液压同步顶升控制系统的设计与研究硕士学位论文(编辑修改稿)

液压同步顶升控制系统的设计与研究硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

................. 79 参考文献 ................................................................................................................................... 80 致 谢 ....................................................................................................................................... 82 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1. 1 研究背景 随着我国国民经济和城市建设的飞速发展，像城市规划、旧城改造、道路拓宽这样的建筑工程剧增，尤其是各种公路、铁路、大桥的建设与改造更是成为了经济发展的动脉。 这些建筑工程在实施过程中经常会遇到两类问题：一类是进行规模较大的工程建造，需要对一些体积大、重量大的工程建筑物局部 体进行精确的整体抬升，比如桥梁建设中的桥面路段建造、提高桥梁净空等，有时候甚至要求在不中断交通的情况下进行桥梁支座的更换；另一类是工程规划与原有的建筑物发生冲突矛盾，不少建筑物因为规划的原因不得不拆除 [1]。 但其中一些建筑物因为建成时间不长，仍然具有很大的实用价值，尤其是一些古建筑，或属于受保护的文物，或是具有一定象征意义的人文景观，如果对其拆除，损失更是难以估计。 有时为了减少损失，不得不修改原来的规划，这样就可能给城市建设造成了永久的缺憾，甚至会产生新的问题 [2]。 同步顶升技术或称同步移位技术的出现，成 为了解决这一矛盾的重要方法和手段，很好地解决了这一难题。 所谓同步顶升（移位）技术，就是在保证建筑物结构的整体性和使用功能的前提下，采用一系列机械的或者其它的手段使建筑物整体平稳的升降、平移，从而达到建筑物整体移位的目的。 同步顶升（移位）技术最早源于大型设备与建筑物移位（顶升、平移），大型建筑物整体迁移技术是指在保证大型建筑物主体结构完整和使用功能的前提下，将其从原址迁移到新址的技术。 主要包括建筑物水平方向的平移、旋转、纠偏等；同时还包括建筑物垂直方向的顶升，如桥梁的加高或支座的更换、房屋纠倾以及顶升调坡等。 其基本原理是：首先将建筑物顶起，托换到托梁上，在托梁下安装行走或支撑动力系统，然后将建筑物与原基切断，使建筑物成为可移动体，通过施加动力将建筑物整体迁移到指定位置，就位后再进行新的连接。 1. 2 本课题在国内外的研究动态 近年来，国内外已经有大量采用顶升技术进行大型建筑物顶升、平移及大型设备结构的位移中的应用成功的范例，并且应用范围日益扩大。 河海大学硕士学位论文 2 1. 2. 1 国外同步顶升技术的研究现状 通过查找资料可知，国外的顶升技术在实际工程中应用的比较早，比如古建筑物的移位、更换桥梁支座、顶推梁体等。 世界上最早 的建筑物整体移位技术出现在新西兰，工程技术人员采用蒸汽机车作为牵引装置，将新普利茅斯市的一座一层民宅移到新址 [3]。 1901 年，美国依阿华大学由于校园扩建，将三层高、重约 6000KN 的科学馆进行了整体平移，为了绕过另一栋楼，在移动过程中采用了转向技术，将其旋转 45 度，这一技术在当时的土木工程界引起了极大的兴趣和广泛的评论，这座楼至今仍在使用，已经经受了 100 多年的考验 [4]。 金门大桥是世界闻名的桥梁之一，是近代桥梁工程的一项奇迹。 大桥雄峙于美国加利福尼亚州宽 1900 多米的金门海峡之上，历时 4 年和 10 万多吨 钢材，耗资达 3550万美元建成，大桥全长达 2020 米，桥面宽 米，造型宏伟壮观、朴素无华。 为了保证大桥能够承受住潜在的地震威胁，在 2020 年， Balfour Betty 建筑公司和 ENERPAC公司利用液压控制同步顶升系统在不中断交通的情况下对金门大桥进行了抗震改造。 金门大桥抗震改造完成已经有好几年的时间了，经实践检验，其加固效果良好 [5]。 2020 年由法国总统希拉克亲自剪彩竣工的法国米劳大桥是世界上最高的大桥，高达 343m，桥面长 2460m，宽 ，总重 36000t[6]。 国内有关专家曾经形 象地说： “这几乎就是在比东方明珠矮一点的高空建造一段长 2 公里的高架道路 ”。 桥梁下面不是一马平川的大地，而是一条深深的山谷，在如此高的位置上进行如此大规模的施工建设对人类自身而言就是一个极大的挑战 [7]。 为了解决在深谷中架设临时桥墩、重型钢结构桥面架设等施工难题，美国实用动力集团公司和 ENERPAC 欧洲工程中心采用计算机控制同步顶升系统和以超高压液压为动力的全自动智能化控制桥面平推系统成功地解决了大桥建造中的技术难题 [8]，一方面采用计算机控制同步顶升系统辅助桥墩建造，帮助桥墩升高到 77 米到 245 米不等；另一 方面采用特殊设计的计算机控制超高压液压平移系统，解决大桥钢结构桥面平移就位难题。 1. 2. 2 国内同步顶升技术的研究现状 在国外，关于先进顶升机械设备的应用很普遍，尤其是对桥梁支座进行更换时，第一章 绪论 3 也主要使用了整体同步顶升技术。 在国内，顶升技术从 50 年代才开始发展，起初应用于铁路桥梁的架设、移位和落梁；从八十年代末起，液压同步顶升技术开始在我国迅猛发展，先后应用于上海石洞口第二电厂、上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆整体提升、北京西客站主站房钢门门楼整体提升、浦东机场停机库提升以及上海大剧院钢屋架整体提升等一 系列重大建设工程中，获得了巨大的成功 [9]。 在公路建设方面，顶升技术最初仅仅被用于单片预制梁的架设和移位。 2020 年 9月，跨越海河的狮子林河桥和北安桥被分别顶升 米和 米，成为我国首次进行的桥梁整体升高工程。 上海音乐厅建于 1930 年，原名南京大戏院，具有欧洲古典主义风格的建筑，被誉为 “上海的巴黎歌剧院 ” [7]。 2020 年，为市政建设的需要对其进行平移约 ，并且顶升。 音乐厅结构空旷，空间刚度较差，且结构强度很低，将如此风格和结构类型的优秀保护建筑整体移位，在国内尚属首例 ，在施工难度上堪称国内之最，顶升高度在世界上也属罕见。 音乐厅整体移位工程开发了一套具有四组共 59 台高精度顶升液压缸的计算机控制同步顶升和顶推系统，将建筑物第一次顶升 ，然后依靠有 自动控制能力的 4 路同步顶推系统，将建筑物推移至预定位置，再进行第二次顶升 [10]。 吴淞大桥是一座连续梁桥，桥墩采用的是桩柱结构。 由于北引桥的桥面高度太低，按照传统的施工方法，需把北引桥全部拆掉，然后再重新建造一座高度和立交高架桥相等的引桥与之相接。 但是这样做的话不仅要封闭交通，而且经济损失也很大。 施工技术人员经过 3 个月的艰苦攻关最终设计出了一套整体同步顶升方案，平均将原桥顶高了 米。 与房屋建筑相比，吴淞大桥是线性结构，顶升的难度更大 [11]。 施工队将大桥立柱上的盖梁和板梁稳稳托住，然后将立柱割断，用 12 只顶力为 150 吨以上的千斤顶将桥面同步地顶升到了预定高度。 利用此方案施工比拆桥重建省一半时间，不需要占用周围的道路，并且将投资节省了 35%。 经过精密的仪器检测，北引桥整体顶升获得了成功，桥面没有裂缝，对接良好。 1. 3 课题在实际应用方面的意义、价值 青岛中海油油品 1汽车装车台为二层混凝土框架结构， 米标高处为一层平台， 米标高处为二层平台（二层层高为 米）， 米标高处为檐口，檐口高度 米；河海大学硕士学位论文 4 该工程共两排柱，每排 6 根，排距 6 米，每排柱间距为 10 米；钢筋砼独立基础，基础埋深 米，基础底标高为 米，基础顶标高为 米，一层地面标高为 米，屋顶为网架结构，底层柱侧面安装有部分设备及管线。 由于装车台净空高度不够，影响装车，要求整体升高 米。 通过分析已有系统的利弊，结合电子技术、 PLC 控制技术，本文研制开发了一套以电液比例减压阀 +可编程逻辑控制器 +组态软件为核心设计的液压同步顶 升控制系统。 为了使得控制更加精确，本文考虑了更多可能会影响顶升效果的因素后，在控制中加入了模糊控制算法，对输出量进行优化控制，并且为了 解决 模糊控制响应时间长的问题，以及减小扰动信号对模糊控制 造成的 不良 影响，在模糊控制的反馈环节加入了灰色预测模块构成灰色预测模糊控制系统，结合电气和机械部分的数学模型循序渐进地建立起仿真模型，从理论基础上证明了算法的可行性，使得控制更加精确、顶升更加安全。 该系统能全自动完成同步顶升过程，实现位移控制、过程显示、故障报警等多种功能，控制精度更高，操作更加简单，整体安全可靠，并且提 供了远程监控的功能，方便专家进行远程指导、远程会诊。 全文安排如下： 第一章：绪论，本章主要阐述了本课题的研究背景、国内外的研究状况和实际意义。 第二章：系统总体方案的设计。 本章首先介绍了建筑物顶升的步骤，然后介绍了系统的总体框架、设计思想及监控模式的选择，并且绘制了系统电气原理图。 第三章：系统控制算法的设计。 本章首先详述了控制系统各种控制策略，并且将其优缺点进行了比较。 针对控制要求选用了一种灰色预测模糊控制算法作为系统的控制算法，然后对该控制理论进行了分析，并且进行了控制器的设计。 第四章：控制算法的计 算机仿真。 本章首先在 Matlab 环境下进行控制器的设计，然后建立了控制对象的传递方程，利用 Simulink 工具进行了算法仿真， 并与其他算法进行比较， 从理论上 证明了 灰色预测模糊控制策算法的可行性 和优越性。 第五章：系统软硬件的设计。 本章详细介绍了液压同步顶升系统，从液压部分和电气部分介绍了系统硬件方面的设计，并简述了位移传感器误差标定的方法及算法；第一章 绪论 5 软件方面主要对用 网际组态软件制作的监控界面进行了设计，最后进行了上 下位机通信的设计。 第六章：总结与展望。 本章主要对本文的研究成果进行了总 结，针对本项目中的不足和问题，提出了以后需要进一步提高和研究的方向。 第二章 系统总体设计 7 第二章 系统总体设计 2. 1 建筑物同步顶升 2. 1. 1 顶升工作原理 建筑物同步顶升一般分为承压、顶升、保持和带载下降四步 : (l)承压 在顶升前，要将建筑物与支柱连接处打断才可以进行顶升操作，在打断前要让液压千斤顶代替支柱来承受建筑物的重量，这就要求油泵可以单独给某个液压千斤顶供油使其进行单独顶升，根据建筑构件图估算出各个顶升点近似的载荷值，调节各顶升点的顶升力。 为了避免计算误差以及确保工程安全，初始顶升力应略小于计 算的近似载荷值。 待各顶升点调整好后，调节各电液比例减压阀使其出口压力逐步增加，且每次增加的压力要固定，并根据位移传感器的采样数据来判断是否产生位移。 当各顶升点由于压力变化使其施力超过顶升点的载荷时，千斤顶活塞伸出使该点产生位移，压力和位移的实时变化通过压力传感器和位移传感器传回计算机。 当位移传感器测得微小位移时，和该位移传感器对应的千斤顶停止动作，即相关的电液比例减压阀出口压力停止变化，当所有的出口压力稳定后，建筑物的重量完全由千斤顶承载，此时建筑物处于 “悬浮 ”状态，承压步骤结束。 (2)顶升 在实际工程中 ，建筑物要求提升的高度往往大于千斤顶的量程，鉴于这种情况，通常系统会采用分步顶升法，即将整个顶升过程分成了很多小步，每次顶升一小步。 例 如此次工程要求顶升 ，即 1200mm，液压千斤顶的量程为 100mm，通过测试发现千斤顶在接近满量程的部分非线性比较严重，因此将整个顶升过程分作 15 个小步，每次顶升 80mm，逐次完成顶升过程。 开始顶升后，按照采样周期采样得来的位移判断所有顶升点的同步情况，设 R 为预先设定的千斤顶行程，即分 步 顶升每一次的高度，位于顶升点处的位移传感器将顶升数据 S 实时地传回来，通过控制策略进行 计算，输出到电液比例减压阀控制出口压力，进而控制液压千斤顶来调节顶升的位移，从而达到控制顶升过程平稳、顺利地进行。 当 S= R 时， 相应的 千斤顶停止工作 ， 阀门关闭，河海大学硕士学位论文 8 千斤顶锁死。 待所有顶升点都完成顶升工作后，液压泵关闭， 接下来 就可以 进行数据记录等一系列工作，并为下一步的顶升工作做准备。 对于每步顶升中的位移精度，可以通过智能控制算法来提高。 本步产生的误差，在下一步顶升中可以消除，因此最终顶升误差由最后一步的顶升误差决定。 此种方法控制精度较高，控制方法简单，便于计算机控制，自动化程度高。 (3)保持 当顶升 工作完成 后，建筑物处于悬浮保持状态 ，为后续施工的需求，必须暂时保持顶升位置不变，而千斤顶通过高压 油 管进、回油，一旦 油 管受损爆裂，后果不堪设想。 为确保安全，每个千斤顶都安装了液控单向阀。 保压精度和最大保压时间主要由液压系统中所使用的液压元件的制造精度、密封性决定 [7]。 单靠液控单向阀进行保压，保压时间不能太长，因为即使制造精度再高，密封性再好，也无法避免泄漏，可以将千斤顶上自带的橡皮圈旋起使千斤顶不能由于压力大而自动回油，构成了双保险，既决了安全问题，又为顶升作业带来方便，允许千斤顶在任意位置停留 ，同时，施工队伍在短 时间内对 隔断处进行焊接，尽量减少施工风险。 (4)带载下降 带载下降是在顶升以及后续的施工全部完成后，将建筑物降回到原始的位置的过程，一般应用于更换桥梁支座的工程。 针对此次工程不需要使用此功能，所以在系统中没有。