控制曲线（精选12篇）
控制曲线 篇1
1 曲线桥梁的布置
路线为曲线, 梁板为直线, 其墩、台中心为折线交点, 这些折线称为桥梁的工作线。当桥梁中心线与路线中心线相切时称为切线布置。当桥梁中线位于以梁长为弦线的中矢值的一半时称为平分中矢布置。
部分桥梁在采用平分中矢布置时, 桥台横轴采用以内侧满足桥梁最小孔径, 平行端孔梁端线的布设形式。
此外, 还有一种采用墩台方向中心线平行的布线方式, 但当其孔径跨越HY、YH点时, 需要对设计曲线的半径及缓和曲线长度进行相应调整。
2 曲线桥梁的计算
2.1 中心距L的计算
式中:j———梁的预制长度
F———梁端至墩中心的最小距离
b———梁端的最小空隙之半
w———桥面宽度 (包括弯道加宽)
a———相邻两梁中线之偏角
2.2 偏距E的计算
(1) 梁在圆曲线上
E=L2/8R (切线布置) E=L2/16R (平分中矢布置)
(2) 梁在缓和曲线上
E=L2t/8RLs (切线布置) E=L2t/16RLs (平分中矢布置)
式中:t———计算点至缓和曲线起点的长度
LS———缓和曲线起点的长度
R———圆曲线半径
2.3 偏角的计算
梁工作线偏角主要由两部分组成, 一是工作线所对应的路线中线的弦线偏角aa, 二是由于墩台E值不等而引起的外移偏角ab, 而a=aa+ab
(1) aa计算
弦线偏角是指相邻两条工作线之间的偏角, 从几何关系上看弦线偏角等于相邻两条工作线的弦切角之和。
图中弦线偏角aa=b2+b3, 在实际计算中先求出各工作线的弦切角, 然后再将相应的弦切角进行叠加就可以算出弦线偏角, 弦切角的大小与曲线的线型及弦线所在的位置有关, 常见的几种线形如下:
1) 缓和曲线起始段
b1=l2/6RLsπ/180 b2=l2/3RLsπ/180
2) 缓和曲线中间任意段
3) 直线与缓和曲线段
4) 缓和曲线和圆曲线段
5) 圆曲线段
(2) 弦线偏角的计算
1) 当梁全部位于缓和曲线段上, 梁的弦线偏角为:
式中:l1———n点至ZH点或HZ点的距离
l2———n点至n+1点的长度
R———圆曲线的半径
LS———缓和曲线的长度
2) 当梁全部在缓和曲线任意段上时梁的弦线偏角为:
3) 当梁一部分在直线上, 另一部分在缓和曲线上的弦线偏角为:
4) 当第一梁段一部分在缓和曲线上, 另一部分在圆曲线上的弦线偏角为
5) 当第二梁段一部分在缓和曲线上, 另一部分在圆曲线上的弦线偏角为:
6) 当梁全部在圆曲线上的弦线偏角为:
(3) 外移偏角的计算
当梁端墩、台处的值不等时, 会改变工作线偏角的大小, 称为外移偏角:
式中:E1、E2、E3———n-1、n、n+1、点的偏距;
L1———n点至n-1点的长度;
L2——n点至n+1点的长度。
3 控制测量
由于原有GPS点及涉及到先手地球曲率的影响及设计测设原本存在的误差, 在大桥的施测时必须对原有导线点进行加密。所建控制网必须经过平差及联测, 以能在精度上满足桥梁定位放线的要求。而控制点的埋设也要稳定可靠、不宜冲刷、通视良好。
3.1 原理与精度
如下图所示, 0为测站点, P为放样点。全站仪安置在0点, 在P点安置反射镜, 仪器测定P点相对测站点的斜距D、天顶距Z和水平方向值α。则P点相对测站点的三维坐标为:
按照测量理论, 从上述计算式可求得三维坐标法放样精度为:
根据有关文献的理论分析, 采用精度为MZ=Mα=3″、MD=3+3ppm的全站仪, 当测站至放样点的距离小于280m时, Mx、MY、MH的精度可高于±5mm。
为了验证上述理论分析, 探讨实际可能达到的精度, 在实施放样之前和放样过程中, 对放样点的测量精度进行了试验和检测, 在测站至放样点约90~120m时, 求得放样点的平面位置精度MP±2mm;同时对放样点高程的实测精度也进行了检测。根据与等级水准测量精度的高差进行比较, 在高差约43m时, 三维坐标与水准测量的高差互差为2mm。
3.2 切线方位角的计算
圆曲段切线角:BY=L/Rπ/180
缓和段切线角:BH=L2/2πRLsπ/180
所以重圆曲线上任一点的切线方位角:A=A1± (BY+BH)
有了切线方位角, 就可以计算其法线和任一加角方向任一距离点的坐标。
伴随着先进地面测量仪器的不断发展和普及, 定位测量变得更加简单精确。只要我们在工作中能做到耐心细心, 曲线桥梁的定位“差之毫厘”之说也将变为现实。
控制曲线 篇2
姜明，1964年出生。1984—1988年就读于青岛大学毛纺织专业。1988—1999年任职于淄博化纤总厂。1999—2006年，与别人合伙建立淄博赛特纺织公司，任总经理。2006年开始独立创业，建立淄博奈琦尔生物科技有限公司(以下简称“奈琦尔”)，任董事长、总经理。2013年4月，又建立青岛奈琦尔生物科技有限公司，任董事长。
奈琦尔公司从事海洋生物质新材料海藻纤维、天然生物质新材料玉米丝绸、天然竹炭应用研发产业化，在海藻医用敷料、海军海战急救包、阻燃作战服等方面，皆为国内首创，填补国内、军内空白。
5月4日，服装英才网记者来到高新区奈琦尔公司采访，姜明热情地带记者来到产品展示厅，映入眼帘的是玉米纤维、海藻纤维制作的各种衬衣、睡衣、毛巾等产品。
这些产品和成果，起步于姜明大学时代所学的专业。1984年，姜明考入青岛大学，学习毛纺织。毕业后，他进入淄博化纤总厂工作。1999年，抱着趁年轻出去闯闯的想法，姜明离开这里，跟朋友合伙开了一家做纺织品出口贸易的公司。
专业出身，又在纺织行业打拼多年，姜明深知传统纺织业竞争的残酷。“产业化纵深发展，必须研发新材料新产品。”2006年，为了在纺织行业搏一把，姜明开始单独创业，创办了奈琦尔纺织科技发展有限公司。
“那时，纯棉在国内盛行。但六七年前，国外就逐渐减少棉花衣物，用玉米纤维、竹纤维替代。”姜明算了一笔账:两吨玉米能出一吨玉米纤维，与棉花相比，成本大大降低。他开始盯上国内这片空白，把目光投向开发玉米纤维。
但在当时的中国，纺织企业从事专业化生产，要么只织布，要么只纺纱。“新品开发涉及染整、制造、纺纱等环节，专注于一点，很难形成研发链。”姜明愿意为此一搏。“一个配比参数不行，一批布就全废了。”顶着这样的压力，一年后，玉米服装顺利通过小试和中试。2010年，玉米丝绸产品系列产业化。
这期间，姜明又在媒体报道中看到国家领导出访德国，被德方赠与一件海藻衬衣。2005年，他得知母校青岛大学的夏延致教授正在研发海藻纤维，便决定与老师合作。
2009年8月，姜明与青岛大学签订海藻纤维应用研究与开发合作协议，并合作成立了青岛大学——奈琦尔纺织新材料技术研发中心，特聘“泰山学者”夏延致为研发中心主任。经过攻坚，含有海藻纤维的PM2.5口罩于2013年8月上市。海藻高端医用敷料、采血包、创口贴等5个系列产品，也将面向市场。
正是看到了新纤维产业化这块未被涉足的领域，姜明找到了出路，奈琦尔也逐渐成为中国纺织业的“黑马”。用他自己的话说，这些年，就做了一件事。
挖掘天然纤维的绿色效益
奈琦尔公司成立之初，姜明就决定要走一条绿色纺织产业之路，以开发绿色、低碳、环保纺织新材料(玉米、竹、麻、甲壳素、海藻纤维)产业化应用为主。“目前，在纺织纤维中，化学纤维占大多数，废弃后难降解。而天然纤维能生物降解，还能循环利用。”挖掘绿色效益，是姜明的目标。
“玉米纤维服装绿色环保，埋进土里30天就能降解。与化纤服装相比，它的生产过程还能减少50%的温室气体排放。”除了玉米纤维，聊起海藻纤维的前景，姜明更是信心十足。“传统纺织品原料主要来自土地和石油，而海藻来自海洋，是可再生资源，取之不尽，用之不竭。”他认为，海藻纤维是高端科技产品，在当今陆地和石油资源日益减少的形势下，向海洋进军、开拓纤维第三来源，成为人类生存发展的新途径。
另外，姜明把海藻纤维注入纺织业，规模化应用，将极大减少棉花和耕地用量，保证中国粮食安全。“中国是海藻产量大国，海藻纤维产业化，会带动产值，对纺织业、种植业和
海洋生态维护，都意义重大。”
同时，海藻纤维具有天然本质自阻燃的特性，遇火后不产生有害气体，这是其他材料不可比拟的。姜明告诉记者，目前，海藻纤维制成品主要是为军队和消防服务，将来会大批量生产，面向普通百姓。
坚持走绿色纺织产业发展之路，依靠绿色产业，获得经济效益。“海藻纤维项目，有利于环保，为我们的祖孙后代造福。”
“微笑曲线”创新经营理念
除了研发，姜明也注重市场。“新材料制成品研发出来后，要被市场接受，就要建立研发、设计、生产、物流、分销、终端、品牌7个环节的运作网络。”
这种整合被形象地画成“微笑曲线”。姜明紧紧抓住“微笑曲线”的研发和品牌两端，将制造、销售等产业链上的各环节整合起来。“不能局限于生产，拉长产业链，才能产生效益，变苦笑曲线为微笑曲线。”姜明说。
从纺织到成衣，姜明把生产分流进国内各大知名企业，同时控制流水线中最核心的技术，保护知识产权。这保证了公司将精力投入到研发和销售，成为始终保持轻资产的“轻公司”。销售上，公司既卖面料又卖成衣，面料卖给大品牌，恒源祥有2000多家专卖店，水星家纺有3000家专卖店。
虽然没有工厂，姜明却做了让很多知名纺织企业都望尘莫及的事。这种经营模式，被业内外专家认为是传统纺织业转型的典范。“我们学耐克、阿迪达斯，从面料到成品，都申请专利。”他们用耐克阿迪模式，来实现七匹狼的梦想。（服装英才网）
姜明说，奈琦尔的发展依赖于创新联盟，得益于政府支持。创新让公司赢得社会认可，2011年，姜明荣获淄博市“创业之星”称号。“能让老百姓用上价格适中的海藻纤维制成品，节约耕地资源，我觉得很有意义。能做这些，我很满足。”姜明的话，让记者感受到一个企业家的责任感和内心强大的正能量。
中国纺织业历史悠久，奈琦尔只是微小的一环，但姜明却用一系列创新做法，给淄博纺织产业注入活力，启示纺织企业重新洗牌，成为生态纺织时代的引航者。
悬浇小半径曲线桥的施工质量控制 篇3
关键词:悬浇;曲线桥;质量控制
中图分类号:U445.1文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)30-0012-05
1工程概况
1.1结构概况
忻宏线东风大桥为双幅桥。设计荷载为公路-I级,单幅桥面宽度为0.5 m防撞栏+净11 m+0.5 m防撞栏。该桥左幅起点桩号为K3+529.5,终点桩号为K4+078,桥长548.5 m;右幅起点桩号为K3+544.5,终点桩号为K4+078,桥长533.5 m。左幅桥型布置为3 m×25 m预应力混凝土连续T梁+(2×40) m简支T梁+(63+2×110+63) m预应力混凝土变截面刚构-连续组合箱梁+40 m简支T梁;右幅桥型布置为3 m×25 m预应力混凝土连续T梁+(40+25) m简支T梁+(63+2×110+63) m预应力混凝土变截面刚构-连续组合箱梁+40 m简支T梁。主桥主墩采用钢筋砼箱型墩、桩基础,交界墩采用钢筋砼薄壁墩、桩基础;引桥桥墩为柱式墩,桩基础。左幅0号台为肋板式台,桩基础,右幅0号台为肋板板凳台,桩基础,10号台为U型台、扩大基础。桥梁跨越马四河、薛梅铁路和108国道。见图1。
主桥箱梁为单箱单室变截面箱梁连续刚构,控制断面梁高:中间支点处6.2 m,边跨直线段及主跨跨中处2.6 m,其高跨比分别为1∶17.74和1∶42.31。梁高变化段梁底曲线采用二次抛物线。箱梁横截面为单箱单室直腹板,箱梁顶板宽度为12 m,底宽为6 m,箱梁梁体两翼缘板悬臂长度为3 m。箱梁桥纵向采用预应力钢绞线,竖向采用直径25 mm预应力精轧螺纹粗钢筋。横向采用普通钢筋。箱梁采用挂篮悬臂浇筑施工。箱梁(含齿块)采用C55砼。
主桥下部主墩为6 m×3.6 m钢筋砼空心薄壁墩,基础为4φ2.5 m双排钢筋砼群桩。交界墩为6 m×2.0 m钢筋砼空心薄壁墩,基础为φ1.5 m双排钢筋砼群桩。主桥主墩墩身、交界墩身采用C40砼(主墩顶5 m范围内采用C55砼),主桥桥墩桩基、承台采用C30砼。箱梁结构大样图见图2。
1.2主要技术条件
(1)荷载等级:公路-I级。
(2)设计洪水频率:100年一遇。
(3)桥面宽度:整体式双幅桥,单幅桥宽12.00 m。
(4)航道等级:无通航要求。
1.3施工概况
主桥连续梁采用三角挂篮悬臂浇注施工,砼垂直运输采用塔吊吊装。悬浇段和边跨直线段完成后进行全桥合拢,合拢施工顺序为:先两边跨合拢,然后次中跨合拢,最后中跨合拢。
施工工艺流程:0#块托架搭设→0#块支架预压→0#块浇筑施工→在0#块上拼装挂篮→挂篮悬臂浇筑1 #～11#块→边跨直线段施工→边跨合拢段施工→次中跨合拢施工→中跨合拢段施工。
对于预应力混凝土刚构桥来说,采用悬臂施工法有许多优点,但这类型桥梁的形成要经过一个复杂的过程。在施工过程中如何保证主梁竖向线型偏差及横向偏移不超过容许范围、如何保证合拢后的桥面线型良好、如何避免施工过程中主梁出现过大的应力等问题,均需进行施工监控监测。此外,设计是在对结构初始状态等其他参数作出假定的情况下进行的,实际施工时,结构初始状态的失真、理论计算中边界条件的模拟、施工步骤的改变以及偶然施工荷载的作用都会影响结构在施工和成桥时的状态和结构的安全。而施工监控监测是根据施工现场实测结果所得的结构参数真实值进行施工阶段计算,确定每个节段的立模标高,并在施工过程中根据施工监测成果进行误差分析、预测和对下一立模标高进行调整,从而保证成桥后线型、合拢精度及结构内力符合规定值的要求。通过施工监控监测能够确保施工过程中结构的可靠度和安全性,保证桥梁成桥桥面线型及受力状态满足设计要求。
2质量控制
由于在设计计算中采用的物理力学参数与实际工程中的相应参数值不可能完全一致,施工时的临时荷载也不可能考虑得很完全,导致结构的实际应力与设计时的预期效果不一致。质量控制的目的就是通过在施工现场设立的实时测量体系,对施工过程中结构的位移(线型)、内力等参数实时跟踪测量,根据对监测结果应用先进的计算手段进行有效的分析、计算,预测施工下一阶段设置的参数(如施工预拱度及各梁段立模标高等),保证整个结构在施工过程中的安全,并最终逼近设计成桥状态。
3监测依据
(1)马四河大桥设计图纸。
(2)《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)。
(3)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)。
(4)《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041-2000)。
(5)《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)。
4施工监控计算
监控计算就是利用建立的监控计算体系对桥梁施工过程中各阶段结构的应力和位移状态及施工控制参数进行计算和预测,为施工提供施工阶段控制目标值,保证施工顺利进行并使结构最终达到或接近设计要求的成桥状态。悬臂施工连续梁桥监控计算所采用的方法是正装法。根据施工架设过程对结构进行正装施工控制计算(包括对结构某些参数的调整),使施工时结构的内力和变位等同或逼近设计目标状态。
4.1监控计算的主要内容
悬臂施工法大跨度刚构桥施工监控计算的主要内容包括线型控制计算及应力控制计算两个方面。线型控制计算的主要内容首先是根据施工阶段及步骤,考虑临时荷载、温度荷载、预加应力荷载、混凝土收缩徐变等因素的影响,判断已完成施工线型是否满足设计要求,其次是根据现有桥梁状态对下一阶段施工线型进行预测,提供立模标高等施工参数。应力控制计算的主要内容首先是计算在各个施工阶段,在各施工荷载及临时荷载组合情况下主桥关鍵截面的应力值及安全程度,并与实测值进行比较,其次是对下一阶段施工进行模拟计算,分析并预测关键部位的应力水平,对施工方案是否需要调整进行判断。
4.2结构计算
计算初始状态一般可以取用设计部门确定的设计状态作为监控计算初始状态。监控计算应对设计成桥状态进行复核验算,并进行优化,以确定最优的设计成桥状态,并以此作为监控计算依据。
根据桥梁的几何参数、结构参数和设计状态建立有限元模型。
计算控制参数的选择原则是所选择的参数在施工现场是经常变化的,并且其变化应能较敏感地反应出在施工过程中其对桥梁结构行为的影响,而且,这些参数应易于表示,易于度量,易于取得。通常情况下,选择混凝土箱梁的线型(即悬臂端的顶面标高)及梁体控制截面的应力等。
另外,施工控制参数包括:结构各构件施工前后的标高变化和主墩偏位、各构件施工前后结构内力的变化、预应力束张拉顺序及张拉吨位的调整、结构体系转换时对结构参数的调整等。
4.3施工状态预测
监控计算的结果应与设计单位的计算结果进行核对,以保证施工安全。计算的主要内容为各施工阶段的结构内力、应力以及线型,同时提供悬臂浇筑梁段的立模标高。
4.4施工后的校核计算
本阶段施工完毕后,将计算结果与施工监测结果进行比较,若两者差别满足要求,则提出下阶段的施工控制参数以进行下阶段的施工;若不满足要求,则根据最新的实测监控参数进行结构分析并对本施工阶段控制参数的目标值进行必要的修正。对每一阶段的施工都重复步骤4.2和4.3的内容。
4.5设计参数识别
在本桥施工控制中,设计参数的识别就是通过量测施工过程中实际结构的行为,分析结构的实际状态与理想状态的偏差,用误差分析理论来确定或识别引起这种偏差的主要设计参数,经过修正设计参数,来达到控制桥梁结构的实际状态与理想状态的偏差的目的,本桥采用施工控制技术为我公司开发的自校正调节法。该办法是将自适应控制和预测控制结合起来,实现最优控制。
4.6施工监控方法——自校正调节法
施工过程中,桥梁的实际状态与理想状态存在一定偏差。施工中结构偏离目标的原因涉及的范围极其广泛,包括设计参数误差(如材料特性、截面特性、徐变系数等)、施工误差(如梁段重量、悬浇误差、预应力张拉误差等)、测量误差、结构分析模型误差等。为了分析并调整这些误差,达到最优控制,需要运用一定的控制理论和方法,把桥梁施工看作为一个复杂的随机动态过程,根据结构理想状态、现场实测状态和误差信息进行误差分析,使结构施工的实际状态趋于理想状态。
本桥拟采用自校正调节法将自适应控制与预测控制结合起来,其控制思路是:首先,采用最小二乘法根据实测值对结构中的设计参数与计算模型进行自校正,重新建立施工目标状态,然后,运用卡尔曼滤波器进行状态滤波与预测,最后用最小二乘法进行最优化控制调节。该方法具备三大功能:①根据实测值不断地对计算模型进行自校正;②通过滤波得出结构的真实状态并预测未来;③根据滤波值与预测值采用最优控制方法对偏差进行调节。鉴于它比一般的预测控制增加了自校正功能,又比一般的自适应方法增加了预测和调节功能,称之为自校正调节法。
5施工监测
施工控制中的监测内容主要包括3个方面:①线型测量:桥梁轴线偏位及主梁标高测量;②主梁各控制截面在各施工阶段的混凝土应力测试;③温度场测量。
5.1桥梁结构线型监测
线型控制是施工监控的重要内容,线型的好坏直接关系到梁体的安全,主跨、边跨的合拢,以及全桥建成通车后的行车舒适度。同时,监控指令的正确合理与否,很大程度上依赖于线型等实测数据的准确性与真实性。
按《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)的要求,对主梁悬臂浇筑过程中的立模标高、局部线型、轴线偏位、同跨对称点高程差、合龙段相对高差、断面尺寸偏差、已浇段及成桥后主桥系统控制误差等指标进行控制监测。
5.2结构应力监测
选取具有代表性的截面,埋设应力传感器,对其应力应变进行测试,并通过对相关测试应变数据进行理论分析、误差分析使其尽可能地接近实际,从而较准确的掌握结构的真实应力状态。
5.3温度场测量
结构受力状态及线型的变化除与结构外荷载状态等因素有关外,还与结构体系所处的温度场相关。桥梁结构在桥位处各种环境因素的影响下,其温度场的变化主要体现在长期季节温差和短期体系温差两种形式上,长期季节温差主要是由于季节变换(环境气温)而引起结构整体升降温,对结构的影响主要体现在:结构整体升降温及合拢温度控制;短期体系温差主要指桥梁结构在日照等因素的影响下,在结构内部产生不均匀温度场,形成温度梯度。施工过程中,这两种形式的温差均将对结构的内力及线型产生重要影响。因此,必须在施工过程中对温度场进行监测。
6施工监测方法
6.1结构变形监测
借助施工建立的平面及高程控制网,应用三角及精密水准法对桥梁进行线型监测。
6.1.1线型监测
线型监测是连续梁施工控制的核心之一,确定好线型测点非常重要。为确保测试结果的准确、可靠,每个施工块件腹板上前端顶各布置2个对称的高程观测点,以利于在观测箱梁挠度的同时,同时观察箱梁是否发生扭转变形。0#块的高程观测点不但是本块件箱梁顶板设计标高的控制点,同时也是后续各悬浇节段高程观测的基准点,因此每个主墩及次主墩箱梁顶面的高程控制点作加密布置,具体见图3。块件的挠度测点位置设在距块件前端10 cm处(距箱梁两个腹板中心90 cm)的顶面,并尽量与施工单位共用一套测点,以互相校核。测点采用φ16钢筋制作,并用在垂直方向上与箱梁顶板的上下层钢筋点焊牢固,并保持垂直,顶端打磨平整,侧缘倒角并露出砼面1 cm,用红油漆标识。
图3
6.1.2主梁轴线偏位测量
主梁轴线偏位测点布置见图4,采用视准法直接测量。将全站仪或经纬仪架设在墩顶梁面中心,后视另一墩顶梁面中心,视线为基准线,在梁前端中心标记处放置小钢尺,钢尺基准点与梁端中心点重合,用仪器直接读取钢尺读数,即为轴线偏移值。
(说明:N1、N2为挠度测点,CP为轴线偏位测点)
图4主梁轴线偏位测点布置图
6.1.3线型测量仪器设备
全站仪,精度:±2”。Wild NA2自动安平水准仪,精度:±0.7 mm/100 km。
6.1.4线型测量注意事项
(1)线型测量过程中,当各墩之间及各墩与施工控制网之间可以联测时,应进行联测,以确保测量数据的可靠、准确。
(2)为尽量消除温度对线型测量的影响,线型测量时间定在温度相对恒定时进行,一般在夜间19:00以后或清晨日出8:00之前,并随季节调整。
(3)施工监控过程中应注意因暂时不平衡力而引起的主梁和墩身线型的变化。
(4)施工监控过程中,应注意各种临时荷载、挂蓝等力是否平衡。并严格管理各种临时荷载的堆放位置。
(5)线型测量工况:预应力张拉后。特殊情况下可适当加密测量的频次。
6.2结构应力监测
对大跨度预应力混凝土桥梁而言,由于混凝土材料的非均匀性和不稳定性,受设计参数(如材料特性、密度、截面特性等参数)、施工状况(施工荷载、混凝土收缩徐变、预应力损失、温度、湿度、时间等参数)和结构分析模型等诸多因素的影响,結构的实际应力与设计应力很难完全吻合,即计算应力不可能准确反映结构的实际应力状态。只有通过理论分析、误差分析等手段,使测试应力结果尽可能地接近于结构实际,才能较准确地掌握结构的真实应力状态。由于混凝土材料的特殊性,测量应力的误差主要来源于混凝土的实际弹性模量的差异和混凝土的收缩徐变的影响。为了排除非受力应变,在埋入工作应力计的同时,也埋设无应力计,测试混凝土的非应力应变。从实测的总应变中减去无应力计测试的无应力应变,即可得到由应力引起的混凝土应变,再根据混凝土的应力应变关系,可以推算混凝土在不同应力状态下的单轴应变计算公式,从而计算出混凝土的应力。
6.2.1传感器选择
基于大桥施工工期长、工作量大(测量频繁且须多点同时读数)、现场测试环境差(边施工,边测量),密封、绝缘要求高,温度变化难于预测,因撞击、振捣损坏传感器器件的情况不可避免。同时,还必须设法排除混凝土收缩徐变对测试结果的影响。在整个监测监控期间,为了不影响桥梁现场施工进度,鉴于同类桥梁施工监控的经验,拟选用内埋式钢弦应变传感器。目前,工程界普遍认为,钢弦式内埋应变传感器量程大、精度高、零漂和温漂小,且自身防护破损的能力好,便于长期观测,是混凝土应变测量较理想的传感元件。
根据混凝土箱梁结构可受到的荷载和温度变化情况,选用钢弦式记忆智能数码应变计。其主要指标如下:量程±1 500 με、灵敏度1 με、长期稳定性2 με～3 με。配合使用无应力计,检测仪器为钢弦频率巡检仪。
6.2.2测试断面及测点布置方案
實践表明:箱型截面整体性好,结构刚度大,承受正、负弯矩及抗扭能力强,是一种经济合理的截面形式。单箱单室薄壁截面,可提高单位面积的惯性矩,可采用箱梁顶板横向预应力与腹板内竖向预应力配筋来解决长悬臂箱梁的受力问题。对于大跨度三向预应力混凝土刚构桥,箱梁结构在混凝土悬浇中各截面的应力分布有很大的差别,起控制作用的因素是主梁的自重、挂篮和预应力,因此监测主梁的上下缘正应力就显得尤为重要。
应力测试断面的选择主要考虑以下因素:①结构受力的关键截面;②施工流程;③本桥自身特点;④结构的对称性;⑤结构或构件的受力特点。
6.2.3钢弦应变计埋设
为保证埋设的钢弦应变计有较高的成活率,需对埋设的应变计特殊处理和进行多项检查。在操作中尽可能准确地使钢弦应变计与纵向应力方向保持一致。为防止混凝土浇筑过程中传感器的窜位和角度改变,埋设时用扎丝将传感器较牢捆扎在钢筋上。
6.2.4箱梁应力测量工况
混凝土箱梁的悬浇过程大致可分为3个工序:①挂篮前移、立模;②混凝土浇筑;③预应力张拉。则应力测量工况为:悬臂施工的前1个～2个阶段,在混凝土浇筑后和预应力张拉后测量;后续节段正常施工,在预应力张拉后测量,合拢前适当加密;然后对体系转换后箱梁结构各工况改变后的应力进行监测,直至箱梁竣工。特殊情况下,可适当加密箱梁应力的监测频次。测量时间选定在每一工况结束后3 h～6 h为宜,同时,在每一施工阶段,各工况测量时的温度变化不能太大。
6.3结构温度监测
温度场测量采用JMT-36半导体智能型温度传感器进行。
JMT-36智能型温度传感器主要性能:精度±0.5 ℃,稳定性±0.5 ℃,测量范围-40 ℃～150 ℃,线性误差±0.3 ℃;其测量结果可不受接长导线长度影响,测量仪器采用ZX-300型巡检仪。
温度场的测量值作为控制参数供施工控制计算之用。
6.4施工线型控制目标
两合拢两侧主梁悬臂端高差小于1 cm,要求结构的线形平顺最大误差与设计线形比较小于3 cm。
6.5箱梁悬浇高程控制示意图
见图5、图6。
7投入施工监控的仪器设备
根据本桥监控监测的要求,采用两套通过实际工程使用检验的施工控制专用软件进行计算分析,以及进行全过程施工控制及预测。
序号仪器设备名称数量(台套)用 途
1便携式计算机1数据处理
室内作业
2国产便携式打印机1室内作业
3ZX-300巡检仪1应力监测
4巡检仪集线箱4应力监测
温度测量
5全站仪1线型测量
6Wild NA2自动安平水准仪1线型测量
7ZX-212A型弦式记忆智能数码应变计若干应力监测
8JMT-36智能型温度传感器若干温度测量
9Midas软件1结构计算
10其他常用工具(如钢尺、钢板尺、钢卷尺、垂球、三角尺和计算器等)若干
通过施工监控,马四河大桥施工合龙线形偏位为15 mm,高程偏差为8 mm,满足设计及监控的要求。
3-3、4-4、9-9、10v10、14-14 2-2、5-5、6-6、7-7、11-11、12-12、
和15-15截面(左幅) 13-13和16-16截面截面(左幅) (c)1-1和8-8桥墩截面
(b)主梁截面应力测点布置点应力测点布置图(左幅)
(说明:温度传感器的布置见上图。全桥合计:埋入式应变传感器70个,表面式应变传感器8个,温度传感器70个。)
图6
参考文献
1 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)
2 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)
3 《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041-2000)
4 《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)
Control Hangs Pouring Short Radius Curve Bridge’s Construction Quality
Du Yuelin
Abstract: East of this article the air crossing construction is an example, introduced in the small radius bracket construction’s bridge, uses buries the temperature and the endogenic force strain sensor in advance, the union construction monitoring survey, through advanced computation software, control construction linear.
急曲线盾构施工控制技术要点 篇4
盾构隧道施工技术可在极少干扰城市正常功能的前提下,安全快速的完成隧道施工,已成为城市修建地铁隧道及穿越江河隧道的首选施工方法。然而,由于地铁车站设置、穿越上覆建筑物等条件制约,隧道的设计轴线在空间上不可能全部为直线或缓和曲线。一般的城市地铁线路正线最小曲线半径在300 m～600 m之间,困难条件下可设置为250 m～300 m之间的急曲线,目前已有曲线半径小于250 m的施工工况,如广州地铁5号动物园站—杨箕站的曲线半径已达到200 m。因此,研究盾构在急曲线半径条件下的盾构施工控制技术,对于提高盾构隧道施工质量,降低施工风险具有重要意义。
1 盾构施工控制技术
1.1 盾构设备选型
盾构机作为最重要的隧道开挖设备,其设备选型及构造决定了能否顺利完成隧道开挖使命。由于盾构机自身为直线形刚体,在施工过程中并不能与隧道设计曲线完全拟合。在曲线段盾构掘进只能为一段连续的折线,呈现“蛇形”线路。盾构机体越长,与设计曲线拟合的难度就越大,隧道轴线越难控制。因此,当盾构机体长度不能满足急曲线施工的情况下,选用具有铰接装置的盾构机。铰接装置通过液压油缸行程的不同,可以使盾尾和中前盾中心线之间形成一定夹角,从而让盾构机预先推出弧线姿态,与隧道设计曲线趋于吻合,为管片提供良好的拼装空间。
1.2 井下水平运输设备
井下水平运输设备主要由电瓶车、渣土车、浆液车和管片车组成,并在铺设的轨道上行驶。隧道曲线半径越小,水平运输设备的穿行能力就越小。因此选用的单节车体长度和宽度应较小,必要时可使用转向装置等措施增加其通行能力。
1.3 管片选型及姿态控制
盾构隧道最终是由管片分块成环,继而由环间纵向连接成衬砌。因此在曲线段需选用楔形管片。利用管片楔形量和管片拼装的旋转角度进行隧道转弯和纠偏。隧道曲线半径越小,需要的管片楔形量越大。然而楔形量过大,则衬砌拼装后隧道容易产生渗漏水现象。因此,为保证隧道拼装质量,应合理选择管片的楔形量,应减小管片宽度,使成型隧道轴线与设计线形尽量保持吻合。
盾构在急曲线段掘进过程中,曲线外侧盾尾间隙很小,曲线内侧盾尾间隙很大,造成曲线外侧管片拼装困难和隧道轴线难以控制。在盾构掘进过程中,应采取措施使左右两侧盾尾间隙接近正常值,让管片保持较好的姿态,使管片姿态和盾构机状态保持一致。若通用环形式管片,必要时可采用几环通缝拼装来替代错缝拼装,来弥补错缝拼装后楔形量不足的问题,从而实现管片衬砌顺利转弯。
1.4 施工测量
在盾构施工中,测量是决定盾构姿态控制的重要环节。在盾构进入缓和曲线前、在缓和曲线上、进入急曲线段前必须分别进行隧道贯通联系测量。即通过地面控制网复测、竖井联系测量和隧道内导线测量对盾构的掘进方向进行复核,为盾构在曲线段施工时姿态控制提供依据。同时,在急曲线上要加强测量频率,了解盾构掘进状态,调整掘进参数,使盾构在急曲线段施工完全处于受控状态。由于急曲线段的曲线半径小,隧道内可视距离变短,导致盾构VMT导向系统测量移站频率增加,且测量站安装在尚未稳定的管片上,测量数据极易变动,更应增加测量频率,及时调整VMT系统数据。
1.5 设备检修
盾构在进入曲线段前,尤其是急曲线段前,应对设备进行全面检测及维修,特别是刀具磨损、损坏检修,从而为曲线段一次性通过创造条件。同时在曲线段掘进过程中,密切注意掘进速度、刀盘扭矩等参数变化,确保各种刀具特别是边缘仿形刀的正常使用。
1.6 曲线拟合
由于盾构在曲线段施工时,隧道轴线与管片端面法线会形成一定角度,使推进油缸顶力产生侧向分力。曲线半径越小,侧向分力越大。受侧向分力影响,当管片环脱出盾尾后,会向曲线外侧产生一定的偏移。因此,为使隧道轴线最终偏差处于要求范围内,需在曲线段掘进时向曲线内侧预留一定偏移量,即盾构机应沿设计轴线的割线方向掘进。预偏量的确定需要依据理论计算和施工经验综合分析得出。
1.7 掘进参数控制
在急曲线段施工时,应降低盾构机掘进速度,减小总推力。盾构掘进速度越快,盾构机总推力就会越大,管片所受侧向分力就越大。同时,为减小侧向分力对管片姿态的影响,可分次间隔地完成一环掘进。即每掘进一定距离,停止掘进并分批收回全部千斤顶,再让千斤顶重新顶压管片,然后继续掘进,多次循环完成一环的掘进。从而改变了千斤顶顶靴和管片接触位置,调整千斤顶推力方向,减小千斤顶推力与管片端面法线的夹角,从而减小了千斤顶侧向分力。
1.8壁后注浆控制
在急曲线段进行盾构施工,宜采取不平衡同步注浆与双液注浆相结合的方案,控制成型隧道轴线,减少管片错台和破损现象。即关闭轴线内侧壁后注浆泵,利用外侧注浆孔进行注浆,甚至二次注浆,防止管片环在侧向分力作用下向外偏移。
2结语
盾构在急曲线段施工时,最为重要的是如何处理盾构姿态、管片姿态、隧道轴线之间的关系。因此,在盾构设备和管片选型确定后,盾构施工过程中的控制方案决定了成型隧道的质量。通过系统阐述急曲线段的施工控制措施,以期更好地为指导盾构施工提供借鉴。
参考文献
[1]竺维彬,鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2006.
[2]竺维彬,鞠世健.盾构隧道管片开裂的原因及相应对策[J].现代隧道技术,2003(1):21-25.
[3]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,1991.
采气曲线总结 篇5
一、气井异常分析处理
1、井口
1）井口装置堵塞（针阀、井口保护器、流量计等）
异常现象：套压基本不变，略有上升，油压上升明显，产气量下降，产水量下降，氯离子含量不变。处理措施：①注醇解堵；
②站内放空解堵；
③站内放空和注醇配合解堵(堵死)；
④冻堵部位加热解堵。2)井口装置刺漏
异常现象：套压基本不变略有下降，油压下降明显，产气量下降，产水量下降。处理措施：验漏找出漏点，对漏点维修，建议上报上级技术管理部门审批。3）仪器仪表
异常现象：①1个参数异常，仪表故障。处理措施:维修更换仪表。
异常现象：②几个参数异常规律相同，远传设备故障。处理措施：维修或更换远传设备。
2、井筒
1）油管挂密封失效
异常现象：套压与油压持平，产气量略有上涨，产水量基本不变，略有下降。处理措施：维修或更换油管挂，建议上报上级技术管理部门审批。2）油管柱在上部断裂
异常现象：套压与油压持平，产气量略有增加，产水量略有下降。处理措施：维修或更换油管柱，建议上报上级技术管理部门审批。3）井筒上部套管破裂地层水倒灌 异常现象：
①套压下降明显，油压下降相较套压缓慢，产气量下降，产水量略有下降（气井具备生产能力）。
②油、套压均下降明显，产气量、产水量为零（水淹）处理措施：①堵水（利用封隔器将破损段隔开）；
②维修破损套管;建议上报上级技术管理部门审批。
4）
①井下节流器失效
异常现象：套压略有下降，油压上升明显，产气量上升，产水量上升。处理措施：更换井下节流器，建议上报上级技术管理部门审批。②井下节流器堵塞 异常现象：
①套压略有上升，油压下降，产气量产水量均下降（未堵死）； ②套压略有上升，油压下降至外输压力，产气量、产水量为零（堵死）。处理措施：①注醇解堵；
②井下节流器维修更换;建议上报上级技术管理部门审批。
5）封隔器失效
异常现象：套压上升，油压下降不明显，产气量基本不变略有下降，产水量基本不变略有下降。
处理措施：重新坐封封隔器，建议上报上级技术管理部门审批。6）油管积液 异常现象：
①套压基本不变略有下降，油压下降，油套压差增大，产气量下降，产水量上升（气井携液正常）；
②套压基本不变略有下降，油压下降，油套压差增大，产气量下降，产水量上降（气井不能正常携液）
处理措施：①泡沫排水采气（优化出该井泡排剂加注量和周期）;②气举排水采气（优化出气举阀的数量、启动压力及气举方式）;③小油管（选择合适的小油管尺寸）;建议上报上级技术管理部门审批。
7）气井水淹
异常现象：套压基本不变略有下降，油压急剧下降，产气量、产水量为零。处理措施：①泡沫排水采气（加大泡排剂剂量）；
②若井下有气举管柱气举排水采气；
③抽吸排液（试气队）;建议上报上级技术管理部门审批。
8）油管堵塞 异常现象：
①套压基本不变略有下降，油压急剧下降，产气量、产水量下降（未堵死）;②套压基本不变略有下降，油压急剧下降，产气量、产水量为零（堵死）。处理措施：注醇解堵，建议上报上级技术管理部门审批。9）井底积垢
异常现象：套压、油压下降趋势基本一致，产气量、产水量下降。处理措施：洗井（正洗井，反洗井），建议上报上级技术管理部门审批。
3、气层 1）气层渗透条件变坏。
异常现象：套压、油压下降、趋势基本一致，产气量、产水量均下降，趋势基本一致。
处置措施：①近井地带污染，解除污染物（超声波、水利震荡、细菌）；
②远井地带压裂、酸化;建议上报上级技术管理部门审批。
2）气层渗透条件变好
异常现象：套压、油压上升、产气量、产水量均上升。说 明：①压裂或酸化等措施见效；
②气层渗透条件自然变好。
建 议：继续维持生产，观察分析及时调整生产方案，建议上报上级技术管理部门审批。
二、推荐适合该井后期的开采工艺
1）无水气井：产气量较高，产水量小，氯离子含量低。建议工艺：实施控水采气（选择适合该气井的生产制度）。
2）气水同产井：套压下降、油压下降，产气量下降，产水量增加，氯离子换量急剧增加。
建议工艺：①排水采气（泡排、气举、小油管）；
② 堵水采气（封隔器机械堵水、化学堵水）。3）低压气井
建议工艺：①压缩机增压采气工艺技术；
② 喷射器增压采气工艺技术；
③间隙采气工艺技术。4）含硫气井
建议工艺：①防硫化氢中毒； ② 选择抗硫材料，加注缓蚀剂（防硫化物应力腐蚀破裂）；
③定期检测校验材料强度。
三、计算
1、气井的温度：
TLt0L273.15 M2、井筒平均温度
Tt0sL273.15 2MswfpPPzr PPpSPTPP LL2211PwfP2(LL2)PT
S型曲线:第二条曲线 篇6
这是所有事物发展的必然规律，这个曲线也常被称为钟形的曲线。在商业领域，对这个曲线最深入的解读当是杰弗里·摩尔的“技术产品接纳周期”，他接着把它细分成很多部分，逐个分析其中每个阶段发展的特点、动力和障碍，发现其中的断裂。但汉迪的真正贡献在于，他指出了在这个近乎宿命论的S型曲线中存在着面向未来的生机：在S型曲线中如何成长出第二条发展的曲线，而不必绝对的走向衰退。
汉迪所指出的第二条曲线是：在第一条S型曲线还没有到达顶点时，在某一点开始主动地向下走，然后再次走出一条从底部向上的S型曲线。其中要点有二：第一，这一点位于第一条曲线到达顶点之前；第二，第二条曲线开始的方向是向下走的。如果以企业为例也就是说，转型发生在企业辉煌的顶点之前，转型所选的方向和过程不是更好，而是似乎选择了倒退的方向。
转型之点在顶峰之前是因为，这是事物在向好的方向发展，在这一点上，“时间、资源、动力都足以使得新的曲线度过它起初的探索和挣扎的过程。”而如果过了顶峰、甚至在走下坡路的时候才转型，这时大问题就来了，“在那点，很难动员资源或者恢复一个人在鼎盛时的可信度。”在鼎盛时期之前的转型，有效地利用事物发展的自然动力；而在鼎盛之后的转型，则需要多费一份心力去和趋势做斗争。
控制曲线 篇7
为克服传统方式加工时复杂曲线、曲面需离散为直线、圆弧的种种弊端[1], 现代数控系统开始应用参数曲线插补。参数曲线插补可直接将曲线信息传输到CNC中, 而不必将其分解成微小线段, 因此使CAD/CAM和CNC之间的信息传递连续。目前常用的参数曲线插补是NURBS曲线插补[2,3,4,5,6,7,8,9]。
NURBS曲线插补算法很多, 其中控制进给速度算法在现代插补中最为常用。Yang等[2]为改善对进给速度的控制, 以二阶泰勒展开式设计插补器, 但没有考虑误差控制。为提高加工精度, Yeh等[3]提出限定弦高误差的自适应插补算法, 然而该算法没有考虑机床加减速能力对进给速度的影响。为改善加减速控制, 杜道山等[4]提出实时前瞻自适应插补算法, 该算法能按照插补精度和机床加减速能力调整进给速度, 但忽略了加减速突变对机床产生的冲击。为减小加减速突变对机床产生的冲击, 赵巍等[5]、姬俊锋等[6]在插补开始和结束阶段采用S曲线加减速度控制方法, 有效减小了机床启动和停止时产生的冲击。李思益等[7]提出采用分段三角函数曲线来实现对机床运动的平滑控制以避免加加速度阶跃的产生。上述文献都没有考虑插补全过程中的加减速插补处理。李建刚等[8]采用直线加减速度控制方法对插补速度进行规划, 满足机床加减速能力要求, 但没有考虑加减速突变引起的加加速度超出机床能力对加工精度的影响。Lin等[9]采用5段式S曲线加减速控制方法对插补全程进行加减速插补处理, 虽达到加减速度控制要求, 但仅适用于不需要匀加速段就能达到最大进给速度的情况。
针对上述问题, 笔者基于7段式S曲线加减速控制策略[10], 提出一种对NURBS曲线插补全过程进行加减速处理的自适应分段插补算法, 以实现高速度、高精度要求下对插补精度、进给速度、加速度及加加速度的全面控制。
1 NURBS曲线自适应速度调整
在零件加工过程中, 进给速度是影响加工质量的关键因素, 只有保证进给速度稳定, 才能保证加工零件表面质量。
为改善对进给速度的控制, 参数曲线变量的计算式可通过二阶泰勒展开变换近似得到[2] (二维曲线) :
ui+1=
式中, T为插补周期;v为插补进给速度。
进给速度
式中, vF为机床进给速度指令值;ER为限定弦高误差;ρi为曲线曲率。
Yeh等[3]提出自适应插补算法, 一方面尽量保持进给速度的稳定, 另一方面在弦高误差超过规定精度范围时自动调整进给速度, 调整规则如式 (2) 。由式 (2) 可知, 进给速度v (ui) 随限定弦高误差ER和曲线曲率半径ρi的变化自适应地调整。
2 7段式S曲线加减速规划
自适应速度调整能得到满足精度要求的速度, 但在曲线曲率半径很小的区域, 速度改变可能超出机床的加减速能力, 对机床产生冲击。
为调整小曲率半径区域曲线进给速度, 在曲线曲率尖角处将曲线分段, 采用S曲线加减速控制方法重新规划进给速度。图1所示为NURBS曲线插补轨迹。
2.1加减速区域分析与分段预处理
要将曲线分段, 需对经自适应算法得到的各项数据进行分析, 找出分段点:分段后按照S曲线速度规划要求对各曲线段进行预处理。具体步骤如下:
(1) 以参数ui计算得当前插补点P (ui) 坐标、曲率ki及曲率半径ρi;将ρi代入式 (2) 计算得符合曲线轨迹精度要求的进给速度v (ui) ;将以上获得的相关参数代入式 (1) 计算得到下一插补点参数ui+1。
(2) 根据允许最大弦高误差ER、插补周期T和进给速度vF, 找出需要加减速处理的曲率极大值点位置。由式 (2) 可知, 当以
由步骤 (1) 得到整条曲线曲率ki, 在ki≥krg范围内找出各极大值点。如图2所示, kA、kB、kC、kD为符合式 (3) 要求的各曲率极大值。
(3) 在曲率极大值点处将曲线分段。如图1所示, A、B、C、D分别对应图2中各曲率极大值点, 将曲线分为
2.2分段曲线速度规划
S曲线加减速控制可实现加减速过程中加速度连续变化, 有效减小冲击和振荡。图3所示为S曲线加减速过程, 整个过程由加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速及减减速7段组成[6]。
其加加速与减加速的时间相同, 加减速与减减速的时间相同 (t1=t3, t5=t7) , 可得位移公式:
式中, si为起始点到各阶段点位移, i=1, 2, …, 6;ti为图3中7段加减速各阶段持续时间, i=1, 2, …, 7, 其中t1=t3、t5=t7;vi为各阶段起始速度, i=1, 2, …, 6;amax为最大加速度;jmax为最大加加速度。
对2.1节步骤 (3) 得到的不同曲线段参数, 如曲线段速度最大值vmax、初始速度vst和结束速度vend, 进一步分析判断其速度曲线类型是属于加速, 还是减速, 或包含加速和减速, 再采用S曲线加减速方法对其重新进行插补进给速度规划, 由此得到图4所示的17种S曲线加减速类型。重新规划插补进给速度的过程主要包括以下两个步骤:
(1) 根据各曲线段长度Lseg、起点速度vst、终点速度vend、速度最大值vmax判断当前曲线段的加减速类型。下面以图4b～图4e类型为例说明加减速类型判断过程。将曲线段起始速度vst、最大加速度amax及最大加加速度jmax代入位移计算式 (4) 中, 得到位移长度的表达式:
当vmax-vst≤a
加速过程中无匀加速段, 加速过程中的时间分别为
由式 (7) 计算得到t1、t2和t3, 代入式 (5) 计算出S的理论值S1。比较Lseg与S1大小, 当Lseg>S1时为图4c类型;当Lseg≤S1时为图4b类型。
当vmax-vst>a
由式 (8) 计算得到t1、t2和t3, 并代入式 (5) 计算出S的理论值S1, 同时, 将不包含匀加速段的临界条件t1=t3=amax/jmax及t2=0代入式 (5) , 计算出不包含匀加速段的轨迹理论长度极值S2。比较Lseg与S1、S2的大小, 当Lseg>S1时为图4e类型;当S2<Lseg≤S1时, 为图4d类型;当Lseg≤S2时为图4b中类型。
同理, 利用式 (4) 、式 (6) 、式 (7) 、式 (8) 可以得到包含匀加速段、匀速段及匀减速段中任意一段或多段情况下轨迹长度的极值, 并与Lseg比较可以判断出各曲线段与图4中对应的17种加减速类型。
(2) 判断出当前段加减速类型后, 应用式 (4) 对时间t求一阶和二阶导数, 分别得到速度及加速度方程, 进而可求出加速、匀速及减速各部分时间。
以图4j类型为例, 根据式 (4) 计算各部分需要时间, 经化简得:
vmax=vst+jmaxt
Lseg= (vst+vmax) t1+ (vend+vmax) t5 (10)
由式 (9) 得
将式 (9) 、式 (11) 代入式 (10) 得
求解式 (12) 可计算得到t1, 将t1代入式 (11) 计算得到t5。
同理, 可推导出其他各种加减速类型的各部分运行时间t1、t2、t3、t4、t5、t6和t7, 完成S曲线加减速规划。各NURBS曲线段按照重新规划好的S曲线加减速方案完成曲线插补。
3 插补仿真结果与分析
以图1所示3次NURBS曲线为例, 曲线特征和各项插补参数分别为:控制顶点:d=[0 0 -200 -200 -200 200 0 0 200 -200 200
200 0 0];权重因子:ω=[1 2.5 2.5 1 2.5 2.5
1];节点矢量:U =[0 0 0 0 0.25 0.50 0.75 11 1 1];最大进给速度vF=1000mm/s;插补周期T=1ms;允许最大弦高误差ER=0.5μm;允许最大加速度amax=6m/s2;允许最大加加速度jmax=70m/s3。
使用MATLAB软件, 在相同的固定插补周期下, 分别仿真单独自适应插补算法、5段式S曲线加减速分段规划及7段式S曲线加减速分段规划3种算法的插补加工过程。各种方法插补全过程步数及相应插补时间如表1所示。
由图5可见, 3种插补算法在曲线曲率尖角A、B、C、D处都达到ER=0.5μm精度要求。5段式S曲线加减速分段处理后的弦高误差曲线与7段式S曲线加减速分段处理后的弦高误差曲线几乎重合, 在局部地方, 5段式S曲线加减速算法的精度略微高于7段式S曲线的加减速精度。而单独自适应插补算法得到的弦高误差虽保持在0.5μm以内, 但在A、B、C、D之外区域都大于另外两种算法获得的弦高误差, 表明该方法的加工精度比S曲线加减速分段控制算法的精度低。
由图6可见, 单独自适应插补算法获得的进给速度在整段曲线50%区域内都达到1000mm/s, 全程平均速度约为747mm/s。由于受分段后各曲线段长度、起始速度、结束速度、最大加速度和最大加加速度影响, 5段式S曲线分段处理后达不到给定的最大速度值, 最高速度为800mm/s, 插补全程平均速度约为488mm/s;7段式S曲线分段处理后在曲线BC段能达到1000mm/s, 插补全程平均速度为594mm/s, 比5段式S曲线加减速处理后平均速度提高21.7%。对照图5可知, 在弦高误差相近情况下, 采用7段式S曲线分段处理后的加工效率更高。
从图7可知单独自适应算法中加速度达到±17m/s2。
5段式S曲线加减速分段处理和7段式S曲线加减速分段处理后的加速度均控制在±6m/s2 以内, 比单独自适应算法中加速度减小64%, 从而满足了机床的加减速要求。对照图6中速度曲线可知, 5段式S曲线加减速分段处理后的加速度曲线不包含匀加速段, 而7段式S曲线加减速分段处理后的加速度曲线中包含匀加速段, 可使进给速度在匀加速时间段内以最大加速度为变化率持续升高, 因而前者速度只能达到800mm/s, 而后者可达到1000mm/s。
图8a中自适应插补算法加加速度在2000m/s3至-16000m/s3范围内波动, 超出允许最大加加速度±70m/s3要求。
图8b、图8c中5段式S曲线加减速分段处理和7段式S曲线加减速分段处理后的加加速度都控制在最大加加速度±70m/s3内。
由以上分析可知以插补精度、加速度及加加速度为限制条件时, 虽然单独自适应插补算法插补总步数较少, 且插补总时间较短, 但其最大加速度和加加速度超过限制条件。采用7段式S曲线加减速算法明显比5段式S曲线加减速算法所需插补总步数要少, 且时间要短, 所需插补时间为5段式S曲线分段处理后插补时间的82.06%, 对比可知插补效率更高。
4 实验与结果
为进一步验证该算法在工程中的可行性, 以图9两轴联动平台进行实验。该平台的DSP+FPGA数控系统硬件及软件均为自行设计开发。
1.绘图平台 2.绘图笔 3.X轴伺服电机 4.Y轴伺服电机
采用C语言编译方式, 将全程S曲线加减速控制的自适应分段NURBS曲线插补算法集成到自行开发的控制系统中, 并采用绘图方式成功绘制出图1所示形状曲线, 绘制结果如图10所示。
5 结束语
基于7段式S曲线全程加减速控制的自适应NURBS曲线分段插补算法, 通过分析速度、加速度、加加速度及分段曲线长度之间的关系, 自适应地调整加速、匀速及减速各变化阶段的时间;另外, 不需要单独预测减速点位置, 从而解决了减速点预测困难的问题;分析结果表明:该算法在满足插补精度要求和固定插补周期情况下, 可保证插补全过程中加速度连续、加加速度恒定, 且在允许范围内其插补精度比单独自适应插补精度更高, 插补速度比5段式S曲线加减速规划方法更快。绘图实例进一步证实该插补算法的正确性和在实际工程运用中的可行性。该算法已成功应用于自主开发的数控系统中。
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控制曲线 篇8
晶化釜是分子筛催化剂生产工艺中的关键设备,晶化过程中温度控制的精确性直接影响产品晶化的品质。而晶化釜的加热系统比较复杂,首先由电加热器加热导热油,在循环泵的作用下,导热油流经缠绕在晶化釜外壁上的导热管和晶化釜进行热交换后返回电加热器中,该过程不断循环以实现对晶化釜的加热。由此可以看出,该升温过程只有热源,没有冷源,属于无自衡过程,而且该过程还伴随着大惯性、大滞后的特性,以及单极性的控制量,控制非常困难[1,2,3]。而工艺要求反应釜的升温过程严格跟随设定好的升温曲线,这对常规的PID和串级PID来说显然是无能为力的。之前,晶化釜的温度控制是靠经验丰富的操作人员手动调节,也能使升温过程比较好地跟随升温曲线,只是操作人员的工作量比较大。由此,可尝试采用模糊控制和PID结合的控制策略以解决晶化釜自动升温的问题。
本研究探讨模糊PID控制在晶化釜升温曲线控制中的应用。
1 晶化釜加热系统
晶化釜加热系统包括晶化釜、导热油电加热器、温度测量装置、控制器以及相应的导热油管路和电气仪表回路。由于晶化釜是整个催化剂生产装置的一部分,而整个装置采用西门子的DCS(集散控制系统)SIMATIC PCS7来控制,故晶化釜加热系统的控制器就是PCS7系统。本研究在PCS7上采用专门的单元来控制加热系统,包括独立的人机交互画面和独立的CFC(即连续控制功能图)模块。该系统的主要测量量包括晶化釜内物料的温度,电加热器出口导热油的温度,控制输出量为电加热器的可控硅的开度,具体的系统构成如图1所示。
2 控制算法设计及实现
由于晶化过程对温度比较敏感,要求晶化釜内物料严格按照升温曲线进行升温。升温曲线是经过工艺人员理论计算和大量实验修正后得到的,由于技术保密原因,本研究将该曲线简化成如图2所示的温度曲线。该温度曲线包括4个阶段:
t0～t1和t1～t2阶段属于升温阶段,其控制包括温度目标和时间目标。为了达到这个目标,本研究采用双输入单输出模糊控制器。两个输入模糊集合E和T分别为来自反应釜物料温度误差e的模糊化和温度变化速度t的模糊化,输出模糊集合U为控制导热油电加热器功率控制可控硅开度u的模糊化。其控制规则通常用模糊条件语句“IF E and T then U”来表达。
t2～t3为恒温段,而且该段所占用的时间比较长,约占整个曲线时间的70%,由于导热油始终处于循环和热交换状态,其温度变化较大,而物料的温度则相对比较稳定,若能保持导热油出口温度恒定即可保持物料温度的恒定。为了保持恒温段的温度,本研究采用了PID温度控制器来控制电加热器处导热油的温度,使其保持恒定。
t3～t4为降温阶段,根据工艺要求,温度降低到一定程度后即可出料进入下一个工序。由于加热系统是无制衡系统,采取自然冷却的方法即可,无需控制。
基于上述分析,整个温度曲线的控制需采用模糊算法和PID算法结合的控制策略,其算法框图如图3所示。
2.1 输入输出的论域
在工程实践中,按照最大功率对晶化釜进行加热,其最大温升速度为30 ℃/h,可控硅的开度范围为0～100%。为了简化计算,本研究将温度偏差值和温升速率论域量化成为11级,即{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5 },其量化因子分别为10,3。
2.2 模糊子集
本研究将输入输出变量转化为模糊语言值,其集合为{PB,PM,PS,Z,NB,NM,NS}。同样为了简化计算,模糊子集的隶属度函数采用三角函数,如图4所示。根据该隶属度函数,可以取得每个子集在论域{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}上的赋值,例如PB={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0.5,1},依次类推,可以得到每个模糊子集的向量表示。
2.3 模糊推理及解模糊化
在项目调试中,本研究采用与生产物料热性能接近的试验物料进行升温曲线的手动控制试验,在多次试验过程中,利用PCS7系统记录每次手工操作的调节量、调节时间点、温度值以及温度的变化趋势和变化值,总结出若干条推理规则,将这些推理规则进行剔除、合并后总结出的控制规则表如表1所示。
表1中:每格代表一个模糊逻辑关系,利用Mamdani逻辑关系合成方法,每个模糊逻辑关系可以计算出一个模糊关系Ri(i=1,2,3…),将所有模糊逻辑关系Ri并起来就形成逻辑关系矩阵R。根据矩阵R进行模糊条件推理,如U1=(PBe×PBec)T2·R,得出模糊控制器的模糊输出子集[4,5]。然后根据最大隶属度的解模糊方法即可计算出PCS7控制系统输出的精确值用以控制电加热器可控硅的开度值,从而控制电加热的输出功率。由于每个控制量都涉及到大量的矩阵计算,计算过程比较繁复,如果在CPU内实时在线计算将耗费巨大的内存,故本研究在Matlab中离线计算出模糊控制器的控制表[6,7,8],如表2所示。本研究将这个表以DB块的方式存储在CPU中,程序执行时通过查表程序从控制表中得到输出值,经过修正得到最终的可控硅控制值,用于调整导热油电加热功率[9]。
2.4 模糊控制器的编程
本研究首先建立DB块用于存储如表2所示的控制参数,为此在DB1中设置二维数组ctrl[11],用以存储控制表里的数据,保存并下载到CPU的EPROM中。
为了查表方便,本研究将输入E和T的论域由{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}变换成{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 }。
通过间接寻址的方式查询当前输入所对应的控制输出CTRL[I,J],I为当前输入e对应论域里的整数,J为当前输入t对应论域里的整数。而CTRL[I,J]在DB1中,其引用方式为DB1.DD[M],M=2×(11×I+J),即可得到目前可控硅开度控制值。
在实际的调试过程中,为了提高曲线的拟合度,程序实时计算了每个采样周期上理论的温度值Tp,通过Tp和检测温度t之间的差值,采用可修改的调节参数Ua,通过下列计算公式来修正最终输出给可控硅的输出值:
U修=U·(1-(t-Tp)·Ua/100)
在工程实践中,本研究采用了Siemens的PCS7系统中的高级语言SCL编制功能块[10],该功能块处理模糊控制器的输入、输出和PID模块的连锁信号。
2.5PID控制器
PID控制器是比较成熟的控制器,在商业化的DCS里能提供成熟的功能块供用户使用,SIEMENS SIMATIC PCS7系统功能SFB61即是成熟的PID调节功能块,用户在编程时可以直接调用。同时PCS7中提供PID整定工具,用户可以很方便地进行PID参数设置和整定[11]。
2.6 系统流程图
模糊PID控制器的实现通过编写专门的功能CFC来实现,然后在时间中断组织块中OB34中调用该功能。研究者通过使用时间中断组织块可以保证采样时间固定,一般可以设定为10 s。CFC功能图如图5所示。
3 结束语
在工程实践中,由于晶化釜反应温度系统比较复杂,如采用一般的PID控制策略,效果不太理想,而采用人工控制反而能够达到较好的效果。基于这一个事实,本研究在PID控制的基础上引入了模糊控制策略,并在中石化某催化剂装置上进行了实际应用,应用结果表明:实测的温度曲线更趋于要求的升温曲线,能耗也有一定程度地降低。
由于模糊规则计算出来的控制参数表是针对使用条件变化不大的晶化釜系统,当晶化釜的使用条件变化较大时,需要调整规则并重新离线计算参数表,这使得控制算法的自适应能力不足。因此,本研究下一步的改进工作就是引入神经网络算法,使得参数表能根据实际的使用环境(例如导热油的传热效率变化,环境温度的变化)自动调整模糊参数表内的参数,以满足不同使用条件下升温曲线控制的要求。
摘要：晶化釜是某催化剂生产装置中的关键设备,而其升温曲线的控制精确性直接影响产品的质量,常规PID控制算法难以满足控制要求。针对升温曲线必须严格满足理论曲线的控制问题,提出了采用模糊PID控制策略来控制升温曲线的方法,在仔细分析晶化釜加热系统的构成和控制要素的基础上,采用了以温度值和升温速度为输入,可控硅的开度值为输出的双输入单输出的模糊算法,并根据试验参数设计了模糊算法的推理原则,针对温度曲线恒温段的特点,采用PID算法来控制恒温温度;最后在PCS7系统中,采用参数表和标准温度PID控制功能块相结合的方式,实现了该控制算法。实际的工程应用结果表明,通过采用正确参数的模糊PID控制策略能使晶化釜升温曲线与设定的温度曲线的误差不超过5‰,可以满足实际生产的需要。
关键词：晶化釜,升温曲线,模糊控制,PID,PCS7
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控制曲线 篇9
综合曲线一般是圆曲线和缓和曲线二者的有机结合(见图1)。
从ZH点(直缓点)到HY点(缓圆点)部分为缓和曲线,从HY点(缓圆点)到YH点(圆缓点)为圆曲线部分,从YH点(圆缓点)到HZ点(缓直点)为缓和曲线部分。这些组成了一个典型的综合曲线。
首先,进行独立坐标系的建立。以直缓(ZH) 点或缓直(HZ) 点为坐标原点,以缓曲起点的切线方向(指向交点方向为正)为X轴,以缓曲起点的法线方向(指向曲线内侧为正)为Y轴(见图2)。
在此坐标系统下,若点Pi在缓和曲线上,则Pi的坐标为:
li为Pi点至坐标原点的弧长;l0为缓和曲线的设计弧长;R为圆曲线半径;
若点Pi在圆曲线上,则Pi的坐标为:
R为圆曲线半径;P为半径内移值;q为切线增长值;φ 为圆曲线上任一点的半径与坐标原点处曲线半径(即Y轴)所形成的夹角。
2 施工现场控制点坐标的转换
在施工现场根据合适的控制点,进行曲线点位的放样。但实际上控制点的坐标系统与建立的施工坐标系统为不同的坐标系统,则必须先进行坐标系统的转换。是将曲线点坐标转化为控制点坐标系统下的坐标,还是将控制点坐标(x,y)转化到独立坐标系统下的坐标(x´,y´),那就需要根据现场的施工特点去选择。本文就将控制点坐标转换到独立坐标系统下。根据坐标系统的转换公式,必须先行知道控制点坐标系统的纵轴与独立坐标系纵轴之间的夹角,可理解为独立坐标纵轴在控制点坐标系统中的方位角。该方位角如何求取?我们可从图纸上ZH点与JD所在直线段的任意两点坐标,同时查阅或计算出ZH点在控制点坐标系统下的坐标(x0,y0),按坐标反算公式求取ZH点至JD的方位角(x´,y´),然后按公式3 计算出控制点的转换坐标(x´,y´):
式中:(x0,y0)为ZH点在控制点坐标系统下的坐标,(x´,y´)为控制点在独立坐标系统下的坐标,(x,y)为控制点坐标。
3 曲线点坐标放样
根据以上方法灵活的选择合适的控制点,对整个曲线段进行点位的测设。不再需要如传统方法,非得将仪器安置在ZH点或者ZD,而是任选2 个控制点,利用全站仪或者GPS进行点位的坐标放样工作。
摘要：综合曲线测设是线路工程中施工测量的主要内容之一,曲线放样方法较多,但受施工现场的限制,很多放样方法在实际工作中并不实用。工程施工测量中综合曲线按传统方法测设困难的情况下,可利用全站仪设站任意控制点进行放样,并进行精度分析。
控制曲线 篇10
关键词：运动控制,凸轮曲线,电子凸轮
0引言
随着电子技术的突飞猛进,运动控制得到了广泛的应用,设备的运行速度不断在提高,控制精度要求也越来越高。而为了实现这些目标,除了本身器件的硬性指标外,其控制的算法也起着至关重要的作用。传统的方法有使用梯形、指数等,虽然在一定程度上得到了速度的连续性,但是加速度是阶跃性的,并非连续。 在柔性要求较高的场合传统也采用7段S曲线,7段曲线保持了加速度曲线的连续性,但是其加速曲线都为线性,曲线平滑度不够导致加加速度是阶跃性的突变,在一定程度上会加快机械磨损速度[1,2]。而梯形、 指数曲线的应用在高速运行的过程中经常出现冲击过流等问题,机械损耗也较大,影响使用寿命。
国外在运动控制方面的应用早于国内,在对于运动曲线的优化方面也有不少的研究,通过电子凸轮来实现曲线的运行轨迹以满足速度和精度都要求比较高的应用场合,主要服务的行业在印刷、造纸、烟草等,这些行业现在主流的设备大多采用国外进口。国内在这方面虽然也采用运动控制技术应用于这些领域,但其控制方式都比较简单,没有或很少有曲线算法应用于实际工程之中,所以在关键性能上还是无法达到国外的同等水平。
本研究引入两种凸轮曲线的算法,对于高速的位置定位采用5次多项式的凸轮轨迹; 对于高速的速度定位则采用正余弦修正的凸轮轨迹,借助AB的控制系统进行硬件和软件的设计,把理论的曲线算法直接应用于工程之中,通过实验结果可验证这两种曲线的合理性。
1传统凸轮曲线
传统的曲线大多为梯形、指数和7段S曲线[3,4], 梯形曲线的算法包括3个阶段: 恒加速、匀速、恒减速。
速度和加速曲线如图1( a) 所示,速度呈连续线性变化而加速度的变化不是连续的;
指数算法的曲线同样如图1( b) 所示,速度和加速度的算法呈现指数形,但在匀速阶段加速度仍存在阶跃跳变的不连续[5,6,7,8,9];
7段S曲线如图1( c) 所示,可以看出速度的变化可以做到平滑、连续地过渡,加速过程分为7个阶段呈连续线性变化,但没有平滑过渡导致加加速度产生阶跃性的变化,没有连续性。
速度和加速度曲线的不平滑对电机和机械机构会产生冲击,电机最大输出电流增大,高速下的系统稳定性变弱,加加速度的不连续性又会加大对机械的磨损速度[10,11]。故而为了保证速度和加速度的连续性和平滑性,本研究提出了五次多项式和正余弦修正的两种凸轮曲线。
2两种凸轮曲线算法
2.1五次多项式曲线算法
五次多项式的算法由三次演变而来,但三次的加速率在起始阶段有断点的存在,使其无法满足高速的应用环境,五次多项式顾名思义根据其变量的最高次方数来定义,如式( 1) 所示:
式中: s—实际的位移值; t—时间变量; C0~ C5—不同情况下的固定系数。
通过对式( 1) 求一阶导和二阶导得出式( 2) 和式( 3) :
式中: s',s″—速度和加速度。对加速度的求导生成加加速度曲线,设在t = 0启动的时刻初始位移、速度和加速度都为0,其对应的曲线如图2所示。
位移总行程记为S,对应t的总行程时间为T,又因为行程结束时的末速度和末加速度回归为零,可以得到以下方程组:
通过计算可以得出式( 5) :
从而得到五次多项式的凸轮曲线公式( 6) :
由得到的公式可知,在已知给定的总时长和需要走的总行程后,就可以确定时间和位移的函数关系,整个过程的加速度和加加速度不仅连续而且其本身也是多项式函数,曲线各点实现了平滑性过度。
在系统最大允许加速度方面,传统的曲线如梯形运行因为其特性是前后加减速中间匀速,故而最大加速度是在起始和结束段,其能达到的最大值是为在系统总惯量下伺服电机以给出100% 额定转矩启动时电机得到的加速度值,而五次多项式曲线的加速度曲线是连续性而非阶跃性的跳变,故而其最大加速度必然小于传统曲线运行产生的最大加速度。由于电机输出的扭矩取决于系统惯量和加速度的乘积,惯量保持不变,这样系统相比于传统的曲线运行所需的扭矩和电流更小。
因为五次多项式是在初速V0和初加速A0都为零的条件下,位移-时间的函数关系仅取决于总行程和总时长; 在V0或A0不为零的情况下,曲线还受这两个因素耦合,在实际工程中该凸轮曲线的算法适用于由零速到零速的位置定位场合。
2.2正余弦修正曲线算法
正余弦修正曲线是在摆线运动的基础上修正而来的,普通的摆线曲线如图3所示。其加速度 α 幅值较大导致电机的输出力矩T = J·α 上升( J为系统惯量) ,且加速度变化率高影响系统稳定性和使用寿命。
正余弦修正曲线如图4所示,对加速段分为了三段组合,设横轴总时长为T,总行程为S,第一段曲线为 ( 0 - 1 /8) T,第二段从( 1 /8 - 7 /8) T,第三段为( 7 /8 1) T,每一段的时间t和位移s的函数关系见式( 7) :
对应的各阶段的速度与时间的函数关系见式( 8) ,对应的加速度和时间的函数关系见式( 9) :
由式( 7) 可以得出当在t = T/2处时,速度达到最大值V1,加速度恢复到零,设初速为V0,得到式( 10) :
本研究得出最大速和给定的初速之差只和总行程和总时长相关,此时的位移由式( 7) 得出也恰好在S /2处,所以当要求速度在规定的时间或是总行程之内达到指定速度的加速场合之下,可以采用正余弦修正曲线的前半段作为运行轨迹; 当要求减速应用的场合下则选用曲线的后半段。两种速度定位场合的应用下利用正弦修正曲线的特性保证其加速度和加加速度的连续性和平滑性[12]。
3实验设计
针对两种凸轮曲线的应用效果,本研究设计了基于AB运动控制系统的硬件架构和软件程序,把两种曲线直接应用于伺服的控制之中,并进行了测试记录。
3.1硬件设计
实验的CPU控制器选用AB的集成运动控制功能的中型控制器,型号选用1769-L18ERM,该款控制器带有双口以太网,支持CIPmotion即以太网控制的伺服运动系统,可以带两个物理伺服轴,程序容量最高可支持到512 KB。伺服驱动器选用AB的Kinetix5500系列,选用两个相同型号2198-H003-ERS的驱动器作为实验,电机型号选用VPL-A0631M,此电机采用单电缆技术,电源和编码器采用同一根电缆接入到伺服驱动器之中,电机支持的额定转速是7 200 r/min,额定扭矩为0. 46 N·m,峰值扭矩可达1. 33 N·m[13,14]。硬件系统如图5所示。
3.2程序设计
编程软件在AB的logix5000环境下进行组态编程的设计,标准程序和运行控制程序都可以在这款软件下完成。该软件支持梯形、顺序、功能块和语句表的编程语言。
程序设计的流程框图如图6所示。
主程序设计功能主要负责对凸轮曲线计算的程序调用、物理轴运行指令调用以及紧急停止和复位的相关功能。对于曲线在程序中的设计,因为考虑到物理轴的轨迹为凸轮曲线,本研究设计成master和slave的主从轴的位置关系来规划曲线,master作为主轴采用虚拟轴的方式始终做匀速运行,对应曲线算法中的时间横轴,程序设计把总轨迹分成一百个单位以数组的形式让控制器执行,点与点采用程序中cubic弧线的方法连接。
对于五次多项式预先定义好主轴和从轴的总行程变量及初 始位置,本研究把 先前计算 好的系数C0- C5编入程序当中,程序执行计算把主从轴每一个单位对应点填入数组之中,其形式为cam[x]. master和cam[x]. slave,x为数组单位序列,在1 s内位置由零位移动到6 000°( 定义电机一圈对应100°) 设计的程序描点曲线如图7所示,对应计算出的多项式系数如图中所示。
对于正余弦修正曲线除了预先定义主从轴的初始值变量以外,还需要定位初始速度和末速度的变量,用以服务速度定位功能,本研究在程序设计轨迹规划时对三段总行程进行统一设计,根据逻辑判断指令要求如果是加速情况,则选用曲线的前半段存入主从数组中作为执行轨迹,如果是减速情况,则选用曲线的后半段存入主从数组中作为执行轨迹,在1 s内加速到90 r / s的速度定位设计的程序描点曲线如图8所示,其对应的计算曲线公式如式( 11) 所示:
从图8中可以看出在程序中规划出来的曲线其加速从零开始又由零结束,系统冲击变小,并且可以看到加速度和加加速度的曲线都是平滑过渡,系统运行的稳定性加强。
最后,本研究通过软件中凸轮指令MAPC来运行物理轴,同时在程序中增加主从轴数组清空程序,当根据变量的不同重新规划曲线轨迹前,对之前的曲线进行清空。
4测试结果及分析
为了验证两种曲线执行的平滑性,本研究在空载的情况下分别进行了高速位置定位和速度定位的两种测试,每种测试下通过对物理轴1采用传统梯形曲线的定位方式和对物理轴2采用规划的曲线定位方式进行比较,记录运行过程中伺服电机速度和电流变化趋势。
第一个测试使伺服轴从位置0在1 s内移动到位置6 000( 对应电机60圈处) ,得到两个测试结果如图9、图10所示。
图9显示电机在加速和减速过程中有阶跃的冲击,电机电流的最大值达到额定的28% ,图10显示整个的定位过程中电机的电流始终保持连续性,其电流最大值在24% 。
第2个测试使伺服轴由速度0在1 s内加速到5 400 r / min,之后保持匀速,得到如下两个测试如结果图11、图12所示。
如图11所示,在定速过程中电机电流阶跃性变化,其电流最大值达到额定的20% ,如图12所示,电流变化平滑,其最大电流值为14% 。
由两个测试结果可见,根据五次多项式和正余弦修正曲线轨迹运行的伺服轴其扭矩的波动幅值小于传统的梯形曲线,系统冲击变小,并且平滑度也更优于梯形曲线运行的伺服轴。
5结束语
当前,为了提高生产效率,设备速度被不断提升, 但同时又需要保证高精度、高稳定性的要求,传统的曲线轨迹逐渐无法满足这些要求。
《曲线运动》概要 篇11
■ 一、 基础知识及概念辨析
■ 1. 速度概念的拓展
（1） 物体的速度方向（运动方向），就是该物体（质点）运动轨迹的切线方向.
（2） 曲线运动是变速运动，有加速度.
■ 2. 物体做曲线运动的条件
（1） 物体保持直线运动的条件：合外力（加速度）方向与瞬时速度方向在同一条直线上. 例如，竖直上抛运动、弹簧下挂重物的上下振动.
（2） 物体做曲线运动的条件：物体所受合力方向与其瞬时速度方向不在同一直线上.
■ 3. 运动的合成和分解
（1） 分运动与合运动 一个二维平面内的实际运动可以看成是两个互相垂直的分运动的合成. 运动的分解就是从合运动求分运动. 位移、速度、加速度都是矢量，均可以列出相应的关于时间的参数方程.
（2） 合运动与分运动具有等时性、独立性和等效性. 运动的合成与分解遵循平行四边形定则.
（3） 两个直线运动的合运动，有可能是静止、直线运动或曲线运动.
（4） 抛体运动是水平方向直线运动（或速度为零）与竖直方向加速度为重力加速度的直线运动的合运动.
■ 4. 平抛运动
（1） 定义：以一定水平速度将物体抛出，忽略空气阻力，物体只在重力作用下的运动. 平抛运动是具有水平方向初速度的抛体运动，其加速度为重力加速度.
（2） 物体做平抛运动的条件是：① 有水平方向的初速度；② 加速度加重力加速度.
（3） 性质：平抛运动是水平方向匀速直线运动和竖直方向自由落体运动的合成. 平抛运动是加速度不变的运动，单位时间内速度变化量相同，是匀变速曲线运动.
（4） 运动规律：
① 速度：vx=v0，vy=gt，v=■，
方向：tan θ=■=■.
② 位移：x=v0t，y=■gt2，
合位移大小：s=■，
方向：tan α=■=■.
③ 时间：由y=■gt2得t=■（由下落的高度y决定）.
④ 竖直方向为v0y=0的匀变速运动，匀变速直线运动的一切规律在竖直方向上都成立.
（5） 直线运动中规律的应用：竖直方向上相邻的相等时间间隔内位移差是一个定值. Δy=gT 2.
■ 5. 匀速圆周运动
（1） 匀速圆周运动是轨迹为圆的运动. 匀速圆周运动是变速运动，是变加速曲线运动. 匀速圆周运动线速度大小、加速度大小不变. 匀速圆周运动角速度、周期、频率、转速不变.
（2） 描述匀速圆周运动的物理量：弧长、角度、线速度、角速度、加速度、周期和频率、转速.
① 线速度：大小v=■；方向在圆周该点的切线上；单位：m/s.
② 角速度：大小ω=■；单位：rad/s.
③ 周期T：运动一周的时间，单位：s.
④ 频率 f =■：每秒钟转过的圈数，单位：Ｈz.
v、ω、T、 f 之间的关系：
v=■=■=2πr f ，ω=■=■=2π f ，v=rω.
（3） 物体做匀速圆周运动的条件是：合外力方向始终与物体的运动方向垂直. 物体做匀速圆周运动的向心力即物体受到的合外力.
■ 6. 向心力和向心加速度
（1） 向心力在圆周运动中，是指向圆心的分力，在匀速圆周运动中，是使物体做圆周运动的合外力.
（2） 向心加速度只描述圆周运动物体的运动速度方向改变的快慢，与速度大小改变无关.
（3） 向心力：大小F=mrω2=m■=mr■2=mr（2π f ）2.
方向：总是指向圆心（时刻在变）.
（4） 向心加速度：大小a=rω2=■=r■2=r（2π f ）2.
方向：总是指向圆心（也总是在变）.
■ 7. 离心运动
做圆周运动的物体，合外力提供的向心力不足时，运动半径增大，物体“被甩出”的运动.
■ 三、 曲线运动与直线运动的区别与联系
（1） 直线运动一般选择运动轨迹所在直线为一维坐标系，曲线运动选择二维平面坐标系.
（2） 直线运动一般只考虑位移、速度、加速度的大小变化，不涉及它们的方向变化，而曲线运动必须考虑这些矢量的方向及其变化，使问题显得更复杂，综合性更强. 例如，平抛运动加速度不变，但速度、位移大小方向均变化；匀速圆周运动，速度、加速度大小不变，但它们的方向时刻变化.
（3） 在圆周运动中引入了全新的物理量体系来研究圆周运动，包括线速度、角速度、周期、频率和转速. 向心力、向心加速度也是与直线运动中截然不同的.
（4） 不管是直线运动，还是曲线运动均遵循牛顿运动定律. 从运动学到动力学，牛顿为我们确立了完美的力学体系. 知道初状态和受力情况，原则上，我们可以知道以后任何时间物体的运动状态.
控制曲线 篇12
随着经济发展的日新月异, 城市建设的步伐不断加快, 电梯成为关系到人们生活和工作的重要工具。然而随着人们生活水平的提高, 对于电梯的要求也在逐步提高。电梯乘客对电梯性能的评价十分重要, 作为公共交通工具的电梯系统, 最重要的是为乘客提供安全感和舒适感。然而传统的电梯控制系统往往忽视了舒适感的要求。针对这一问题, 运用三菱公司的FX2N-80MR型PLC与安川VS-616G5变频器实现电梯的VVVF控制, 可以达到既节能又可以最大限度的满足乘客舒适感的要求。
2 电梯速度运行曲线
在电梯拖动控制系统中速度曲线图形直接影响着电梯的舒适感和平层准确度。如果电梯在启动加速和减速制动时, 速度曲线图性的加、减交界处不圆滑, 乘客会感觉很不舒服, 为了满足舒适感提高运输效率以及正确平层要求, 电梯的速度给定曲线是一个关键环节。人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率, 舒适感就意味着要平滑的加速和减速。电梯运行中的速度变化可以用如图1所示的速度曲线表示, 图中纵坐标表示电梯的运行速度, 横坐标表示电梯运行时间。t1为启动加速段, 至A点到达电梯的额定速度, t2为匀速运行段, 到达月点, 进入t3减速制停段, 到达平层, 减速完成停梯开门, 完成电梯的一次运行。
电梯的实际运行速度曲线, 对乘客的乘坐舒适感有很大影响。特别是高速电梯在加速段和减速段, 如果设置不好, 会有上浮、下沉、重压、浮游、不平衡等不舒适感。最强烈的是上浮和下沉感, 它与加速度和减速度的大小有关。当延长加速时间t1、减速时间t3, 舒适感变好, 但运行效率降低。从实验得知, 与人的舒适感关系最大的不是加 (减) 速度, 而是加 (减) 速度的变化率, 即“加速度”, 也就是t1和t3两头弧形部分的曲率。如果将加速度变化率限制在1.3m/s2以下, 即使最大加速度达到2～2.5m/s2, 也不会使人感到过分的不适。
我们将图1作进一步分析:电梯运行的舒适性取决于其运行过程中加速度a和加速度变化率D的大小, 过大的加速度或加速度变化率会造成乘客的不适感。同时, 为保证电梯的运行效率, a、D的值不宜过小。能保证a、D最佳取值的电梯运行曲线称为电梯的理想运行曲线。电梯运行的理想曲线应是抛物线——直线综合速度曲线, 即电梯的加、减过程由抛物线和直线构成。电梯给定曲线是否理想, 直接影响实际的运行曲线。为了获得良好的舒适感, 将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线 (S曲线) 及一段直线构成, 而这一曲线形状的构成及改变, 则是由加速度斜率及S曲线变化率决定的。加速斜率是以速度给定从0加速到1000转/分所需要的时间来定义的。其意义为加速度由0加速到1000转/秒2所需要的时间。因此通过改变起动加速时间可获得不同的起动曲线斜率。增大加速时间值起动曲线变缓, 反之则起动曲线变急。同理, 增加S曲线变化率起动曲线弯曲部分变缓, 反之则起动曲线弯曲部分变急。而S曲线变化率的变化, 也可通过改变S曲线起始和终了加速时间来实现, 故将加速时间和S曲线加速时间配合调整, 即可获得理想的起动曲线。同理, 制动曲线也可按此方法调整。理想的电梯速度给定曲线如图2所示, 图中a为加速度, v为速度。
3 控制系统
控制系统主要由PLC、变频器和PG矢量控制器组成。PLC负责处理各种信号的逻辑关系, 从而向变频器发出各种控制信号。变频器实现电机的调速, 本文所选用的安川VS-616G5通用变频器可实现平稳操作和精确控制, 使电动机达到理想输出。为满足电梯的要求, 变频器又要通过与电动机同轴连接的PG卡完成速度检测及反馈, 形成闭环操作控制系统。旋转编码器与电动机同轴连接, 对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲。旋转编码器根据A、B脉冲的相序, 可判断电动机转动方向, 并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。PG卡将此反馈信号送给变频器内部, 以便进行运算调节。本设计采用三菱公司的FX2N-80MR型PLC与安川VS-616G5变频器实现电梯的VVVF控制, 系统接线如图3所示。
Y22—Y26, Y43-Y45为可编程序控制器输出地址, 该信号输人到变频器相应输入端;1为上行信号 (Y22) , 2为下行信号 (Y23) , 3为启动运行 (Y24) , 4为正转 (Y25) , 5为反转 (Y26) , 6为高速运行 (Y43) , 7为爬行 (Y44) , 8为异常输入 (Y45) 。
4 参数设置与编程
通过对变频器进行正确的参数设置, 可以实现对电机的速度曲线控制。要实现对变频器的控制, 必须对PLC进行编程, 通过程序实现PLC与变频器信息交换的控制。编程的重要依据是系统的工作过程。616G5主要参数设置如表1, 电机参数参照电机铭牌输入。
电梯从起动运行到减速停车, 方向使能信号和速度信号动作的时序如下:电梯运行方向确定后, 在关门信号和门锁信号符合要求的情况下, 电梯开始起动运行, PLC正转 (或反转) 及高速信号输出有效, 电动机从0Hz到50Hz开始起动, 起动时间可由变频器参数设置 (如设置为3s, 则C1-01=3s) , 然后维持高速 (变频器参数设置, D1-02=50Hz) 一直运行, 完成起动及运行段的工作。在接近目标楼层时, 相应地接近开关动作, 给PLC输入换速信号, PLC撤消高速信号输出, 同时输出爬行信号。爬行的输出频率由变频器参数设置 (D1-03=6Hz) 。从高速的频率到爬行速度的频率的减速时间变频器参数设置 (C1-02=3s) , 当达到6Hz的速度后, 电梯就以此速度爬行。电梯到达目标楼层时, 给PLC输入平层信号, PLC撤消正转 (或反转) 及爬行信号, 电动机从爬行频率减速到0Hz。减至0Hz后, 零速输出点断开, 通过PLC抱闸及自动开门。梯形图程序如图4所示。
5 结束语
实际结果证明, 采用PLC与变频器对电梯进行VVVF控制, 通过合理的选择和设计, 能够有效的提高电梯的控制水平, 极大地改善了电梯运行的舒适感, 使电梯的控制达到了比较理想的控制效果。本控制系统具有先进性、可靠性和经济性。
参考文献
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[3]安川电机株式会社.VS-616G5多功能全数字式变频器手册.1997年.