盾構(gòu)柔性推進(jìn)電液控制策略研究

張合沛，李鳳遠(yuǎn)，王助鋒，馮歡歡

（1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009）

盾構(gòu)柔性推進(jìn)電液控制策略研究

張合沛1,2，李鳳遠(yuǎn)1,2，王助鋒1,2，馮歡歡1,2

（1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009）

結(jié)合現(xiàn)有壓力流量復(fù)合控制、分組聯(lián)合控制、負(fù)載敏感控制等技術(shù)，在盾構(gòu)電液控制方式上提出改進(jìn)型壓力流量復(fù)合控制策略，旨在解決推進(jìn)油缸工作過(guò)程中易出現(xiàn)液壓管路受沖擊的問(wèn)題，并通過(guò)理論實(shí)驗(yàn)對(duì)該策略進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)柔性控制提供一種思路。

盾構(gòu)；液壓沖擊；控制策略；柔性；實(shí)驗(yàn)

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)著推進(jìn)任務(wù)并承載著從刀盤系統(tǒng)傳遞過(guò)來(lái)的外界載荷，當(dāng)出現(xiàn)突變載荷較大或大偏載時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)中液壓元件溢流、工作介質(zhì)壓縮、液壓管道變形以適應(yīng)外界突變載荷。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)可以衰減掉部分外界載荷從而減小其對(duì)系統(tǒng)造成的損壞。因此，許多學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中的突變載荷及柔性控制策略設(shè)計(jì)做了相關(guān)研究。

柔性是指機(jī)械裝備對(duì)外界環(huán)境變化適應(yīng)能力的體現(xiàn)。盾構(gòu)柔性推進(jìn)電液控制主要目標(biāo)是弱化外界載荷，改善作業(yè)環(huán)境，使其在載荷突變情況下仍能正常工作。本文設(shè)計(jì)了盾構(gòu)柔性推進(jìn)電液控制策略及盾構(gòu)柔性推進(jìn)電液控制流程，并通過(guò)盾構(gòu)電液控制系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析，為指導(dǎo)新一代盾構(gòu)的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了一種方法。

1 控制理論

盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)具有變負(fù)載、功率大等特點(diǎn)，且推進(jìn)油缸數(shù)量較多，要求系統(tǒng)對(duì)每個(gè)推進(jìn)油缸即可單獨(dú)控制，也可分組控制，同時(shí)保證所有推進(jìn)油缸的協(xié)調(diào)及同步控制。因此，在盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)中常采用壓力流量復(fù)合控制和分組聯(lián)合控制的方式，即將推進(jìn)油缸沿圓周方向劃分成若干區(qū)域（由于所處位置不同，每區(qū)的推進(jìn)油缸數(shù)量不同）。

1.1 壓力流量復(fù)合控制技術(shù)

在施工過(guò)程中，推進(jìn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)速度及推進(jìn)壓力的雙重控制，單純的速度或壓力控制系統(tǒng)均無(wú)法滿足上述要求。

因此，在盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)中，利用壓力流量復(fù)合控制的方式實(shí)現(xiàn)推進(jìn)壓力與速度的單獨(dú)控制，大大弱化了二者之間的相互影響。依據(jù)所用液壓控制元件的不同，壓力、流量復(fù)合比例控制可分為節(jié)流控制和容積控制兩種方式。其中，節(jié)流控制方式具有系統(tǒng)響應(yīng)性高、可微流量調(diào)節(jié)、操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但存在能耗較大、系統(tǒng)能效利用率較低等缺點(diǎn)，大多用于小功率液壓控制系統(tǒng)；容積控制方式具有節(jié)能、能效利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力差等缺點(diǎn)，多用于大、中功率液壓控制場(chǎng)合。根據(jù)盾構(gòu)作業(yè)環(huán)境及控制需求，主控油路選用容積控制方式，分控油路采用節(jié)流控制方式，即分別采用比例溢流閥與比例調(diào)速閥進(jìn)行支路壓力與流量的單獨(dú)控制，如圖1所示。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)單個(gè)分組液壓原理圖

系統(tǒng)中均設(shè)有壓力傳感器和位移傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推進(jìn)油缸的推進(jìn)壓力及位移，并與比例溢流閥和比例調(diào)速閥分別構(gòu)成推進(jìn)壓力及速度閉環(huán)控制，達(dá)到壓力和流量的復(fù)合控制，實(shí)時(shí)控制推進(jìn)油缸的推進(jìn)壓力及速度。

1.2 分組聯(lián)合控制技術(shù)

盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤或刀架的精確進(jìn)刀與對(duì)刀是非常重要的，若被切削的掌子面的地質(zhì)較復(fù)雜，由于地層阻力的影響，使刀盤在前進(jìn)過(guò)程中容易發(fā)生偏離，這時(shí)就需要通過(guò)推進(jìn)油缸的協(xié)同控制來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)的微調(diào)整，若對(duì)每個(gè)推進(jìn)油缸單獨(dú)控制，控制成本及精度都會(huì)受到影響，因此，利用分組聯(lián)合控制方式，對(duì)每個(gè)子區(qū)的推進(jìn)油缸分別控制，既可以節(jié)約成本、提高控制系統(tǒng)可靠性，又可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)、方向的精確控制。

由于盾構(gòu)推進(jìn)阻力不均勻的原因，所以每個(gè)區(qū)的推進(jìn)油缸數(shù)量及分布密度有所不同，通常是下邊的分區(qū)推進(jìn)油缸數(shù)量最多，密度最大，上邊的分區(qū)推進(jìn)油缸數(shù)量最少，密度最小，兩邊的分區(qū)推進(jìn)油缸數(shù)量居中。

2 控制策略

利用了壓力流量復(fù)合控制、分組聯(lián)合控制、PID控制、PLC控制等技術(shù)原理對(duì)盾構(gòu)柔性推進(jìn)控制進(jìn)行研究，基于盾構(gòu)電液控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)盾構(gòu)柔性推進(jìn)電液控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。

利用以下控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)比例壓力流量復(fù)合控制：首先，對(duì)推進(jìn)油缸的壓力、流量信號(hào)進(jìn)行采集、處理、反饋，比例壓力閥作為壓力流量復(fù)合控制的主要執(zhí)行元件，根據(jù)對(duì)稱取值及平均值原則對(duì)系統(tǒng)壓力、流量反饋信號(hào)進(jìn)行算法處理，再進(jìn)行壓力、流量實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到比例壓力流量復(fù)合控制；比例調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)流量大致范圍的控制，提供推進(jìn)油缸正常推進(jìn)和比例壓力閥穩(wěn)定溢流所必需的流量，如圖2所示。

圖2 推進(jìn)系統(tǒng)壓力流量復(fù)合閉環(huán)控制策略

3 控制流程

基于盾構(gòu)自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合上述控制技術(shù)及控制方法，進(jìn)行盾構(gòu)柔性推進(jìn)電液控制軟件流程設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 柔性推進(jìn)控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

在對(duì)推進(jìn)油缸控制的過(guò)程中采用壓力流量復(fù)合控制方式，結(jié)合電液比例控制技術(shù)，在控制軟件設(shè)計(jì)上采用PID算法，提高盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)控制精度，達(dá)到柔性控制的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上對(duì)A、B、C、D、E五組推進(jìn)油缸的供油端壓力和出油端壓力通過(guò)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，得到五組推進(jìn)油缸在工作過(guò)程中的液壓油的實(shí)時(shí)壓力，利用PID算法，根據(jù)五個(gè)區(qū)推進(jìn)油缸工作壓力的實(shí)時(shí)變化對(duì)電液比例閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，在推進(jìn)速度計(jì)算上采用對(duì)稱取值及平均值原則，使推進(jìn)速度能夠反映液壓油流量的線性變化，在柔性控制上利用推進(jìn)速度變化表征液壓油流量變化，形成壓力流量復(fù)合控制方式，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，避免對(duì)液壓管路沖擊現(xiàn)象的發(fā)生。

根據(jù)上述要求進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到推進(jìn)系統(tǒng)A～E組工作壓力曲線如圖4～圖8所示。

盾構(gòu)瞬時(shí)推進(jìn)速度是每個(gè)推進(jìn)工作區(qū)的行程傳感器在兩次行程數(shù)據(jù)采集、處理時(shí)間間隔(Δt)的行程差與Δt的比值為Vt。每個(gè)推進(jìn)工作區(qū)的推進(jìn)速度是根據(jù)連續(xù)10個(gè)瞬時(shí)推進(jìn)速度求得的平均值，即

其中N為A、B、C、D、E。

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)速度是根據(jù)A、C、E3個(gè)工作區(qū)的平均推進(jìn)速度求得，即

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果如圖9所示。

從仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論：①在控制系統(tǒng)中引入雙PID控制，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)在掘進(jìn)過(guò)程中由于荷載突變引起的推進(jìn)油缸壓力變化有明顯的抑制作用；②在推進(jìn)速度計(jì)算上采用對(duì)稱取值及平均值原則，推進(jìn)速度能夠較好反映液壓油流量的線性變化情況；③該控制策略能夠在非線性大負(fù)載工況下實(shí)現(xiàn)壓力流量的復(fù)合控制，提高系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

圖4 推進(jìn)系統(tǒng)A組工作壓力曲線圖

圖5 推進(jìn)系統(tǒng)B組工作壓力曲線圖

圖6 推進(jìn)系統(tǒng)C組工作壓力曲線圖

圖7 推進(jìn)系統(tǒng)D組工作壓力曲線圖

圖8 推進(jìn)系統(tǒng)E組工作壓力曲線圖

圖9 推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)速度曲線圖

5 結(jié)論與建議

在盾構(gòu)柔性推進(jìn)電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中利用推進(jìn)速度變化表征推進(jìn)油缸流量變化方法，形成壓力流量復(fù)合控制方式，在推進(jìn)速度計(jì)算上采用對(duì)稱取值及平均值原則，使推進(jìn)速度能夠較好反映液壓油流量的線性變化，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，有效避免液壓管路沖擊現(xiàn)象。但，該控制策略僅在盾構(gòu)電液控制系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，未在盾構(gòu)設(shè)備施工過(guò)程中應(yīng)用檢驗(yàn)，需要后期不斷深入研究，去指導(dǎo)盾構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(編輯 張海霞）

Research of shield fl exible promoting electro-hydraulic control strategy

ZHANG He-pei, LI Feng-yuan, WANG Zhu-feng, FENG Huan-huan

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助(2012AA041802)

TU621

B

1001-1366(2015)09-0070-04

2015-07-16