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盾构推进系统同步控制仿真与试验研究
作者:胡国良 刘乐平 龚国芳
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摘要:阐述了盾构推进液压系统工作原理。采用AMESim 和MA TLAB 仿真软件对推进液压系统同步协调控制进行了仿真分析,同时采用PLC 编译了主从式同步PID 控制程序,并在盾构模拟试验台上进行了同步推进试验研究,比较了两种不同负载下的同步试验情况。仿真和试验结果表明:采用主从式同步PID 控制策略能够达到很好的同步效果,同步精度可达±3mm ,能较好地满足盾构在不同地质情况下同步推进控制的基本要求。
关键词:盾构;推进液压系统;同步控制;AMESim

盾构是一种集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型工程装备。它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点[ 1 ] 。

推进系统是盾构的关键组成部分,主要承担着整个盾构的顶进任务。它应能完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等。

目前,国外先进的盾构推进系统一般采用分组分区控制,每一区由6~10 个液压缸组成,通过协调每区的推进压力和推进速度对盾构姿态和方向进行控制,但对同步协调控制很少涉及[2 ] 。由于盾构工作的特殊性,盾构刀盘开挖面前方的负载经常发生变化,在直线推进的情况下,如果不采取必要的同步措施,推进过程中盾构将偏离设定的轨迹,引起不必要的超挖或欠挖,甚至会造成盾构设备失效或损坏。因此在变负载情况下,盾构这种多缸机构设备的同步控制十分重要。基于此,本文在所设计的推进液压系统基础上,对其同步协调控制进行相关仿真和试验分析。

1 推进液压系统的工作原理

盾构推进液压系统的特点是变负载、大功率、小流量。本系统中,执行元件由左右对称的6 个液压缸组成,用以模拟实际盾构的控制方式,将其分为6 组,进行分组控制。各个分组中的控制模块都相同,均由比例溢流阀、比例调速阀、电磁换向阀、辅助阀及相关检测元件等组成,可完成全推进、单个前进或后退、双个前进或后退等动作。图1 为推进液压系统的工作原理简图。

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1. 二位二通电磁换向阀 2. 比例调速阀 3. 比例溢流阀 4. 平衡阀 5. 压力传感器 6. 液压缸 7. 位移传感器 8. 液压锁 9. 三位四通电磁换向阀 10. 二位四通电磁换向阀
图1 推进液压系统工作原理简图

盾构推进时,二位二通电磁换向阀1 断电,系统压力油经比例调速阀2 流出,此时三位四通电磁换向阀9 切换到工作状态(B 位置) ,液压缸6的活塞杆向前运动。推进过程中,液压缸6 中的内置式位移传感器7 实时检测推进位移,转换成电信号反馈到比例调速阀2 的比例电磁铁上,控制比例调速阀2 中节流口的开度,从而实现推进速度的实时控制,此时系统中多余的压力油可从比例溢流阀3 中流出。为了实现姿态调整,还必须实时控制推进压力,此时可由压力传感器5 检测液压缸6 的推进压力, 并将其转换成电信号反馈到比例溢流阀3 的比例电磁铁上,控制比例溢流阀3 的节流口开度。分组中的比例溢流阀3 、比例调速阀2 、压力传感器5 和位移传感器7 一起构成压力流量复合控制,可实时控制推进系统的推进压力和推进速度,满足盾构推进过程中随时变化的推进压力和推进速度的要求[3 ] 。

多个液压缸同时动作时,二位四通电磁换向阀10 断电,主油路暂时断开,待多个液压缸控制信号到位后,再使二位四通电磁换向阀10 得电,主油路导通,从而使得多个液压缸同时工作。

推进液压系统在主油路上采用恒压变量泵实现压力自适应控制,其控制框图如图2 所示。恒压变量泵与6 个分组中的比例调速阀组成容积节流调速回路,变量泵根据比例调速阀的设定值自动适应系统需要的流量。6 个分组中的推进液压缸压力pA 、pB 、pC 、pD 、pE 、pF 通过压力传感器进入一个比较环节, 其最大值为驱动负载所需的最高压力pmax 。在推进模式下,变量泵输出压力p =pmax +Δp ,其中,Δp 是保证比例调速阀稳定工作时所需的压力差,该压力差为设定值。变量泵的输出压力p 跟随负载变化,压力变化是阶段性的。这种反馈控制一定程度上相当于压力自适应, 可减少系统压力损失,降低能耗[4 ] 。

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图2 推进液压系统主油路压力自适应控制框图

2 推进液压系统同步仿真分析造成推进系统中分组液压缸不同步的原因有很多种,主要有以下几个方面:

(1) 由于流量增益和起始工作电流的不同以及线性工作区的差异, 某一开度时通过比例调速阀的流量不相等,从而导致液压缸运动不同步。

(2) 液压缸负载不同。掘进过程中, 盾构刀盘开挖面的水土压力都是随机变化的, 因此各个分组中的液压缸的负载大小也不同, 承载大的液压缸较承载小的液压缸运行慢。

(3) 液压缸的制造精误差导致液压缸运动副摩擦力的不同,安装时运动副的配合间隙不同,使得运动副摩擦力也不相等。摩擦力大的液压缸运行相对慢[5 ] 。

目前常采用的液压同步控制方法主要有两种:一种是开环式的控制方法, 即用分流集流阀、同步缸、同步马达等组成同步液压回路,其特点是原理简单、成本低, 但精度也较低; 第二种方法是用电液伺服阀或电液比例阀组成闭环控制系统,采用这种闭环控制方法时,“同等方式”和“主从方式”是通常采用的两种控制策略, 采用这两种控制策略有望获得高精度的同步控制[6 ] 。仿真中采用主从式同步PID 控制, 控制对象选取左右对称的2 号液压缸和5 号液压缸。把2 号液压缸作为主液压缸,5 号液压缸作为从液压缸。以2 号液压缸的输出为理想输出,5 号液压缸受到控制来跟踪这一选定的理想输出并达到同步驱动。

模拟实际盾构推进过程中分组液压缸所受负载以及内摩擦力不同, 仿真中把2 号液压缸的黏性摩擦因数设为1 ×104 N/ (m ·s) , 负载中的弹簧刚度设为1 ×1010N/ m;把5 号液压缸的黏性摩擦因数设为1 ×103 N/ (m ·s) , 负载中的弹簧刚度设为5 ×109N/ m。图3 为采用AMESim 仿真软件搭建的推进液压系统多缸同步仿真模型图。图4 则为采用Simulink 构建的推进液压系统多缸同步仿真控制模型图。仿真时两个液压缸的调速输入设为相同,把2 号液压缸和5 号液压缸的位移输入到AMESim 的S 函数中,然后通过输出接口在Simulink 中搭建控制模型进行仿真。仿真中把两缸的位移差与设定值进行比较,所得的位移差信号反馈到5 号液压缸的调速设定值上,进行补偿来达到同步控制。

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图5 和图6 为2 号液压缸和5 号液压缸的压力和速度仿真曲线图。从图5 可以看出,由于两个液压缸所受负载不同,2 号液压缸所受压力比5号液压缸所受压力约大2MPa 。仿真中设定的2号液压缸的黏性摩擦因数比5 号液压缸的黏性摩擦因数要大,反映在速度上应有所不同,受力大、黏性摩擦因数大的液压缸速度要慢些。但从图6可以看出,此时两个液压缸的速度基本相同,稳定后的速度均为36mm/ min , 这是采用主从同步PID 控制策略后速度补偿的结果。

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图7 和图8 为两个液压缸的位移仿真曲线图和位移差仿真曲线图。由于2 号液压缸的速度和5 号液压缸的速度相同,因此两个液压缸的位移几乎相等。从图8 可以看出,两个液压缸的位移差只有01025mm ,完全满足控制要求。

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3 推进液压系统同步控制策略

推进液压系统由带PID 控制模块的PLC 来实现其控制功能,因此基本控制算法可直接在PLC 中实现[7 ] 。如图9 所示,位移Y2 能很好地跟踪位移Y1的关键在于位置控制器和补偿校正器的设计。控制系统中由于PLC 支持普通PID 控制这一功能,因此,编程时直接可利用闭环控制模块来编译位置增量式PID 程序,并在其中嵌入补偿控制程序。

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图9 主从式同步控制原理图

图10 为推进液压系统同步PID 控制中补偿校正器PLC 部分程序图,图10 中软元件指令代表含义如下:

输入软元件:X13 ———同步控制程序开关。

数据寄存器软元件:D3021 ———2 号液压缸位移;D3024 ———5 号液压缸位移; D4050 ———位移比较值; D4051 ———位移比较值PID 反馈值;D712 ———同步控制PID 输出值;D888 ———中间过程值。

通信用寄存器软元件:W179 ———2 号液压缸调速输出;W188 ———5 号液压缸调速输出。

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图10 同步补偿校正器PLC部分程序梯形图

如图10 所示,假定两个液压缸的同步控制误差为±3mm ,转换成PLC 中的数字量即为K8 。如果2 号液压缸和5 号液压缸的位移差在误差范围内,则直接把2 号液压缸的调速输出值赋给5号液压缸;如果误差大于3mm ,则把换算后的同步PID 控制输出值连同上一次的5 号液压缸调速输出值一起赋给下一次5 号液压缸的调速输出;如果误差小于- 3mm ,则用上一次的5 号液压缸调速输出值减去换算后的同步PID 控制输出值,赋给5 号液压缸的调速输出。按照上面的设计方法,在PID 程序中嵌入主从式补偿控制程序,调节好3 个PID 参数,即可使液压缸保持同步推进。

4 推进液压系统同步控制试验分析

图11~图14 是轻载时推进液压系统同步控制的相关试验曲线图。用一个装满砂土的土箱放在推进液压缸有杆腔的前方作为模拟负载,推进时液压缸克服土箱的摩擦阻力前进。试验中采用左右对称的2 号液压缸和5 号液压缸推进。

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刚开始推进时,在控制面板上把两个液压缸的调速旋钮旋至近80 %开度,180s 时把2 号液压缸速度的调速旋钮旋开度降至60 %,400s 时停止推进。

图11 为液压缸速度曲线图,从图10 可以看出,刚开始调速时,两个液压缸的速度上升比较快,而且速度几乎没有产生超调,稳定时液压缸速度接近240mm/ min 。180s 开始调速时,2 号液压缸能很好地进行响应,此时跟随的5 号液压缸速度响应特性也很好,稳定后两个液压缸速度接近150mm/ min 。

图12 和图13 分别为液压缸位移曲线图及位移差曲线图,从图12 和图13 可以看出,在两个调速阶段,两个液压缸的位移同步性能比较好,最大同步误差范围基本在±2mm 内,满足设计要求。图14 为液压缸压力曲线图,从图14 可以看出两个液压缸的压力始终相差013MPa 左右,这是由于推进时土箱与两侧导轨间的摩擦阻力系数不同造成的。这种情况同时也说明了同步控制策略的正确性,即不管负载如何变化,液压缸都能在误差范围内进行同步推进。

图15~图18 是模拟在黏土层中推进时同步控制的相关试验曲线图。推进时模拟土箱通过对囊袋加水加压模拟地下加载情况,试验时在控制面板上把两个液压缸的调速旋钮旋至近30 %开度,400s 时停止试验。从图15 的速度曲线看来,2 号液压缸的速度比较平滑, 基本上稳定在36mm/ min 左右;而5 号液压缸速度则有些波动,不过也基本上稳定在36mm/ min 左右。总的来说两个液压缸的速度跟随性比较好,这与图6 的速度仿真曲线基本一致。

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从图16 及图17 的位移曲线图及位移差曲线图可以看出,在整个推进阶段,两个液压缸的位移同步性比较好,最大同步误差不超过±3mm ,满足控制要求。图18 为两个推进液压缸的压力曲线图,从图18 可以看出,两个液压缸的压力始终有个差值,这是由土箱内囊袋模拟加载时两侧不均匀以及掘进时盾构机头姿态有所改变造成的。

5 结束语

对推进液压系统的多缸同步协调控制进行了仿真和试验分析,比较了两种不同负载情况下的同步推进。仿真和试验结果表明:采用主从式同步PID 控制策略能较好地实现推进系统的同步协调运动, 并且液压缸的同步精度可控制在±3mm之间,能够基本满足盾构在不同工况下的同步掘进要求。

参考文献:
[1 ] 杨华勇,龚国芳. 盾构掘进机及其液压技术的应用[J ] . 液压气动与密封,2004 (1) :27229.
[2 ] 刘东亮. 电液比例技术在盾构推进系统中的应用[J ] . 建筑机械,2005 (8) :93295.
[3 ] 龚国芳,胡国良,杨华勇. 盾构推进液压系统控制分析[J ] . 中国机械工程,2007 ,18 (12) :139121395.
[4 ] 胡国良,龚国芳,杨华勇. 基于压力流量复合控制的盾构推进液压系统[J ] . 机械工程学报,2006 ,42 (6) :
1242127.
[5 ] 徐鸣谦,郦科,萧子渊,等. 双缸液压电梯的同步控制[J ] . 同济大学学报,1999 ,27 (5) :5452548.
[6 ] 施光林,史维祥,李天石. 液压同步闭环控制及其应用[J ] . 机床与液压,1997 (4) :327.
[7 ] 龚仲华,史建成,孙毅. 三菱FX/ Q 系列PLC 应用技术[M] . 北京:人民邮电出版社,2006.
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (7/22/2011)
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