Информационно-измерительная и управляющая система для строительно-монтажных работ

На рис. 11 представлены геометрические соотношения метода определения планового положения конструкции в прямоугольной системе координат. Устройство для реализации метода включает в себя два лазерных излучателя 1 и 2, связанных с системой координат XOY.



Рис. 11. Геометрические соотношения метода определения положения монтируемой конструкции

Излучатель 1 вырабатывает луч 3, равномерно сканирующий с угловой скоростью вокруг вертикальной оси с координатами (0,-a), так что создается горизонтальная сканирующая плоскость. Аналогично излучатель 2 вырабатывает луч 4, который сканирует с угловой скоростью вокруг вертикальной оси, но с координатами (0, а), в результате чего также образуется сканирующая плоскость. Расстояние 2а между осями сканирования лазерных лучей 3 и 4 предварительно точно известно и является постоянным базисом.

На конструкции 5, координаты которой и подлежат определению, установлено ФПУ 6. На прямой (базис), соединяющей оси установлено неподвижное ФПУ 7. Вокруг осей осуществляется сканирование лазерных лучей 3 и 4. ФПУ 6 и 7 находятся в зоне действия лазерных лучей 3 и 4. Указанные сканирующие плоскости ориентированы таким образом друг относительно друга, что одна плоскость является продолжением другой. Плоскости сканирования совмещены. В момент попадания лазерных лучей 3 и 4 на ФПУ 6 и 7 они вырабатывают электрические импульсы, подлежащие дальнейшей обработке. При равномерном сканировании лазерного луча 3 он сначала регистрируется ФПУ 6, а после поворота на угол через временной интервал - неподвижным ФПУ 7. Аналогично, лазерный луч 4 сначала регистрируется ФПУ 6, а после поворота на угол через временной интервал - неподвижным ФПУ 7. Если известно расстояние 2а между лазерными излучателями и при постоянных скоростях сканирования и у лазерных лучей 3 и 4 измерены временные интервалы и , а так же соответствующие им периоды сканирования и , то могут быть определены углы и , по которым рассчитываются координаты и , ФПУ 6, связанного с основанием 5, в прямоугольной системе координат XOY.

Из геометрических соотношений, представленных на рис. 11 для лазерного луча 3 можно записать: , где - тангенс угла наклона лазерного луча 3 к оси ОХ. Для лазерного луча 4 справедливо , где - тангенс угла наклона лазерного луча 4 к оси ОХ. Из этого следует: , и . После подстановок получаем . Коэффициенты и определяются через углы и :

;

.

Тогда ;

,

а т.к. ; ,

то: ;

На рис. 12 представлена структурная схема устройства для определения планового положения конструкции в прямоугольной системе.

Устройство включает в себя: два лазерных излучателя Л1 и Л2, каждый из которых состоит из лазера, оптической телескопической системы и устройства вертикальной стабилизации лазерного луча; модуляторы лазерного излучения Ml и М2; сканирующие устройства СК1 и СК2; неподвижное ФПУ Ф1; подвижное ФПУ Ф2, установленное на объекте; вычислительное устройство ВУ, производящее расчет координат объекта; низкочастотный генератор прямоугольных импульсов 1; счетный триггер 2; два R-S триггера 3 и 4; два логических элемента 2И 5 и 6; четыре преобразователя время - код 7, 8, 9, 10.

Рис. 12. Структурная схема устройства для определения положения конструкции в прямоугольной системе

информационный модель безопасность сооружение

Представленное устройство работает следующим образом. Генератор 1 вырабатывает прямоугольные импульсы частотой . При этом необходимо, что бы выполнялось условие: , где - подбирается экспериментально; , - частота вращения сканирующих узлов СК1 и СК2.

Триггер 2 осуществляет коммутацию лазерного излучения посредством модуляторов Ml и М2. Так, когда выход триггера 2 находится в состоянии логической единицы, модулятор М2 пропускает лазерное излучение, выработанное лазером Л2, и оно поступает на сканирующий узел СК2 и разворачивается в сканирующую плоскость. Поскольку выход этого триггера в это время находится в состоянии логического нуля, другой модулятор Ml в данный момент закрыт и лазерное излучение, вырабатываемое лазером Л1, на сканирующий узел СК1 не поступает. В этом случае ФПУ Ф1 и Ф2 регистрируют излучение лазера Л2.

Пусть выход триггера 2 находится в состоянии логической единицы. Когда излучение, вырабатываемое лазером Л2, пересекает ФПУ Ф2, на вход S R-S триггера 3 поступает импульс, который устанавливает его прямой выход в состояние логической единицы. После поворота луча на угол через время лазерное излучение пересекает ФПУ Ф1, в результате чего на вход R R-S триггера 3 поступает импульс, который устанавливает его прямой выход вновь в состояние логического нуля.

Таким образом, на выходе R-S триггера 3 формируется положительный импульс длительностью , пропорциональный времени поворота лазерного луча на угол р. Через один период вращения Т лазерного луча, триггер 3 опять вырабатывает импульс длительностью . Так же работает нижняя часть структурной схемы устройства, управляемая инверсным выходом триггера 2. Работу основных узлов структурной схемы поясняет временная диаграмма, приведенная на рис. 12. Преобразователь время-код 7 ставит импульсу длительностью в соответствие код n₂, удобный для ввода в вычислительное устройство ВУ. Преобразователь время-код 8 периоду следования импульсов ставит в соответствие код N. Модуляторы Ml и М2 могут иметь различное техническое исполнение. Например, возможны электрооптические затворы или модуляторы на основе электромеханических преобразователей. Наиболее простой в исполнении - электромеханический модулятор, открывающий и закрывающий путь прохождения лазерного излучения на сканирующее устройство. Частота вращения и сканирующих устройств выбирается как можно большей. ФПУ Ф1 может быть выполнено по любой известной классической схеме. В качестве приемного элемента ФПУ Ф2 применяются оптические элементы с круговой диаграммой направленности, что исключает необходимость ориентирования ФПУ на источники лазерного излучения.

С учетом преобразования ~ , ~ , ~ , ~ выражения для расчета координат и имеют вид:

;

На основании вышепредложенного измеряются временные интервалы между ними, определяются превышения и вычисляются расстояния. В точке установки излучателя расположен ФПУ. Излучатель содержит лазер, оптическую телескопическую систему, сканирующее устройство, цилиндрическую линзу и два измерителя временных интервалов. Уголковые отражатели установлены в верхнем и нижнем концах базиса известной длины. Сканирующий узел жестко связан с датчиком регистрации момента прохождения лазерной плоскостью линии горизонта.

Исходя из анализа устройств лазерного излучения, систем преобразования и сканирования лазерного луча и применяемых ФПУ автором разработана многофункциональная лазерная автоматизированная система маркшейдерско-геодезического контроля деформации земной поверхности и сооружений, а также монтажа крупноблочных строительных конструкций, описание которой приводится в главе 6. Простота и надежность данной системы измерений, и возможность автоматизации на основе применения микро-ЭВМ позволяют считать ее перспективной для использования в системах нивелирования механизмов перемещения в пространстве монтируемых конструкций и контроля микродеформаций массива горных пород, зданий и промышленных сооружений.

Рис. 13. Функциональная схема микропроцессорной системы

Система выполняет следующие основные операции:

- измеряет смещения контролируемых точек относительно сканирующих лазерных лучей;

- воспринимает значения входных параметров, вводимых автоматически и через клавиатуру, например, радиус сканирования R лазерного луча, размеры объектов и т.п.;

- подает команды на исполнительные органы в соответствии с внесенным алгоритмом управления;

- использует микро-ЭВМ как вычислительное устройство для обработки данных при выполнении различных расчетов.

Информационно-измерительная система позволяет автоматизировать процесс маркшейдерско-геодезических работ по установке крупноблочных конструкций в проектное положение, обеспечивая повышение производительности труда, качества маркшейдерско-геодезических и строительно-монтажных работ, сокращение сроков и снижение психофизических нагрузок на операторов.

Данная система применима для ряда отраслей горной промышленности, где проводится контроль положения различных объектов и сооружений при монтаже и эксплуатации. Например, при строительство нефте- и газопроводов, ликвидация последствий аварий и чрезвычайных ситуаций, а также для решения задач монтажа при дефиците трудовых и технических ресурсов, особенно в экстремальных ситуациях.

В четвертой главе разработаны технические устройства, способы корректировки, исполнения и фиксации объектов при маркшейдерско-геодезическом контроле координат их положения или установке, а также методов анализа расчета абсолютных и относительных погрешностей функциональных величин оценок координат и учета их при управлении процессом производства работ с применением лазерных устройств.

Для монтажа объектов обосновано применение гидравлических исполнительных устройств, поскольку они компактны, легко монтируются и обеспечиваются системой автоматизированного управления процессом производства работ с применением лазерных устройств.

Система автоматизации, снабженная устройствами контроля положения осей и плоскостей объекта, с помощью лазерных устройств легко позволяет учитывать перераспределения различных видов нагрузок на точки опоры (закрепления), регулируя при этом с заданной точностью отклонения от базовых координат.

Установлено, что большое влияние на работу объекта регулирования оказывают ветровые нагрузки, вибрации, неравномерность нагрузки, флуктуация сил, просадка стержней и домкратов и т.д. Анализ влияния возмущающих факторов на перемещение объектов позволил сделать вывод о необходимости автоматизации процессов горизонтирования, т.к. выполнение связанных с этим операций обычными приемами требует больших затрат времени. Наличие ограничений на регулирующие величины приводит к увеличению времени, необходимого для коррекции отклонений центра объекта, поэтому для правильного управления следует учитывать влияние возмущающих факторов, что при ручном управлении затруднительно.

Данную проблему успешно решает предложенная система автоматизации, основным управляющим фактором для которой является величина сигнала с фотодетектора (ФПУ). Система позволяет корректировать не только уровни расположения объекта, но и изменять курсовой угол их движения за счет автоматического наклона плоскости рабочего поля в сторону возникающего отклонения. Для построения такой автоматизированной системы исследовались статические и динамические особенности средств перемещения, их функциональные характеристики, как параметры в системе управления. При составлении математической модели функционирования работы системы учтены свойства объекта, параметры всех звеньев технических устройств и их функциональные характеристики. Структурная схема модели представлена на рис. 14 и 15. Она состоит из двух блоков структурной схемы системы управления и структурной схемы объекта и технических устройств.

Рис. 14. Структурная схема системы управления

Составлены дифференциальные уравнения звеньев технических устройств по отдельности и система дифференциальных уравнений технического устройства в целом, а также система дифференциальных уравнений поведения объекта на основе уравнения Лагранжа второго рода. Эти дифференциальные уравнения сведены в единую глобальную систему дифференциальных уравнений, все параметры которой взаимодействуют с соответствующими параметрами системы управления. Это взаимодействие учтено при разработке структурных схем общей математической модели, представленной на рис. 14 и 15.

Рис. 15. Структурная схема объекта и технических устройств

Для решения поставленной задачи были использованы стандартные алгоритмы и программы анализа и синтеза всех факторов и воздействий.

Объекту задавались по отдельности и в различных комбинациях смещения с различными скоростями вдоль осей и повороты вокруг их. При этом исследовались реакции всех элементов технических устройств и элементов системы управления. Результаты этих исследований были использованы для отработки технологического процесса монтажа строительных объектов с заданной точностью.

В качестве примера на рис. 16 и 17 показаны траектории движения объекта по осям Х и У при наличии сигнала от лазерного ФПУ (при наличии обратных связей) и без него. Видно, что при наличии обратной связи траектория движения объекта более оптимальна.



Рис. 16. Траектория движения конструкции вдоль оси ОХ: 1 - с ФПУ (при наличии обратных связей); 2 - без ФПУ

Рис. 17. Траектория движения конструкции вдоль оси OY: 1 - с ФПУ (при наличии обратных связей); 2 - без ФПУ

В системе управление перемещением конструкции осуществляется по величине сигнала, исходящего из ФПУ и зависящего от воздействия луча лазера на него. Кроме того, в зависимости от величины этого сигнала вносится коррекция в исполнительные технические устройства для изменения траекторий объекта.

Пятая глава посвящена разработке схем, технических решений, технологических приемов и алгоритмов автоматизированного управления объектами и процессами, а также экспериментальным исследованиям для получения данных по оценке и сопоставлению теоретических расчетов, результатов экспериментов по параметрам маркшейдерско-геодезических координат и факторам, на них влияющим при производстве горнопромышленных работ.

Один из основных видов строительства - возведение промышленных объектов из железобетона. Строительство таких объектов в большинстве случаев ведется при помощи монтируемых крупноблочных конструкций и элементов заводского изготовления. Важным этапом технологического процесса является перемещение конструкций в новое положение и их центровка.

В соответствии с приведенными в работе рекомендациями по созданию САУ, предлагается система автоматической центровки конструкций. На рис. 18 показана функциональная схема системы.

Вертикальная ось задается лазерным задатчиком вертикали 1. Отклонение центра от оси луча регистрируется фотоизмерительным устройством 2, которое выдает пропорциональные отклонениям по осям и сигналы и , на вычислительное устройство 3. Последнее формирует сигналы управления - для корректировки конструкции в радиальном направлении в соответствии с выражением:

,

где и - постоянные коэффициенты, определяемые угловым расположением регулируемых точек конструкции;

- напряжение, пропорциональное значению изменения радиуса конструкции.

Эти сигналы подаются через блоки управления 4 на привод механизмов радиального перемещения 5. Отработка требуемого значения передвижения подвесок контролируется датчиками перемещения 6, в результате механизмы радиального перемещения устанавливают конструкцию 7 в заданное положение и обеспечивают требуемый радиус.



Рис. 18. Функциональная схема системы автоматической центровки монтируемых конструкций

Особенность системы - процесс центровки начинается при , а отработка всегда выполняется с учетом возмущающих воздействий. Работа системы носит дискретный характер. Блоки управления, получающие задающие сигналы с вычислительного устройства, образуют совместно с механизмами радиального перемещения исполнительную следящую систему для их отработки. Контроль положения конструкции осуществляется на базе использования лазерного задатчика вертикали ЛЗВ-250М с внутренней модуляцией излучения.

Важным элементом системы автоматического контроля служит измерительное ФПУ, обеспечивающее точность определения положения энергетического центра лазерного луча в диапазоне измерения отклонений ФПУ, составляющее мм. Допустимая погрешность измерения положения лазерного пятна в рабочем диапазоне составляет мм.

При проведении экспериментальных исследований использовалось измерительное ФПУ с двухкоординатной следящей системой. В нем чувствительным элементом служит фотодетектор, реагирующий на смещения энергетического центра луча и выдающий сигналы в двухкоординатную следящую систему. Последняя обеспечивает непрерывный вывод фотодетектора на лазерный луч до совпадения осей.



Рис. 19. Структурная схема фотоприемного измерительного устройства

Структурная схема приемного устройства приведена на рис. 19. Чувствительным элементом служит фотодетектор, который обеспечивает прием всего лазерного излучения. Его наиболее ответственным узлом является оптическая светоделительная пирамида (рис. 19 а), разделяющая принимаемое излучение на четыре части , , и . Соотношение между световыми потоками по квадрантам определяется положением энергетического центра лазерного луча относительно оси фотодетектора. Световые потоки - собираются линзами на чувствительные площадки фотодиодов - .

Проведенный анализ, а также экспериментальные исследования на строительных площадках показали, что при высоте возводимых сооружений до 100 м диаметр входного отверстия фотодетектора должен составлять 20 … 30 мм.

Формирование сигналов для управления исполнительными двигателями по каналам Х и Y выполняется на суммирующих усилителях в соответствии с выражениями:

где , , , - токи фотодиодов , , , , воспринимающих излучение, попадающее соответственно в 1-й, 2-й, 3-й и 4-й квадранты приемной оптики. Скорость вращения двигателей , при малых смещениях фотодетектора относительно энергетического центра излучения пропорциональна значению смещения, а при больших отклонениях она соответствует номинальной (рис. 19 б).

Синтез параметров следящей системы измерительного ФПУ выполнен для линейного 1 участка скоростной характеристики (режим малых отклонений). Критерием оптимальности служит минимум ошибки регулирования, выраженный в виде:

Измерение положения фотодетектора осуществляется с погрешностью %.

Информация об отклонениях центра конструкции от заданного положения с фотоизмерителя подается на вход блока корректировки центра САУ процессом центровки. На этот же блок по команде с пульта управления поступает сигнал с блока задания радиуса возводимого объекта (рис. 20). Механизмы радиального перемещения, приводимые в ход электрическими двигателями, снабжены индуктивными датчиками перемещения, располагаемыми радиально. Сигналы индуктивных датчиков сравниваются с задающими воздействиями, формируемыми блоком корректировки центра. При появлении рассогласования сигналы поступают на тиристорные платы управления приводами. Эти платы через магнитную станцию осуществляют управление двигателями, обеспечивающими через редуктор и винт движение конструкции, преодолевая возмущающие воздействия до исчезновения рассогласования между истинным положением объекта и заданным.

В главе дана оценка погрешностей технических средств автоматизации. В общем случае средства автоматического контроля и управления должны обладать точностью, позволяющей обеспечить в процессе возведения зданий и сооружений отклонения от вертикали, не превышающие допустимых значений 20…100 мм (ГОСТ 21779-82 и ГОСТ 21778-81).

Рис. 20. Схема САУ процессом центровки перемещаемых конструкций

Проведены исследования метрологических параметров используемых технических средств. По их значениям путем суммирования оценено значение результирующей погрешности. В общем случае все составляющие погрешности рассматривались как случайные величины со своими законами распределения, а погрешность определялась путем установления среднеквадратических значений составляющих и их суммирования.

Точность лазерной информационно-измерительной системы контроля составляющих невертикальности зависит от погрешности задания вертикальных осей лазерными приборами. На точность задания вертикальных световых линий при помощи лазерных центриров влияют следующие погрешности: центрирования лазерного прибора ; приведение луча в вертикальное и горизонтальное положение за счет нестабильности оси диаграммы направленности лазерного луча и флуктуаций направления распространения лазерного луча в турбулентной атмосфере . Учитывая их некоррелированность, результирующую среднеквадратическую ошибку (СКО) задания вертикальной оси лазером можно записать в виде:

.

Погрешность приведения луча лазера в горизонтальное положение , а центрира в вертикальное положение обусловлена технологическими допусками на изготовление, ошибками юстировки и ценой деления установочных цилиндрических уровней. СКО, обусловленная допусками на изготовление, сборку и юстировку прибора, составляет:

,

где - угол наклона оси прибора за счет допусков на изготовление и сборку деталей и узлов;

- цена делений установочных уровней; ,

- расстояние от лазерного прибора до точки отсчета.

Для лазерных центриров средней точности не превышает , а в технических приборах пониженной точности - .

Погрешность установки луча в вертикальное положение определяется ценой деления установочных цилиндрических уровней:

Инструментальная СКО приведения лазерного луча в вертикальное положение:

На основании проведенных вычислений, с учетом погрешности центрирования прибора установлено, что для возведения монолитных строений высотой до 40 м необходимы лазерные центриры с ценой деления установочных уровней , а для возведения строений до 100 м - с ценой деления .

Результаты анализа экспериментальных данных показали: при вычислении погрешности задания вертикальной оси лазерным центриром СКО оси диаграммы направленности луча следует брать равной . С учетом этого СКО за счет нестабильности оси диаграммы направленности лазерного луча:

, мм

При высоте возводимого объекта в 100 м СКО за счет угловой нестабильности лазеров не превышает 0,75 мм.

При прохождении луча вблизи стен возводимого сооружения зависимость ошибки за счет влияния турбулентности в функции высоты имеет сложный характер. При высоте возводимых сооружений до 100 м можно принять линейный закон изменения погрешности . Исходя из опыта эксплуатации лазерных центриров, СКО задания вертикальной оси за счет влияния атмосферы выражается в виде:

,

где - коэффициент флуктуаций углового отклонения луча, равный .

Результирующая СКО отвесного проектирования лазерными задатчиками с учетом рассмотренных составляющих равна:

На точность установления положения контролируемых точек конструкции существенное влияние оказывают также погрешности следящего ФПУ, они определяются ошибками фотодетектора, следящей системы и измерительных преобразователей перемещений. Результирующая СКО следящего ФПУ равна:

,

где - погрешность измерительного устройства;

- погрешность следящей системы;

- погрешность измерительного преобразователя перемещений по выходу;

- погрешность установки (центрирования) ФПУ.

Наибольшую сложность представляет определение погрешности фотодетектора. При работе фотоизмерителя имеют место систематические и случайные погрешности. Аддитивные погрешности фотоизмерителя обусловлены неодинаковой чувствительностью оптических каналов, неравномерностью загрязнения поверхности входного стекла, не идентичностью интегральной чувствительности приемных фотодиодов и неравномерностью коэффициентов усиления избирательных усилителей, а мультипликативные - изменением диаметра лазерного луча в зоне приема и мощности излучения.

Для определения погрешности за счет неравномерности загрязнения входной оптики фотодетектора мы воспользовались интегральной характеристикой мощности принимаемого излучения. Распределение освещенности излучения в сечении одномодового лазерного луча описывается нормальным законом:

, (9)

где - текущие координаты; - световой поток лазерного излучения, принимаемый фотодетектором; - диаметр луча на входе фотодетектора; - параметр распределения.

Взяв двойной интеграл этого выражения, получили интегральную характеристику энергии лазерного луча

(10)

Для нормирования значений уравнений (9) и (10) необходимо определить дисперсию . На основании свойств нормального закона распределения при значении надежности величину а можно выразить через диаметр принимаемого излучения в виде: , мм.

На интегральной кривой , учитывая симметричность энергетической характеристики лазерного луча, проводим параллельно оси абсцисс две горизонтальные линии, отстоящие на 3% ниже и выше 50%-ой отметки мощности излучения. Зона между этими линиями соответствует 6%-му изменению мощности излучения за счет неравномерности загрязнения. Величина , соответствующая точкам пересечения проведенных прямых с интегральной кривой, дает ошибку определения положения фотодетектора из-за неравномерности загрязнения приемной оптики. Определенную таким образом ошибку, вносимую загрязнением оптики, необходимо скорректировать с учетом измерения диаметра лазерного луча в зоне приема.

Рис. 21. Интегральные характеристики лазерного излучения в зоне приема, - ошибка определения положения фотодетектора из-за неравномерности загрязнения приемной оптики

На рис. 21 приведены интегральные кривые мощности излучения для различных диаметров луча. На их основе построена зависимость изменения величины ошибки от диаметра луча (рис. 21а). Как видно из графика, она носит линейный характер. Математически на величину погрешности и оказывает влияние неравенство коэффициентов усиления избирательных усилителей , , , ,что приводит к усилению погрешности измерения .Учитывая идентичность схемного решения каналов по Х и Y, оценку величины ошибки проведем на примере канала X. Для этого запишем величину тока на выходе сумматора канала X:

. (11)

Выразив значения токов через световые потоки :

,

уравнение (11) запишется в виде:

,

где - интегральные чувствительности фотодиодов;

- коэффициенты усиления избирательных усилителей фотодетектора.

Учитывая независимое влияние на точность работы ФПУ составляющих светового потока , коэффициентов усиления и интегральных чувствительностей фотодиодов , для определения погрешности примем равенство световых потоков .

Тогда погрешность измерения за счет неравенства коэффициентов усиления и интегральной чувствительности фотодиодов получается из уравнения:

,

где - полный световой поток лазерного луча, поступающий на фотодетектор;

- нормированный коэффициент усиления избирательных усилителей и его допустимое отклонение;

- нормированная интегральная чувствительность фотодиодов и ее допустимое отклонение.

Для компенсации величины или следящее устройство осуществляет смещение фотодетектора относительно энергетической оси лазерного луча, обеспечивающее изменение световых потоков на величину:

.

Разбаланс световых потоков на величину приводит к ошибке измерения, равной:

СКО фотодетектора будет равна:

(12)

Как видно из уравнения (12), для уменьшения погрешности необходимо уменьшать диаметр лазерного луча в зоне фотоприемного устройства.

Оценка качества работы следящей системы определяется величиной статистической ошибки регулирования . Без учета ошибки чувствительного элемента статическая ошибка следящих устройств подобного рода составляет десятые доли миллиметра. Однако, учитывая, что на качество следящей системы оказывают влияние помехи, вызванные флуктуациями лазерного луча, ошибку слежения необходимо представить в виде

,

где - статическая ошибка;

- флуктуационная ошибка.

Анализ флуктуационных помех показывает, что для исключения колебаний следящей системы следует иметь зону нечувствительности в пределах 1 мм, что значительно больше статической ошибки . С учетом изложенного ошибку следящей системы можно выразить таким образом:

,

где - порог чувствительности следящей системы, определяемый флуктуационными помехами;

- составляющая ошибки, вызванная трением и люфтами механических частей системы.

Погрешность преобразователей для измерения перемещений определяется их видом. При использовании потенциометрических датчиков, обладающих аддитивной погрешностью с равномерным распределением, погрешность измерения перемещений выразится в виде:

,

где - основная погрешность преобразователя, %;

- диапазон измерения линейных перемещений, мм.

Требуемый диапазон измерения перемещения фотодетектора определяется значениями допустимых отклонений скользящей конструкции. Учитывая, что при автоматизации процесса возведения монолитных сооружений в строительных конструкциях величина отклонений при самых жестких требованиях не должна превышать 20 мм, ошибка измерения перемещений при использовании измерительных преобразователей класса точности 1,0 будет составлять 0,4 мм. Это значительно ниже других видов ошибок. Точность установки и центрирования ФПУ зависит от конструктивного решения и обычно составляет мм. Проведенный анализ составляющих погрешности следящего ФПУ позволяет оценить величину минимальной СКО.

Для полной оценки погрешностей определения составляющих невертикальности подъема автоматической системы контроля дополнительно оценены погрешности, вносимые в результаты измерений алгоритмом расчета.

На основании анализа составляющих погрешностей средств контроля и управления строительными конструкциями сделан вывод, что полная ошибка корректировки положения конструкции при помощи автоматических систем управления, построенных по предложенному нами принципу лежит в пределах мм. На базе нормального закона распределения ошибок измерений максимальные значения погрешности корректировки положения конструкции будут лежать в пределах мм, что меньше допустимого отклонения для возводимых зданий и сооружений.

Шестая глава посвящена разработке схем и методов расчета системы автоматизированного контроля состояния и положения реперных точек исследуемых объектов с использованием лазерных устройств и подбору приборного обеспечения, а также применению разработанных технических решений, технологических процессов, алгоритмов для определения геодезических координат и микродеформаций в различных плоскостях с учетом факторов, на них влияющих на объектах горнопромышленного комплекса.

В основу способа автоматизированной системы наблюдений микродеформаций сооружений положено изменение силы фототока в зависимости от площади засветки фотоприемного устройства (ФПУ).

При фотоэлектрической индикации используются ФПУ различных типов. Простым ФПУ является фотоэлемент, который перемещается вдоль рейки, установленной вертикально или горизонтально. В момент прохождения фотоэлемента через световое пятно, образуемое лучом лазера, на выходе фотоэлемента с помощью индикаторного устройства фиксируется сила фототока, пропорциональная площади засветки фотоэлемента. Одновременно фиксирует положение фотоэлемента на рейке, т.е. берется отсчет. Точность регистрации положения светового пятна фотоприемником составляет на . График зависимости силы фототока от площади засветки фотоэлемента приведен на рис. 22.

Рис. 22. Изменение величины фототока от площади засветки фотодиода

Следящее ФПУ другого типа выполнено в виде двух фотоэлементов, автоматически следящих за центром светового пучка и фиксирующих его положение. При этом фотоприемники имеют одинаковую освещенность. Такое устройство имеет точность в на .

ФПУ с четырьмя фотоэлементами (квадрант-детекторами) позволяет сосредоточить положение лазерного луча по двум осям и c точностью до . В квадрант-детекторе фотоэлементы смонтированы в четырех секторах круга. Совмещение центра симметрии квадрант-детектора с осью светового пучка производится стрелочным индикатором, который выдает информацию об освещенности, соответствующей паре фотоэлементов, т.е. сигнал не формируется при попадании лазерного пучка в центр промежутка между фотоэлементами на выходе устройства. Смещение оси лазерного пучка из зоны чувствительности вызывает разбалансировку электрической схемы, в результате вырабатывается сигнал соответствующей полярности. Такие фотоэлектрические устройства относятся к полярным. Они позволяют в значительной степени исключить влияние колебаний лазерного луча, вызываемых пульсациями показателя преломления атмосферы. Это достигается осреднением измерений за интервал времени 5 сек и более. В данном случае влияние короткопериодических колебаний пучка на результаты измерений практически исключаются (составляет ).

Рассмотрим конструкцию ФПУ, используемого в разработанном способе контроля микродеформаций. ФПУ формируется путем набора из отдельных фоточувствительных элементов (иногда из готовых одноэлементных фотоприемников) или выделением фоточувствительных площадок на единой подложке методами фотолитографии. Между каждым элементом существует полная электрическая развязка, имеющая самостоятельный канал обработки сигнала. Фотоэлементы (фотодиоды) по отношению друг к другу смещены на половину приемной зоны - см под углом наклона - , что обеспечивает перекрытие принимаемого излучения и исключает зазоры между фотодиодами, работающими в режиме генерации, а это дает возможность упрощения конструкции приемной части.

Создание нового метода измерения смещения точек в вертикальной и горизонтальной плоскости вызвано необходимостью:

- постоянного контроля деформаций горных пород и сооружений для определенного вида промышленных строений;

- полной автоматизации процесса контроля смещений, повышения точности и снижения времени измерений;

- повышения безопасности измерительных работ, исходя из специфики измерений, возможности исключения пребывания человека в зоне съема информации. Объекты для такого вида контроля: подземные выработки, отвалы и борта карьеров, высотные сооружения, отдельные элементы конструкций атомных электростанций, ускорители.

При разработке подземных выработок, где после образования пустот при подземной выемке полезных ископаемых происходит потеря устойчивости пород, приводящая к сдвижению горных массивов и земной поверхности, разрушению эксплуатируемых сооружений, поэтому требования по контролю сдвижения очень высоки.

Предложен способ автоматизированной системы наблюдений микродеформаций строительных конструкций сооружений, в основу которого положено применение лазерных устройств, реагирующих на изменение интенсивности засветки ФПУ лазерным лучом. ФПУ формируется путем набора из отдельных фоточувствительных элементов (иногда из готовых одноэлементных фотоприемников) или выделения фоточувствительных площадок на единой подложке методами фотолитографии. Между каждым элементом существует полная электрическая развязка, имеющая самостоятельный канал обработки сигнала. Фотоэлементы (фотодиоды) по отношению друг к другу смещены на половину приемной зоны - L см, под углом наклона - б, что обеспечивает перекрытие принимаемого излучения и исключает зазоры между фотодиодами, работающими в режиме генерации, а это дает возможность упрощения конструкции приемной части.

Создание новой системы измерения смещения точек в вертикальной, горизонтальной и продольной плоскостях вызвано необходимостью постоянного контроля деформаций элементов сооружений, полной автоматизации процесса контроля смещений, увеличение точности и снижения времени измерений, повышения безопасности измерительных работ, исходя из специфики измерений, возможности исключения пребывания человека в зоне съема информации.

Для определения участков оснований фундамента, на которых начинают образовываться сосредоточенные деформации в виде трещин, ступеней и уступов с невеликими и визуально не прослеживающимися размерами, вычисления деформаций производятся при различных расстояниях между реперами.

По представленным материалам наблюдений по каждому из реперов следует вычислять: з - оседания, i - наклоны, К - кривизну, R - радиус кривизны, е - горизонтальные деформации земной поверхности.

Рис. 23. Виды сосредоточенных деформаций земной поверхности а) 1 - ступени, б) 2 - уступы, в) 3 - трещины з - оседание; Я - наклон; е - горизонтальная деформация; l - интервал

где , , - вероятные ширина трещин, высота ступеней и уступов, которые образовались на наблюдаемом участке земной поверхности;

, , - фактические горизонтальные деформации и наклоны кривой мульды сдвижения на участках между трещинами (), ступенями () и уступами ;

и - горизонтальные деформации и наклоны, полученные в результате измерений при расстоянии между реперами ;

и - горизонтальные деформации и наклоны, вычисленные в результате измерений при расстоянии между реперами (рис. 23).

На интервалах, где величины , или получаются больше 2 см, а значения и существенно (в 2-3 раза) меньше измеренных наклонов или больше измеренных наклонов на интервале 1 (или имеет противоположный измеренному знак), следует ожидать образования сосредоточенных деформаций. С целью установления местоположения деформаций на интервале 1 закладываются дополнительные реперы, с расстоянием между ними 1/4, 1/3 или 1/2, на которых проводятся частотные наблюдения. На основании этих наблюдений по той же методике определяется концентрация деформаций на более коротких интервалах, которые при необходимости делятся потом еще на более короткие.

Наблюдения за основаниями фундаментов, сооружениями, коммуникациями, попадающими в зону влияния массива земных и горных пород и подземных сооружений, должны проводиться по программе, отвечающей требованиям нормативных документов в целях: определения абсолютных и относительных величин деформаций и сравнения их с расчетными и допустимыми значениями, выявления причин возникновения и степени опасности деформаций для нормальной эксплуатации объектов, принятия своевременных мер по борьбе с возникающими деформациями или устранению их последствий, уточнения расчетных данных физико-механических характеристик грунтов, уточнения методов расчета и установления допустимых и предельных величин деформаций для различных типов зданий, сооружений и коммуникаций, установления эффективности принимаемых профилактических и защитных мер и уточнения закономерностей процесса сдвижения земных и горных пород оснований фундаментов и зависимостей его параметров от основных влияющих факторов.

При наблюдении за основаниями фундаментов строительных объектов следует определять неравномерность оседаний оснований фундаментов, фиксировать трещины и другие положения элементов конструкций, надежность узлов их опирания, наличие необходимых зазоров в швах и шарнирных опорах и т.п.

В главе выявлены особенности средств контроля с применением лазерных устройств. Предлагаемый способ заключается в фиксации смещения закрепленных на исследуемом объекте реперов в горизонтальной и вертикальной плоскостях по изменению тока засветки ФПУ, закрепленного на реперах.

Световой луч, ориентированный определенным образом, является опорной линией или создает световую плоскость, относительно которой при помощи ФПУ могут выполняться необходимые маркшейдерские измерения. Конструкция ФПУ приведена на рис. 24, 25.

Рис. 24. Конструкция фотоприемного устройства

Риc. 25. Принцип измерения смещения реперов от изменения тока засветки

Сущность работы фотоприемной системы с лазерным сканированием сводится к следующему: распределение яркости объекта наблюдения фокусируется на фоточувствительную поверхность фотоприемного устройства; фотоотклик каждого элемента пропорционален засвеченной части фотодиода, т.е. определенному числу засвеченных ячеек соответствует свой ток засветки.

Путем периодического последовательного опроса каждого элемента системы и считывания содержащейся в нем информации на выходе устройства получают фототок, пропорциональный площади засветки фотодиода.

Данная система работает в реальном масштабе времени ("мгновенного" действия) и режиме накопления сигнала с полной электрической развязкой отдельных фотоприемников и с внутренними электрическими связями между ними.

В случае деформации базы происходит смещение ФПУ относительно луча излучения. Луч лазера засвечивает разные фотодиоды. Смещение находится из треугольника .

Отношение различных пар сторон прямоугольника есть тригонометрические функции острого угла . где - угол наклона фотодиодов; - шаг смещения центров фотодиодов; - величина смещения, т.е. деформация объекта.

В зависимости от числа освещенных ячеек фотодиодов, каждая из которых имеет свой ток засветки и порог срабатывания, на выходе ФПУ получаем результирующий сигнал. Этот сигнал зависит от плотности облучения. Плотность падающего лучистого потока на облучаемую поверхность определяется отношением лучистого потока , упавшего на нее и равномерно распределившегося по ней, к величине площади этой поверхности :

Следует отметить, что плотность облучения может определяться в любой точке поля излучения как отношение потока, пронизывающего с одной стороны некоторый плоский контур, к площади, ограниченной им. Поэтому при повороте контура меняется поток, пронизывающий контур, следовательно, изменяется плотность облучения. Ток засветки з, есть функция от :

Величина деформации равна разности смещений между 1 и 2 лучем лазерного излучения: = 1 - 2.

С фотодиодов результирующий сигнал поступает на усилитель и схему обработки, затем на общее запоминающее устройство (ОЗУ) с последующим выводом всей картины деформации объекта на экран дисплея ЭВМ или графопостроитель.

От характера объекта и условий контроля зависит применяемый дискретный или непрерывный режим работы системы. Так, при контроле смещений уступов и бортов карьеров применим дискретный режим работы, в результате полная картина деформации зависит от интервала (шага) между реперами в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Рис. 26. Использование наклонного луча лазера

На объектах, требующих постоянного контроля в автоматическом режиме, исключая присутствие измерителя, возможен непрерывный режим излучения. В данном случае точность смещений определяется размером ячейки отдельного фотодиода, когда лазерный луч постоянно сканирует по фотоприемному устройству. При работе лазерным визиром типа ЛВ-5М используется наклонный луч (рис. 26).

Седьмая глава посвящена экспериментальным исследованиям различных объектов по определению микродеформаций и перемещений на основе использования приборов с устройствами, излучающими лазерный луч и его регистрирующими в зависимости от отклонений.

Стендовые испытания автоматизированной системы контроля микродеформаций массива горных пород и сооружений проводились на 24-метровом оптико-механическом компараторе МГУГиК рис. 27. На одном его конце установлен лазерный визир ЛВ-5М. ФПУ жестко закреплено на каретке, которая находится на противоположном конце компаратора. Каретка может перемещаться в горизонтальной, вертикальной и продольной плоскостях при помощи механического устройства. Положение каретки фиксируется микроскопом К.Цейс (20х с ценой деления 1 мкм).

Рис. 27. Испытательный стенд автоматизированной системы контроля микродеформаций массива горных пород и сооружений: 1 - лазер ЛВ-5М; 2 - ФПУ; 3 - микроскоп; 4 -микроамперметр; 5 - осциллограф; 6 - оптико-механический компаратор

Рис. 28. Изменения тока засветки фотодиода от микро перемещений ФПУ ?l: а) в горизонтальной плоскости, б) в вертикальной плоскости, в) в продольной плоскости

Стендовые испытания включают 3 эксперимента:

I - исследование изменения фототока от величины засветки ФПУ при перемещении каретки в горизонтальной плоскости (рис. 28).

II - изучение изменения фототока от величины засветки ФПУ при перемещении каретки в вертикальной плоскости (рис. 28).

III - исследование изменения фототока от величины засветки ФПУ при перемещении каретки вдоль компаратора в продольной плоскости (рис. 28).

Сила фототока в зависимости от перемещения фотодиода в горизонтальной и вертикальной плоскостях ?l относительно лазерного луча (иными словами от величины засветки фотодиода) описывается логистической кривой насыщения:

где - фоновый фототок, мкА;

- максимальный фототок при полной засветки фотодиода;

?l - величина перемещения фотодиода, мкм;

и - эмпирические коэффициенты.

В частности, для фотодиода ФД-27К закономерность изменения фототока в зависимости от перемещения фотодиода в горизонтальной и вертикальной плоскостях ?l (от площади засветки фотодиода) выражается при корреляционном отношении з = 0,9 довольно точно логистическим уравнением:

При обработке экспериментальных данных использовался способ наименьших квадратов. Наибольший разброс результатов наблюдается при перемещении каретки вдоль компаратора (рис. 28-в) и составляет по фототоку + 0,06 мкА или в линейной мере (перемещение каретки) + 170 мкм.

Таким образом, установлена общая для фотодиодов логистическая закономерность изменения фототока от величины площади засветки фотодиода

: ,

где - чувствительность фотодиода.

При проведении эксперимента использовались: лазер ЛВ-5М со стабилизацией излучения, ФПУ на базе фотодиода ФД-27К, микроамперметр М-2015. Обработка результатов экспериментов проводилась на ЭВМ.

Необходимо иметь ввиду, что электрической схемой предусмотрено следующее: при перемещении каретки влево, вниз и к лазеру стрелка микроамперметра отклоняется влево (фототок отрицателен), а при перемещении каретки вправо, вверх и от лазера - вправо (фототок положителен).

Результаты эксперимента подтверждают возможность автоматизированного контроля микродеформаций в горизонтальной и вертикальной плоскостях до 3000 мкм, а в продольной плоскости до 10000 мкм.

При практическом применении автоматизированной системы контроля микродеформаций сооружений можно, используя полученные графики изменения фототока при перемещении каретки, проградуировать деления микроамперметра непосредственно в линейную меру - микромиллиметрах.

В работе проанализирован и обобщен отечественный и мировой опыт мониторинга деформаций земной поверхности, зданий и инженерных сооружений (мостов, плотин, башен и т.д.) с применением спутниковых технологий, и определены основные источники погрешностей этих измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создана базовая математическая модель для анализа процессов деформирования и разрушения пространственной системы ЗФО при силовых и кинематических воздействиях и предложена эффективная методика построения конечно-элементной модели сооружения для проведения вычислительных экспериментов по исследованию НДС элементов конструкций с учетом нелинейного поведения материалов.

2. Разработана обобщающая математическая модель механического поведения кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния, учитывающая структурные разрушения и деформационное разупрочнение материала. Адекватность модели подтверждена сопоставлением с результатами натурных экспериментов. Установлены такие показатели оценки безопасности кирпичных зданий, как условия появления, процесс распространения трещин в несущих стенах зданий и резерв их несущей способности.

3. На примере ретроспективного анализа причин трещинообразования в несущих стенах реального кирпичного здания доказана адекватность разработанной математической модели деформирования и разрушения пространственной системы ЗФО, учитывающей процессы структурного разрушения и деформационного разупрочнения и обоснован проект мероприятий по обеспечению безопасной эксплуатации здания.

4. Применена лазерная техника для строительно-монтажных работ, которая позволила создать референтное направления в виде ориентированной в пространстве прямой линии или плоскости (горизонтальной, вертикальной или наклонной), разработать визуальные и фотоэлектрические способы регистрации положения контролируемых точек в пространстве; изучить факторы, влияющие на деформацию и отклонение лазерного луча от заданного направления для введения соответствующих коррекций и разработать автоматизированные лазерные следящие системы с обратной связью.

5. Созданы схемы, технические решения, технологические приемы и алгоритмы, объединенные в автоматизированную систему контроля и управления строительными объектами и процессами, позволяющую более точно оценивать положения реперных точек исследуемых объектов и своевременно обнаруживать признаки, предшествующие возникновению чрезвычайных и аварийных ситуаций зданий и сооружений, для принятия оперативных мер по их предупреждению при производстве строительно-монтажных работ.

6. Предложены принципы экстраполяции траектории движения конструкции в зависимости от наличия возмущений, позволяющие исключить перерегулирование при управлении, что обеспечивает перемещение конструкции с минимальной кривизной траектории и способствует повышению эксплуатационных характеристик строящихся сооружений.

7. Доказано, что расчетные траектории, полученные на базе аналитических зависимостей, описывающих управляемое движение, адекватны экспериментальным (расхождение не превышает 8%), что свидетельствует о справедливости математических моделей, составляющих основу устройств управления, и оценки возмущений, действующих на конструкцию при ее движении.

8. Внесен научный вклад в основы синтеза систем автоматического управления с учетом ограничений как по управляющим воздействиям, так и по фазовым координатам объекта, что является дальнейшим развитием теории управления для данного класса динамических объектов.

9. Составлен алгоритм управления процессом центровки конструкций, дающий возможность преобразовывать отклонения их центра от заданной лазерной опорной оси в соответствующие сигналы двигателей механизмов радиального перемещения, обеспечивает надежное выполнение этой операции с точностью в мм.

10. Разработаны новые методики определения микросмещений точек исследуемых объектов в вертикальных и горизонтальных плоскостях, обеспечивающих требуемую точность маркшейдерских измерений, а также оригинальные решения маркшейдерско-геодезических измерений, учитывающих особенности лазерных излучателей и фотоприемно-регистрирующих устройств, предложенных автором (АС №1618240).

11. Предложены технические устройства и способы управления, корректировки, исполнения и фиксации объектов при геодезической оценке координат их положения или установки с использованием лазерных приборов, что позволило производить контроль положений координатных точек с точностью 100-3000 мкм.

12. Осуществлен анализ и расчет абсолютных и относительных погрешностей функциональных величин координатных оценок и их учет при управлении процессом производства работ, с применением лазерных устройств и систем спутниковой навигации, обеспечивающих необходимое быстродействие, зону контроля для управления мобильными объектами различного технологического назначения.

13. Проведены экспериментальные исследования для получения данных по оценке и сопоставлению теоретических расчетов результатов экспериментов по параметрам геодезических координат и факторам, на них влияющим, при производстве строительно-монтажных работ.

14. Создана совокупность теоретических положений подходов, методов, алгоритмов и программных средств моделирования процессов деформирования и разрушения строительных сооружений при исследовании их безопасности, а также синтез систем автоматического управления, являющихся дальнейшим развитием теории и практики в автоматизации процессов монтажа строительных конструкций и маркшейдерско-геодезического контроля зданий и сооружений.

...