本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)及其控制方法，尤其涉及一種基于光電傳感器陣列的頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)及其頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)與發(fā)展，頂管法施工以其不需要開(kāi)挖地面、占地面積少、交通影響小、開(kāi)挖速度快、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)在綜合管廊、地下通道等項(xiàng)目建設(shè)中不斷發(fā)揮重要作用。但是由于地層土質(zhì)變化、千斤頂推力不均、回填注漿不均、尾盾間隙不均以及已拼管節(jié)軸線不準(zhǔn)等因素，頂管機(jī)很容易發(fā)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，產(chǎn)生姿態(tài)偏差。已有頂管掘進(jìn)機(jī)通過(guò)控制臺(tái)面板進(jìn)行手動(dòng)操作的控制系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)顯示位置差異，完全依靠工作人員根據(jù)位置變化對(duì)手動(dòng)調(diào)整液壓系統(tǒng)，糾偏效果差，容易造成蛇形偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述提出的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于光電傳感器陣列的頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)及其頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制方法，其以plc控制器為核心，以平面光電傳感器陣列為檢測(cè)單元，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集管線方位變化、實(shí)時(shí)計(jì)算軸線偏差、實(shí)時(shí)控制糾偏油缸運(yùn)動(dòng)、在線顯示軸線偏差角度、在線顯示糾偏油缸壓力、在線調(diào)整油缸壓力等功能，能完成頂管機(jī)自動(dòng)糾偏施工，提高頂管施工的效率與施工質(zhì)量。

本發(fā)明的解決方案是：一種基于光電傳感器陣列的頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)，其包括：

plc控制器，其根據(jù)施工要求驅(qū)動(dòng)頂管機(jī)的糾偏油缸進(jìn)行糾偏；

激光器，其安裝在頂管機(jī)工作的井內(nèi)；

平面光電傳感器陣列，其以豎直的方式安裝在頂管機(jī)的機(jī)頭處，并與所述激光器正對(duì)，所述平面光電傳感器陣列隨所述機(jī)頭擺動(dòng)時(shí)，所述激光器的激光束水平照射到所述平面光電傳感器陣列上，使所述平面光電傳感器陣列中相應(yīng)的光電傳感器因感受激光束而輸出電壓信號(hào)；

數(shù)據(jù)采集卡，其采集所述平面光電傳感器陣列輸出的電壓信號(hào)；

其中，所述plc控制器接收所述數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)控制所述糾偏油缸運(yùn)動(dòng)；所述plc控制器的數(shù)據(jù)處理方法為：

步驟一、得到所述數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)信號(hào)；

步驟二、根據(jù)所述數(shù)據(jù)信號(hào)，獲得所述平面光電傳感器陣列上因感受激光束而輸出電壓信號(hào)的光電傳感器；

步驟三、根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)性采集來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，對(duì)每次獲得的相應(yīng)光電傳感器進(jìn)行軌跡連線，由此獲取所述頂管機(jī)的管道軸線的方位變化，根據(jù)一個(gè)設(shè)計(jì)軸線實(shí)時(shí)計(jì)算軸線偏差，根據(jù)所述軸線偏差控制所述plc控制器實(shí)時(shí)控制所述糾偏油缸運(yùn)動(dòng)；

步驟四、判斷所述數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送是否中斷，是中斷，則結(jié)束，否則返回步驟二；

在步驟三的糾偏控制中，當(dāng)管道軸線與設(shè)計(jì)軸線偏離值大于10％時(shí)，所述糾偏油缸開(kāi)始進(jìn)行糾偏作業(yè)，次糾偏角度不大于1°，依次逐步控制糾偏油缸，不斷調(diào)整到設(shè)計(jì)軸線。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述plc控制器中采用pid算法實(shí)施糾偏計(jì)算，逐步控制糾偏油缸的運(yùn)動(dòng)次序。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述激光器采用he-ne激光器。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述平面光電傳感器陣列包括呈陣列式排布的n×m個(gè)光電傳感器，以及安裝n×m個(gè)光電傳感器的安裝板，n和m為正整數(shù)。

進(jìn)一步地，所述安裝板開(kāi)設(shè)呈陣列式排布的n×m個(gè)收容槽，每個(gè)收容槽內(nèi)安裝一個(gè)光電傳感器。

再進(jìn)一步地，每個(gè)收容槽內(nèi)安裝一個(gè)聚集凹面鏡，所述光電傳感器安裝在相應(yīng)收容槽的底部，所述聚集凹面鏡對(duì)進(jìn)入所述收容槽內(nèi)的激光束聚集至相應(yīng)的光電傳感器上。

優(yōu)選地，所有收容槽的底部相通，以便于所有光電傳感器之間的電性接線。

進(jìn)一步地，所述光電傳感器采用光敏電阻作為光電接收元件。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述基于光電傳感器陣列的頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)還包括編碼器，所述編碼器將所述平面光電傳感器陣列輸出的多路電壓信號(hào)進(jìn)行編碼，以減少所述平面光電傳感器陣列到所述數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)通道的路數(shù)。

本發(fā)明還提供上述任意一種基于光電傳感器陣列的頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)的頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制方法，其包括以下步驟：

步驟一、得到所述數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)信號(hào)；

步驟二、根據(jù)所述數(shù)據(jù)信號(hào)，獲得所述平面光電傳感器陣列上因感受激光束而輸出電壓信號(hào)的光電傳感器；

步驟三、根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)性采集來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，對(duì)每次獲得的相應(yīng)光電傳感器進(jìn)行軌跡連線，由此獲取所述頂管機(jī)的管道軸線的方位變化，根據(jù)一個(gè)設(shè)計(jì)軸線實(shí)時(shí)計(jì)算軸線偏差，根據(jù)所述軸線偏差控制所述plc控制器實(shí)時(shí)控制所述糾偏油缸運(yùn)動(dòng)；

步驟四、判斷所述數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送是否中斷，是中斷，則結(jié)束，否則返回步驟二；

其中，在步驟三的糾偏控制中，當(dāng)管道軸線與設(shè)計(jì)軸線偏離值大于10％時(shí)，所述糾偏油缸開(kāi)始進(jìn)行糾偏作業(yè)，次糾偏角度不大于1°，依次逐步控制糾偏油缸，不斷調(diào)整到設(shè)計(jì)軸線。

本發(fā)明將激光器固定安裝在工作井內(nèi)，平面光電傳感器陣列豎直安裝在頂管機(jī)機(jī)頭處，平面光電傳感器陣列隨機(jī)頭擺動(dòng)時(shí)，激光束水平照射到機(jī)頭處豎直安裝的平面光電傳感器陣列上，平面光電傳感器陣列中的光電傳感器感受激光，然后輸出電壓信號(hào)，經(jīng)處理、編碼后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入plc控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)頂管機(jī)的糾偏。本發(fā)明利用激光器和平面光電傳感器陣列，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)信號(hào)，使得plc控制器獲得所述平面光電傳感器陣列上因感受激光束而輸出電壓信號(hào)的光電傳感器，根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的連續(xù)性采集，plc控制器對(duì)每次獲得的相應(yīng)光電傳感器進(jìn)行軌跡連線，由此獲取頂管機(jī)的管道軸線的方位變，從而根據(jù)一個(gè)設(shè)計(jì)軸線實(shí)時(shí)計(jì)算軸線偏差，根據(jù)所述軸線偏差實(shí)時(shí)控制所述糾偏油缸運(yùn)動(dòng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于光電傳感器陣列的頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

圖2為圖1中平面光電傳感器陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2中單個(gè)光電傳感器的安裝位置的剖視圖。

圖4為圖2中單個(gè)光電傳感器的光電信號(hào)調(diào)理電路圖。

圖5為圖1中編碼器和數(shù)據(jù)采集卡之間的電路圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的基于光電傳感器陣列的頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)包括激光器1、平面光電傳感器陣列2、編碼器3、數(shù)據(jù)采集卡4、plc控制器5。plc控制器5，也可以是cpu，或其他帶有智能流程處理功能的電子設(shè)備，只要適于存儲(chǔ)多條指令并可以加載并執(zhí)行即可。

激光器1安裝在頂管機(jī)工作的井內(nèi)，平面光電傳感器陣列2以豎直的方式安裝在頂管機(jī)的機(jī)頭處，并與激光器1正對(duì)，平面光電傳感器陣列2隨所述機(jī)頭擺動(dòng)時(shí)，激光器1的激光束水平照射到平面光電傳感器陣列2上，使平面光電傳感器陣列2中相應(yīng)的光電傳感器因感受激光束而輸出電壓信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集卡4采集平面光電傳感器陣列2輸出的電壓信號(hào)。plc控制器5接收數(shù)據(jù)采集卡4采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡4連續(xù)性采集來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，對(duì)每次獲得的相應(yīng)光電傳感器進(jìn)行軌跡連線，由此獲取所述頂管機(jī)的管道軸線的方位變化，根據(jù)一個(gè)設(shè)計(jì)軸線實(shí)時(shí)計(jì)算軸線偏差，根據(jù)軸線偏差控制plc控制器5實(shí)時(shí)控制糾偏油缸6運(yùn)動(dòng)。

激光器1可采用he-ne激光器，固定安裝在工作井內(nèi)。he-ne激光器發(fā)射632.8nm的可見(jiàn)紅光光束，發(fā)散角<3mrad，光束直徑為φ4～φ6mm，發(fā)射功率穩(wěn)定為10mw，工作性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)。

請(qǐng)結(jié)合圖2、圖3及圖4，平面光電傳感器陣列2安裝在激光器1正對(duì)的頂管機(jī)機(jī)頭上。平面光電傳感器陣列2可包括呈陣列式排布的n×m個(gè)光電傳感器，以及安裝n×m個(gè)光電傳感器的安裝板6。

光電傳感器可采用光敏電阻7作為光電接收元件，根據(jù)頂管機(jī)姿態(tài)偏差范圍和空間分辨率的要求，構(gòu)成一定大小和一定數(shù)量光電傳感器的平面點(diǎn)陣，圖2為120mm×120mm的姿態(tài)偏差范圍、空間分辨率為20mm的6×6平面光電傳感器陣列2，光電傳感器接收激光器1照射的激光。

光電傳感器在具體安裝時(shí)，安裝板6開(kāi)設(shè)呈陣列式排布的n×m個(gè)收容槽，每個(gè)收容槽內(nèi)安裝一個(gè)光電傳感器。每個(gè)收容槽內(nèi)安裝一個(gè)聚集凹面鏡8。所述光電傳感器安裝在相應(yīng)收容槽的底部，聚集凹面鏡8對(duì)進(jìn)入所述收容槽內(nèi)的激光束聚集至相應(yīng)的光電傳感器上。如圖3所示，光電傳感器采用聚焦凹面鏡8接收激光可以有效地防止自然光的影響，并能克服激光束照射到光電接收元件空隙無(wú)信號(hào)輸出的問(wèn)題。所有收容槽的底部相通，以便于所有光電傳感器之間的電性接線。每個(gè)光電傳感器對(duì)應(yīng)的光電信號(hào)調(diào)理電路，將平面光電傳感器陣列2中各光電接收元件感受的激光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷弘娖叫盘?hào)。如圖4所示。

光敏電阻7具有光譜特性好、可靠性高、體積小、靈敏度高、反應(yīng)快速、環(huán)氧樹脂封裝、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。光電信號(hào)調(diào)理電路供電電源電壓為5vdc，分壓電阻r的阻值選為2.7kω；光敏電阻rg在正常光照下，其阻值在3kω左右，電路輸出電壓為2.50v左右，視為高電平；當(dāng)激光照射光敏電阻時(shí)，其阻值將發(fā)生改變，減小至0.3kω左右，輸出電壓為0.5v左右，視為低電平。光電信號(hào)調(diào)理電路將激光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷弘娖叫盘?hào)，且滿足數(shù)據(jù)采集卡4(在本實(shí)施例中采用ac6651)的ac6651接口板卡i/o通道電平要求。

請(qǐng)結(jié)合圖5，編碼器3將平面光電傳感器陣列2輸出的多路電壓信號(hào)進(jìn)行編碼，以減少平面光電傳感器陣列2到數(shù)據(jù)采集卡4的數(shù)據(jù)通道的路數(shù)。由于平面光電傳感器陣列2的傳感器(即光敏電阻)點(diǎn)數(shù)較多，但傳感器信號(hào)只能單個(gè)獨(dú)立產(chǎn)生，而數(shù)據(jù)采集卡4的i/o通道數(shù)有限，如果采用每個(gè)傳感器點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)通道，通道就會(huì)不夠，也沒(méi)有這種必要。所以，在光電信號(hào)送入后續(xù)接口板卡輸入通道之前采用編碼技術(shù)，將多路光電信號(hào)進(jìn)行編碼，plc控制器5采集信號(hào)后再進(jìn)行解碼處理。對(duì)于6×6＝36的平面光電傳感器陣列2，信號(hào)編碼采用4片10線-4線優(yōu)先編碼器74hcl47，將36路光電傳感器輸出電平信號(hào)進(jìn)行編碼后減少為16路信號(hào)，其輸出的編碼信號(hào)經(jīng)過(guò)通用i/o接口卡ac6651后輸入plc控制器5。

數(shù)據(jù)采集卡4選用ac6651接口板卡。ac6651是一款通用i/o脈沖板卡，由32路(4組8位可編程i/o端口，每組端口可以軟件設(shè)置為輸入或輸出)可編程開(kāi)關(guān)量及3路脈沖、計(jì)數(shù)器(8254一片)構(gòu)成；采用pci總線，符合pciv2.1標(biāo)準(zhǔn)，占用256個(gè)i/o選通空間(自動(dòng)分配)，支持即插即用，無(wú)需地址跳線；運(yùn)用大規(guī)?？删幊涕T陣列設(shè)計(jì)，可靠性高；32路開(kāi)關(guān)量部分內(nèi)置4.7k上拉電阻。di/do通道基本參數(shù)為：輸入、輸出電平為ttl電平(5v電平)，輸入、輸出高電平＞2.3v(＜5v)，輸入、輸出低電平＜0.8v(＞0v)。

基于光電傳感器陣列的頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)，對(duì)應(yīng)的頂管機(jī)自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)方法包括如下步驟。

步驟一、采集數(shù)據(jù)

得到所述數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)信號(hào)。

步驟二、相應(yīng)點(diǎn)亮

根據(jù)所述數(shù)據(jù)信號(hào)，獲得所述平面光電傳感器陣列上因感受激光束而輸出電壓信號(hào)的光電傳感器。

步驟三、軌跡連線

根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)性采集來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，對(duì)每次獲得的相應(yīng)光電傳感器進(jìn)行軌跡連線，由此獲取所述頂管機(jī)的管道軸線的方位變化，根據(jù)一個(gè)設(shè)計(jì)軸線實(shí)時(shí)計(jì)算軸線偏差，根據(jù)所述軸線偏差控制所述plc控制器實(shí)時(shí)控制糾偏油缸6運(yùn)動(dòng)。

步驟四、判斷掃描點(diǎn)是否繼續(xù)得到數(shù)據(jù)

判斷所述數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送是否中斷，是中斷，則結(jié)束即相應(yīng)點(diǎn)滅，否則返回步驟二。

在步驟三的糾偏控制中，當(dāng)管道軸線與設(shè)計(jì)軸線偏離值大于10％時(shí)，所述糾偏油缸6開(kāi)始進(jìn)行糾偏作業(yè)，次糾偏角度不大于1°，依次逐步控制糾偏油缸6，不斷調(diào)整到設(shè)計(jì)軸線。

頂管機(jī)姿態(tài)測(cè)量方法可以通過(guò)軟件編程設(shè)計(jì)成多個(gè)指令，交給plc控制器5來(lái)執(zhí)行，通過(guò)plc控制器5的處理方法體現(xiàn)頂管機(jī)姿態(tài)測(cè)量方法。

綜上所述，頂管機(jī)糾偏控制系統(tǒng)根據(jù)頂管施工要求，確定管道軸線方位，plc控制器5實(shí)時(shí)控制頂管機(jī)的千斤頂組，保證管道軸線位置精度。平面光電傳感器陣列2可以實(shí)時(shí)采集頂管機(jī)相對(duì)軸線的水平和豎直方向偏差，提供給plc控制器5，經(jīng)過(guò)計(jì)算后實(shí)現(xiàn)管道軸線糾偏閉環(huán)控制。

根據(jù)頂管機(jī)糾偏控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集管線的方位變化，計(jì)算軸線偏差，控制四組糾偏油缸6動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)頂管機(jī)的自動(dòng)糾偏控制。

糾偏控制中，當(dāng)測(cè)控單元檢測(cè)到頂管機(jī)軸線與設(shè)計(jì)軸線偏離值大于10％時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行糾偏作業(yè)。當(dāng)長(zhǎng)行程頂管施工中，偏離值則需要更小，減少頂管施工摩擦力。

頂管施工中使用液壓糾偏油缸6作為糾偏裝置。多個(gè)糾偏油缸6呈正交方位設(shè)置于頂管機(jī)內(nèi)四個(gè)方位，每組糾偏油缸6由具有多個(gè)油缸組成。糾偏油缸一般帶有液壓鎖，具有噸位大，行程短特點(diǎn)。

糾偏控制時(shí)要隨時(shí)注意頂管機(jī)姿態(tài)，一般采用小角度糾偏，每次糾偏角度不大于1°，糾偏過(guò)程應(yīng)平穩(wěn)實(shí)施，避免快速糾偏產(chǎn)生的土應(yīng)力的變化，引起頂管施工困難，地面沉陷或隆起現(xiàn)象。

偏離值較大時(shí)，也應(yīng)采用小角度緩慢糾偏，按照一定的軌跡和曲率半徑，依次逐步控制糾偏油缸6，不斷調(diào)整到設(shè)計(jì)軸線。

plc控制器5中采用pid算法實(shí)施糾偏計(jì)算，逐步控制糾偏油缸6運(yùn)動(dòng)次序，緩慢糾偏，避免矯枉過(guò)正現(xiàn)象。

糾偏中還需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍土水壓力和注漿壓力，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)注漿壓力等方式協(xié)同控制管道軸線。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。