旋挖机桅杆垂直度控制系统的发展方向

旋挖机的控制系统正向多功能化、智能化、集成化的方向发展，特别是在钻桅垂直度自动控制、钻机回位自动对正、钻机安全监控、钻孔深度测量及显示等方面逐步实现智能化控制。控制系统的迅速发展极大地提高了旋挖钻机的施工精度及安全操作水平。

旋挖机桅杆垂直度控制

旋挖机桅杆垂直度的控制，直接关系到钻机的施工质量。钻机桅杆举升过程中负载变化范围大，必须要通过垂直度控制系统来保证两油缸在变负载下的运动速度平稳性。同时，举升过程中两油缸的偏载引起其运动速度的较大差距。再次，旋挖钻机钻孔深度最大可达几十米甚至上百米，钻机钻孔作业时，由于每次的回转定位制动和其他外界因素所引起的旋挖钻机钻杆微小倾斜都可能导致较大的成孔偏差，影响成孔质量和施工效率，这些都需要通过旋挖机桅杆垂直度控制系统在施工过程中不断地自动检测和调整钻机桅杆的垂直度，保证成孔质量，提高成孔效率。因此，对旋挖机桅杆垂直度控制系统进行研究对保证施工安全，提高钻机成孔质量和工作效率具有重大的工程意义。

旋挖钻机桅杆垂直度控制系统是由一台负荷传感泵驱动两个调平油缸，实现钻机桅杆倾斜纠偏，两缸分别由4个电液比例阀独立控制。安装在钻桅上的倾角传感器测量到钻机桅杆与XOZ和YOZ两个平面的倾斜角度，通过A/D转换后与给定信号进行比较产生角度偏差，由控制器根据角度偏差进行调平算法运算后输出控制信号，经过D/A转换器分别传递给两油缸的电液比例阀，构成闭环电液比例控制系统，实现旋挖机桅杆垂直度自动控制。

1.旋挖机桅杆垂直度的PID控制

在过程控制中，按误差信号的比例、积分和微分进行控制的控制方法简称为PID控制。采用PID控制方法的控制器称为PID控制器它。是技术成熟、应用最为广泛的―种调节器。PID算法蕴含了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，而且其配置几乎最优。在实际应用中，根据实际工作经验在线整定各PID各参数，往往可以取得满意的控制效果。

旋挖机桅杆垂直度的PID控制是以调平油缸为控制对象，通过倾角传感器实时监测桅杆的角度，通过预定输入值r（t）和反馈值的比较，得到一差值e（t）通过反复调节比例、积分、微分值，使输出值达到预定的输入值。常规PID控制原理如下图所示：

PID控制器是控制系统中应用最广泛的一种控制器，在过程控制中得到了普遍的应用。过去PID控制器通过硬件模拟实现，但随着微型计算机的出现，特别是现代嵌入式微处理器的大量应用，原先PID控制器中由硬件实现的功能都可以用软件来代替实现，从而形成了数值PID算法，实现了由模拟PID控制器到数字PID控制器的变化。

2.旋挖机桅杆垂直度的模糊控制

模糊控制就是以操作人员丰富的实践经验和直观感觉为基础，不通过精确的数学表达式，而利用一种探索式决策规则，用语言把操作人员的控制策略描述出来，以构成一组用语言表达的定性的决策规则。

然后利用模糊集合理论作为工具使其定量化，设计―个控制器，用形式化的人的经验法则模仿人的控制策略，再驱动设备对复杂的工业过程进行控制。

旋挖钻机桅杆垂直度的模糊控制以调平油缸为控制对象，通过倾角传感器实时监测桅杆的角度，控制器经过中断采样获得被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e。一般选误差信号e作为模糊控制器的一个输入量，把误差信号e的精确量进行模糊化变成模糊量。误差e的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差e的模糊语言集合的一个子集E（E是一个模糊矢量），再由E和模糊控制规则R（模糊算子）根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量U。然后去模糊化，得到调平油缸的控制量。模糊控制器的结构如下图所示：

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制。摸糊控制系统的结构和一般的传统控制系统没有多大区别，只是用模糊控制器取代了传统的控制器，模糊控制器有以下优点：

①无需知道被控对象的精确数学模型；

②由于控制规则以专家的经验或实验分析总结出来的条件语句表示，对于不熟悉模糊控制的人来说，也很容易学懂和掌握模糊控制的方法；

③控制知识是以人的语言形式表示，有利于人机对话和知识处理，具有系统处理的灵活性和机动性。