施工質(zhì)量越來(lái)越高的要求。例如,國(guó)家高速公路-G75蘭海高速公路的武罐高速施工段第十四標(biāo)段廣泛應(yīng)用了本文設(shè)計(jì)的沖孔打樁機(jī),并且在G7011十天高速公路段旬陽(yáng)、略陽(yáng)、洋縣、鎮(zhèn)巴、天水等地也得到了非常廣泛的應(yīng)用,得到了施工人員的好評(píng),沖孔打樁機(jī)有著非?？捎^的市場(chǎng)前景。

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Application of intelligent control algorithm in the piling machine system

QIN Gang1,LIU Wei-qian1,LIU Qian2,ZHOU Zhen-dong1,CHEN Zhong-xiao1
（1.The Electronic Information Engineering College of Xi’an Technological University,Xi’an 710021，China；2.The Military Representative Office of Navy in Xiˊan Area,The Naval Representative of No.70 box 402 box,Xiˊan 710056,China）

The piling machine system working will encounter all sorts of complex terrains，in order to improve the piling capability and adaptability of automatic punching pile driver for complex terrain，the paper research for piling hammer starting signal processing，the optimal control algorithm of excess rope，expert control system and other aspects.Using FFT algorithm，collected time-domain signal is changed into frequency-domain signal to analysis and process，eliminating the interference of clutter signal and improving the stability of hammer signal detection for the system.Adopting fuzzy control algorithm to research for the excess rope，making punching hammers adjust the length of the excess rope depending on the target soil.Using specialistic controlling system to improve the adaptability of automatic punching pile driver to complex geological environment.Finally,through the Matlab simulation and experiments it can be seen that the algorithm and control strategy can manage effectively the complex geological environment.

automatic punching pile driver；Specialistic control system；Optimal control algorithm of excess rope；FFT；Matlab

TN9

：A

：1674-6236（2015）18-0093-03

2014-12-23稿件編號(hào)：201412216

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014K05-44)

秦 剛（1968—）,男,陜西西安人,教授。研究方向:電子工程、電子儀器與檢測(cè)。