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基于图像识别和模糊控制技术的顶管掘进机纠偏控制系统试验研究

作　者: 董建
导　师: 张国京；王世高
学　校: 北京市市政工程研究院
专　业: 市政工程
关键词: 顶管机 自动化纠偏 图像识别 模式识别 PLC控制 模糊控制
分类号: TU990.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


非开挖管道施工技术在市政管道施工中的应用越来越多,针对不同工程特点可采用顶管法、水平螺旋钻孔法、夯管机法、定向钻等施工技术。其中顶管法是工程中应用最多的方法,这是因为顶管法可用于混凝土管、钢管等施工,适用管径范围宽,施工精度高,可满足大多数市政管道工程的施工要求。机械化顶管具有安全,高效的优点,是顶管法施工[1]发展的趋势。但是,当前的顶管掘进机的自动化程度还很低。在施工过程中,对切削、排土(包括泥水循环、螺旋排土等方式)、推进、注浆减阻、纠偏等环节的控制还主要依赖操作员凭经验进行控制,使得施工过程中,人为风险大大提高。本文主要针对机械化顶管过程中的纠偏控制技术进行研究。纠偏控制在顶管施工中至关重要,这是因为:1.管道工程对管道中心精度的要求很高,如控制不力,很容易出现管道中心误差超出允许范围;2.施工过程中产生的管道中心线误差对主推力的影响很大,如果纠偏控制不好,将可能增大所需的主推力;3.由于纠偏控制不好,可能带来的顶进极大困难,将延缓施工进度甚至导致工程失败等,势必增加工程成本。本文应用图像识别技术,设计了“顶管机机头姿态自动测量装置”和“顶管机的纠偏效果监测装置”,实现了对顶管机机头偏差的自动测量和对当前纠偏措施的纠偏效果的监测。应用模糊控制技术,设计了一个双输入单输出的模糊纠偏控制器,对顶管机的机头姿态进行控制。利用工程试验对“顶管机机头姿态自动测量装置”和模糊纠偏控制器进行了验证。结果表明,“顶管机机头姿态自动测量装置”基本实现了对顶管机机头姿态的实时测量、显示、存储,可以对顶管机机头姿态进行自动测量;模糊纠偏控制器对顶管机的姿态的控制与人工经验相吻合。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
第一章 概述  6-21
  1.1 机械顶管施工的基本原理  6-9
  1.2 顶管掘进机的基本构造及工作原理  9-11
    1.2.1 顶管掘进机的基本构造  9-10
    1.2.2 泥水式顶管掘进机的工作原理  10-11
  1.3 顶管机和盾构机纠偏系统的研究现状  11-19
    1.3.1 姿态测量导向装置的研究和应用现状  11-17
    1.3.2 纠偏控制的研究和应用现状  17-19
  1.4 课题研究意义和内容  19-21
第二章 机械化顶管方向误差分析和本论文研究目标  21-34
  2.1 顶管方向误差产生的原因  21-22
    2.1.1 主观因素  21-22
    2.1.2 客观因素  22
  2.2 本论文研究的范围  22-23
  2.3 可控土质中的顶管施工纠偏过程分析  23-25
    2.3.1 钢筋混凝土管  23-24
    2.3.2 钢管  24-25
  2.4 可控土质中实现纠偏自动化的难点  25-26
    2.4.1 顶管机的姿态测量的自动化  25-26
    2.4.2 纠偏油缸的伸缩量与土体对顶管机的纠偏反力之间的定量关系不容易确定  26
    2.4.3 纠偏执行装置的自动化控制  26
  2.5 现在具备的技术基础  26-33
    2.5.1 PLC 控制技术  26-29
    2.5.2 模式识别技术  29-31
    2.5.3 图像识别  31-33
  2.6 本章小结  33-34
第三章基于图像识别和模糊控制技术的纠偏控制系统的设计  34-61
  3.1 自动化姿态测量装置的设计  34-49
    3.1.1 原理设计  34-36
    3.1.2 硬件设计  36-43
    3.1.3 软件设计  43-49
  3.2 顶管机的纠偏效果监测装置的设计  49-52
    3.2.1 原理设计  49-50
    3.2.2 硬件设计  50-51
    3.2.3 软件设计  51-52
  3.3 纠偏控制装置的设计  52-59
    3.3.1 模糊纠偏控制器的设计  52-58
    3.3.2 纠偏控制装置的具体实现  58-59
  3.4 本章小结  59-61
第四章 工程实验  61-69
  4.1 地质概况  61-62
  4.2 施工设备概况  62-63
    4.2.1 顶管机的主要技术参数  62-63
    4.2.2 顶管机的主要部件说明  63
  4.3 试验设计  63-65
  4.4 试验数据分析  65-68
    4.4.1 机头偏差曲线  65-66
    4.4.2 人工纠偏措施和软件建议的纠偏措施的比较  66-68
    4.4.3 对“顶管机机头姿态自动测量装置”的评价  68
  4.5 本章小结  68-69
结论  69-70
参考文献  70-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 市政工程 > 管线工程
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