矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

卞永明， 方曉駿， 楊　濛， 金曉林

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804； 2.上海同新機(jī)電控制技術(shù)有限公司，上海 200949)

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矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

卞永明1， 方曉駿1， 楊濛1， 金曉林2

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804； 2.上海同新機(jī)電控制技術(shù)有限公司，上海 200949)

摘要：針對(duì)矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)拼裝拱頂塊和拱底塊時(shí)需要同步控制兩臺(tái)機(jī)械手的問題，設(shè)計(jì)了基于CAN(Controller Area Network)總線的同步控制系統(tǒng)并采用同步PID(Proportion Integral Derivative)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)同步誤差的控制.對(duì)同步控制系統(tǒng)的工作原理以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)做了分析.建立了矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)兩臺(tái)機(jī)械手沿徑向的立柱同步升降和沿軸向的同步拼裝頭移動(dòng)同步控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)這兩個(gè)動(dòng)作的同步PID控制性能進(jìn)行仿真分析.通過矩形盾構(gòu)管片同步立柱升降和同步拼裝頭移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)同步控制性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，同步PID算法可減小同步誤差并將立柱升降同步誤差控制在±3 mm之間，拼裝頭移動(dòng)同步誤差控制在不超過±1 mm，顯示了同步PID控制在矩形盾構(gòu)管片拼裝過程中的有效性與可實(shí)現(xiàn)性.

關(guān)鍵詞：矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)； 同步控制系統(tǒng)； CAN總線； PID算法

盾構(gòu)管片拼裝機(jī)是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)成套裝備系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，由于要實(shí)現(xiàn)高精度的管片姿態(tài)及定位控制、高效率的拼裝作業(yè)以及自動(dòng)化拼裝等功能，因此對(duì)其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義.

傳統(tǒng)的盾構(gòu)隧道斷面為圓形，在施工中采用單個(gè)圓形拼裝機(jī)進(jìn)行回轉(zhuǎn)拼裝的方法.傳統(tǒng)的圓形拼裝機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC(Programmable Logic Controller)集中控制模式，通過PLC同時(shí)控制回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、平移系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、微調(diào)系統(tǒng)等液壓回路，并采集各開關(guān)、編碼器和傳感器等數(shù)據(jù).其采用攝像機(jī)加激光技術(shù)的圖像采集系統(tǒng)獲得管片安裝的位置發(fā)送給PC，并通過PC來控制PLC實(shí)現(xiàn)管片的全自動(dòng)拼裝[1].與圓形結(jié)構(gòu)相比，矩形隧道斷面結(jié)構(gòu)具有充分利用斷面結(jié)構(gòu)和減少隧道結(jié)構(gòu)施工深度等優(yōu)勢[2-4].但是由于矩形盾構(gòu)隧道管片形狀呈矩形或扁平形，管片拼裝作業(yè)空間隨管片斷面尺寸的變化而變化，無法采用一個(gè)圓形拼裝機(jī)拼裝管片，管片拼裝難度因隧道斷面形狀、管片分塊形式、隧道施工方法、管線和管道布置等而增加.Kazunari等人采用2臺(tái)傳統(tǒng)圓形拼裝機(jī)分工拼裝一環(huán)15塊管片[5]，雖然原拼裝機(jī)控制系統(tǒng)不需要改變，但是由于兩臺(tái)設(shè)備作業(yè)空間有限且沒有進(jìn)行協(xié)同拼裝，導(dǎo)致一環(huán)管片的分塊數(shù)較多，增加了拼裝一環(huán)管片的時(shí)間，且兩臺(tái)圓形拼裝機(jī)占用隧道斷面空間較大.顧旭瑩采用了一種新型軌道式管片拼裝機(jī)進(jìn)行管片拼裝，其操作控制系統(tǒng)與圓形盾構(gòu)拼裝機(jī)類似[6].由于其采用單臺(tái)拼裝機(jī)沿軌道進(jìn)行一環(huán)管片的安裝，雖然可以克服兩臺(tái)圓形拼裝機(jī)占用隧道斷面空間較大的問題，但是拼裝效率只有兩臺(tái)拼裝機(jī)分工作業(yè)的一半，并且該管片拼裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，軌道、拼裝機(jī)構(gòu)、鎖緊等裝置的加工制造要求高.為了提高矩形盾構(gòu)管片的拼裝效率，同時(shí)減少一環(huán)管片的分塊數(shù)量，采用兩臺(tái)拼裝機(jī)械手協(xié)同完成拱底塊和拱頂塊的拼裝.

雖然兩臺(tái)機(jī)械手采用了相同的液壓系統(tǒng)，但是由于系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)尺寸的差異，安裝時(shí)產(chǎn)生的差異，負(fù)載工況有所變動(dòng)的原因，兩臺(tái)機(jī)械手同步動(dòng)作時(shí)如果不采取協(xié)同控制，易產(chǎn)生顫動(dòng)、卡死等現(xiàn)象，不僅降低了工作效率而且影響了設(shè)備本身的使用壽命.國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)圓形管片拼裝機(jī)雙液壓缸同步控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的研究[7-8]，考慮到兩提升缸之間液壓耦合的干擾，通過模糊PID(Proportion Integral Derivative)算法實(shí)現(xiàn)了雙提升液壓缸的同步控制.由于研究的兩臺(tái)液壓機(jī)械手相互獨(dú)立，所以不考慮兩機(jī)械手之間液壓耦合的干擾.此外，由于兩臺(tái)拼裝機(jī)械手需進(jìn)行協(xié)同控制，兩臺(tái)機(jī)械手控制器之間需建立數(shù)據(jù)通信.丁書福采用了無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)了拼裝機(jī)控制器與遙控器的通信[9].但是無線網(wǎng)絡(luò)受傳輸距離的限制和傳輸環(huán)境的干擾，無法滿足協(xié)同控制中數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的高實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求.何平設(shè)計(jì)的盾構(gòu)控制系統(tǒng)中，上位機(jī)通過CAN(Controller Area Network)總線實(shí)現(xiàn)了與拼裝機(jī)控制器的通信[10].由于多臺(tái)控制器的數(shù)據(jù)需集中由上位機(jī)處理后再由上位機(jī)發(fā)送控制指令給下位機(jī)，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí).

本文采用了基于CAN總線的分布式網(wǎng)絡(luò)控制模式，在兩臺(tái)機(jī)械手之間建立了CAN總線的連接.為了將同步誤差控制在10 mm以下，采取同步PID算法對(duì)兩臺(tái)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行控制，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了同步PID算法對(duì)矩形盾構(gòu)管片拼裝同步控制的有效性與可實(shí)現(xiàn)性.

1矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)工作原理

矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)采用雙機(jī)械手對(duì)1環(huán)6塊管片進(jìn)行安裝，如圖1所示.左側(cè)上塊和左側(cè)下塊由機(jī)械手1單獨(dú)完成拼裝，右側(cè)上塊和右側(cè)下塊由機(jī)械手2單獨(dú)完成拼裝，拱底塊和拱頂塊由兩臺(tái)機(jī)械手同步完成拼裝.左右兩組側(cè)塊形狀對(duì)稱，拼裝機(jī)械手在結(jié)構(gòu)上也對(duì)稱分布.機(jī)械手通過沿徑向的立柱升降(0～2 400 mm)、沿橫向的橫臂伸縮(0～900 mm)、沿軸向的橫臂回轉(zhuǎn)(-110°～110°)以及軸向的拼裝頭移動(dòng)(0～500 mm)實(shí)現(xiàn)拼裝管片粗定位，如圖2所示.在實(shí)際施工中，并非每一塊管片都能以規(guī)則的理想位置進(jìn)行拼裝，其很可能與隧道空間的某個(gè)平面存在一個(gè)小的夾角，所以還需要實(shí)現(xiàn)管片俯仰、偏轉(zhuǎn)和橫搖的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)管片姿態(tài)的微調(diào)整[11].管片偏轉(zhuǎn)通過拼裝頭偏轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)±3.5°的偏轉(zhuǎn)，管片的俯仰和橫搖通過拼裝頭的6個(gè)調(diào)整油缸實(shí)現(xiàn)，調(diào)整角度15°，如圖2所示.

2同步控制系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)工作原理

整個(gè)矩形管片拼裝機(jī)控制系統(tǒng)采用電液比例技術(shù)來進(jìn)行控制，可編程控制器PLC控制電液比例閥來改變回路的壓力和流量從而控制液壓執(zhí)行元件的輸出狀態(tài)，同時(shí)傳感器對(duì)設(shè)備位置進(jìn)行檢測并反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)管片拼裝的閉環(huán)控制.拼裝機(jī)的立柱升降和橫臂伸縮動(dòng)作采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件.橫臂回轉(zhuǎn)采用小齒輪和回轉(zhuǎn)支承方式，液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件.拼裝頭的移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)以及調(diào)整動(dòng)作由液壓油缸來實(shí)現(xiàn).馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)和油缸的伸縮通過比例換向閥來控制，同時(shí)控制器通過調(diào)節(jié)輸出PWM(Pulse Width Modulation)信號(hào)的占空比來控制比例閥線圈上的輸入電流來改變某一液壓控制回路的流量，從而對(duì)某一執(zhí)行元件的速度進(jìn)行調(diào)節(jié).傳感器采用12位多圈絕對(duì)值角度編碼器分別采集立柱升降齒輪、橫臂伸縮齒輪、橫臂回轉(zhuǎn)小齒輪和拼裝頭移動(dòng)螺桿的轉(zhuǎn)角來計(jì)算立柱升降行程(精度1 mm)，橫臂伸縮行程(精度1 mm)，拼裝頭移動(dòng)行程(精度1 mm)和橫臂回轉(zhuǎn)角度(精度0.1°).每個(gè)動(dòng)作行程兩端都裝有限位開關(guān)，以防止動(dòng)作超出行程后對(duì)設(shè)備造成的沖擊.

2.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于在拼裝拱底塊和拱頂塊時(shí)兩臺(tái)機(jī)械手需要協(xié)同完成拼裝，所以本文在兩臺(tái)機(jī)械手之間構(gòu)建了一個(gè)基于CAN總線的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，使機(jī)械手1控制單元和機(jī)械手2控制單元通過CAN總線連接建立通信，將機(jī)械手1各個(gè)動(dòng)作的位置信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給機(jī)械手2.機(jī)械手控制單元采用了模塊化的設(shè)計(jì)，每個(gè)控制單元各由兩個(gè)PLC控制器構(gòu)成：立柱橫臂控制器控制立柱升降、橫臂伸縮和橫臂回轉(zhuǎn)的動(dòng)作并采集相應(yīng)動(dòng)作的行程、角度和限位信息；拼裝頭控制器控制拼裝頭的移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)以及調(diào)整油缸的動(dòng)作并采集相應(yīng)動(dòng)作的行程、角度和限位信息.四個(gè)控制器直接將采集的位置信息發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)上，這樣一臺(tái)機(jī)械手的控制器可以接收到另一臺(tái)機(jī)械手控制器的信息，并且同一機(jī)械手的兩個(gè)控制器之間也實(shí)現(xiàn)了信息交互，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的控制器之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享.另外，為了實(shí)現(xiàn)拼裝機(jī)的遠(yuǎn)距離控制與監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中增加了無線通信模式，遙控器和無線接收模塊采用無線方式通信，無線接收模塊接收遙控器發(fā)送的指令將控制指令發(fā)送到CAN總線上，機(jī)械手1、機(jī)械手2控制單元根據(jù)CAN端口接收的指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作輸出.同時(shí)無線接收模塊將拼裝機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)無線發(fā)送給遙控器以便操作人員了解拼裝機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài).機(jī)械手1和2的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及遙控器的指令信息都通過CAN總線傳輸?shù)蕉軜?gòu)主控制室，盾構(gòu)操作人員能實(shí)時(shí)監(jiān)測拼裝機(jī)的整體狀態(tài)并且了解管片拼裝的進(jìn)程.整個(gè)基于CAN總線的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，減少了布線的難度，同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)簡化了整個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)和安裝過程.控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖3　控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

兩臺(tái)機(jī)械手的同步動(dòng)作主要是在拼裝拱頂塊和拱底塊時(shí)沿徑向的同步立柱升降和沿軸向的同步拼裝頭移動(dòng).前者采用液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，后者采用液壓油缸作為執(zhí)行元件.下面分別對(duì)兩者的同步PID控制模型進(jìn)行分析和仿真，并通過實(shí)驗(yàn)研究這兩個(gè)動(dòng)作的同步PID算法控制精度.

3同步PID算法

矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)同步動(dòng)作控制的目標(biāo)是兩臺(tái)機(jī)械手的輸出位移相等.兩臺(tái)機(jī)械手具有相同的液壓控制系統(tǒng)，但是由于液壓系統(tǒng)的泄露、執(zhí)行元件的非線性摩擦阻力，控制元件和系統(tǒng)的制造誤差等因素，系統(tǒng)的同步性能和運(yùn)動(dòng)性能較低[12-14].現(xiàn)采用同步PID算法來實(shí)現(xiàn)拼裝機(jī)機(jī)械手的同步控制.兩臺(tái)機(jī)械手控制器給相應(yīng)動(dòng)作比例閥同樣的PWM控制信號(hào)，兩個(gè)比例閥對(duì)應(yīng)的執(zhí)行元件根據(jù)比例閥輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出的位移(液壓缸)或轉(zhuǎn)角(液壓馬達(dá))，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定信號(hào)的跟蹤，從而改變對(duì)應(yīng)機(jī)械手的位移.傳感器實(shí)時(shí)采集機(jī)械手1和2的輸出位移，機(jī)械手1控制器通過CAN總線將自身的位移信息發(fā)送到機(jī)械手2上的同步PID控制器，同步PID控制器將機(jī)械手1和2的輸出位移轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)執(zhí)行元件的位移(液壓缸)或轉(zhuǎn)角(液壓馬達(dá)).當(dāng)兩個(gè)執(zhí)行元件的位移(液壓缸)或轉(zhuǎn)角(液壓馬達(dá))出現(xiàn)偏差時(shí)，PID控制器根據(jù)檢測到的位移差或轉(zhuǎn)角差來調(diào)整機(jī)械手2比例閥的控制信號(hào)，進(jìn)而減少兩臺(tái)機(jī)械手的輸出位移差，實(shí)現(xiàn)同步控制.其同步控制原理圖如圖4所示.現(xiàn)對(duì)管片拼裝機(jī)械手的比例閥控液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，并結(jié)合同步PID控制算法對(duì)管片拼裝機(jī)同步控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真.

圖4　同步控制原理圖

3.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

為了簡化分析，在建立系統(tǒng)模型時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做以下假設(shè)：①油液的黏度、密度和彈性模量不隨壓力和溫度的變化而變化；②忽略比例電磁閥開啟過程對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響；③兩個(gè)機(jī)械手之間僅考慮力的耦合作用，即將兩個(gè)機(jī)械手獨(dú)立開，每個(gè)機(jī)械手的負(fù)載為管片質(zhì)量的一半，兩個(gè)機(jī)械手之間的作用力視為干擾力.

由于兩臺(tái)機(jī)械手采用相同的液壓系統(tǒng)且相互獨(dú)立，所以只對(duì)一臺(tái)機(jī)械手的比例閥控液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，另一臺(tái)機(jī)械手采用相同的數(shù)學(xué)模型.假定比例閥工作在線性特性區(qū)段，則比例閥輸出流量可近似表示為

(1)

式中：qs為比例閥的流量；Kq為比例閥的流量增益；I為比例閥電磁鐵輸入控制電流.

由于同步立柱升降采用液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，同步拼裝頭移動(dòng)采用液壓油缸作為執(zhí)行元件，現(xiàn)分別建立閥控液壓馬達(dá)和閥控液壓缸的數(shù)學(xué)模型.液壓馬達(dá)流量連續(xù)性方程為[15]

(2)

式中：qL為液壓馬達(dá)輸入流量；pL為液壓馬達(dá)負(fù)載壓力；Ctm為液壓馬達(dá)總泄露系數(shù)；Vt為液壓馬達(dá)兩腔總?cè)莘e；βe為油液體積彈性模量；Dm為液壓馬達(dá)理論排量；θm為液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)角，t為時(shí)間.

液壓油缸流量連續(xù)性方程為[16]

(3)

式中：qB為液壓油缸輸入流量；pB為液壓油缸負(fù)載壓力；Ctp為液壓油缸總泄露系數(shù)；Ve為液壓缸兩腔總?cè)莘e；由于采用雙活塞桿液壓油缸，Ap為液壓缸作用面積；y為液壓油缸輸出位移.

液壓馬達(dá)動(dòng)態(tài)力矩平衡方程為

(4)

式中：Jt為折算到液壓馬達(dá)軸上的負(fù)載慣量；θm為液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)角；Bm為液壓馬達(dá)內(nèi)部黏性阻尼系數(shù)；TL為負(fù)載干擾力矩；PL1為液壓馬達(dá)輸入壓力；PL2為液壓馬達(dá)輸出壓力.

液壓油缸力平衡方程為

(5)

式中：m為負(fù)載的質(zhì)量；y為液壓油缸輸出位移；Bp為液壓缸黏性阻尼系數(shù)；FL為負(fù)載干擾力；PB1為液壓油缸輸入壓力；PB2為液壓油缸輸出壓力.

聯(lián)立式(1)、式(2)和式(4)進(jìn)行拉式變換，并忽略油的黏性阻尼得到閥控液壓馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型為

(6)

聯(lián)立式(1)、式(3)和式(5)進(jìn)行拉式變換，并忽略油的黏性阻尼得到閥控液壓油缸的數(shù)學(xué)模型為

(7)

3.2同步PID控制

在液壓比例控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制，其具有穩(wěn)定性好、控制精度高等特點(diǎn).PID控制器由3個(gè)校正環(huán)節(jié)構(gòu)成：比例環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生偏差即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；積分環(huán)節(jié)，用于消除靜差，提高系統(tǒng)無差度；微分環(huán)節(jié)：加快系統(tǒng)動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間.矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)同步動(dòng)作控制是通過增量式PID控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的.增量式PID具有計(jì)算量小，易于PLC實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，所有參數(shù)的調(diào)整僅與最近3次采樣有關(guān)，因此輸出波動(dòng)小，更加適用于液壓系統(tǒng)控制.

PID控制器的輸入為兩臺(tái)機(jī)械手液壓執(zhí)行元件的位移差或轉(zhuǎn)角差e(k)，PID控制器的輸出為比例閥PWM控制信號(hào)的調(diào)整量u(k).PID控制器的輸出表示為

(8)

式中：u(k)和u(k-1)分別為第k次和k-1次采樣時(shí)同步控制器的輸出；Kp，Ki，Kd分別為比例因子，積分因子和微分因子；e(k)，e(k-1)和e(k-2)分別為第k次，k-1次和k-2次采樣時(shí)2個(gè)液壓執(zhí)行元件的位移差或轉(zhuǎn)角差，即為PID控制器的輸入，Δu(k)為PID同步控制器第k次輸出量增量.

3.3仿真分析

為了驗(yàn)證矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)同步PID算法的控制效果，根據(jù)圖4所示的同步控制原理，并結(jié)合式(6)和式(7)得到的閥控液壓馬達(dá)和液壓油缸數(shù)學(xué)模型以及設(shè)計(jì)的同步PID控制器，在Simulink中對(duì)管片拼裝機(jī)同步控制系統(tǒng)進(jìn)行建模.在外負(fù)載不同的情況下，分別對(duì)同步立柱升降PID控制與同步拼裝頭移動(dòng)PID控制的控制效果進(jìn)行仿真.仿真參數(shù)如表1所示，其中油液體積彈性模量βe由文獻(xiàn)[17]所得，其余參數(shù)根據(jù)矩形盾構(gòu)拼裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)所得.

表1同步控制系統(tǒng)模型仿真參數(shù)

Tab.1The simulation parameters of sychronous control system model

閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值閥控液壓油缸系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值Kq/L·(min·A)-122.167Kq/L·(min·A)-111.083Ctm/L·(min·MPa)-10.2052Ctp/L·(min·MPa)-10.2052Jt/kg·m20.0039m/kg3000Dm/cm3·rad-13.66Ap/m20.00186Vt/m38.05×10-5Ve/m30.00093βe/MPa500βe/MPa500ωh/s-1153ωh/s-150ξ0.145ξ0.0738

給兩機(jī)械手系統(tǒng)一個(gè)相同的輸入信號(hào)，機(jī)械手1立柱升降馬達(dá)外負(fù)載干擾力矩為10 N·m，機(jī)械手2立柱升降馬達(dá)外負(fù)載干擾力矩為110 N·m，機(jī)械手1拼裝頭移動(dòng)油缸外負(fù)載干擾力為1 000 N，機(jī)械手2拼裝頭移動(dòng)油缸外負(fù)載干擾力為9 000 N，管片拼裝機(jī)同步控制系統(tǒng)仿真模型如圖5所示，圖中傳遞函數(shù)den(s)為式(6)與式(7)，同步立柱升降仿真時(shí)間為25 s，同步拼裝頭移動(dòng)仿真時(shí)間為40 s，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示.6a左圖為同步立柱升降總位移曲線，6a右圖為同步立柱升降前5 s的位移曲線，圖6b為位移差仿真曲線.橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)分別為立柱位移和位移差.7a左圖為同步拼裝頭移動(dòng)總位移曲線，7a右圖為同步拼裝頭移動(dòng)前5 s的位移曲線，圖7b為位移差仿真曲線.橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)分別為拼裝頭位移和位移差.通過仿真，可以發(fā)現(xiàn)：PID控制的立柱同步升降誤差最大為2.7 mm，拼裝頭同步平移誤差最大為1.1 mm，最大誤差出現(xiàn)在同步動(dòng)作起步階段，且誤差隨時(shí)間逐漸減小并最終趨向于0.仿真結(jié)果表明，采用同步PID算法可以將同步誤差控制在10 mm以下，滿足矩形盾構(gòu)管片同步拼裝的要求.

4實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)同步控制系統(tǒng)的實(shí)際控制性能，對(duì)矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)進(jìn)行了同步立柱升降和同步拼裝頭移動(dòng)實(shí)驗(yàn)，如圖8所示.管片沿徑向的立柱同步升降由2個(gè)機(jī)械手液壓馬達(dá)共同完成，管片沿軸向的拼裝頭同步移動(dòng)由2個(gè)機(jī)械手拼裝頭油缸共同完成.2個(gè)機(jī)械手的液壓控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，兩者之間通過CAN總線進(jìn)行通訊，通過傳感器測量立柱升降行程和拼裝頭移動(dòng)行程.另外液壓系統(tǒng)中多處裝有壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測管片運(yùn)動(dòng)過程中的壓力參數(shù).

圖5　同步控制系統(tǒng)仿真模型

a

a

實(shí)驗(yàn)拱頂塊和拱底塊的質(zhì)量為12 t，立柱升降總行程為2 400 mm，單個(gè)機(jī)械手最大提升重量為9 t.每個(gè)液壓馬達(dá)最大流量為15 L·min-1，采用4個(gè)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)最大總流量為60 L·min-1，選用的比例換向閥最大流量為80 L·min-1.拼裝頭移動(dòng)總行程為500 mm，單個(gè)拼裝頭最大平移力為18 000 N.每個(gè)液壓油缸最大流量為8 L·min-1，采用2個(gè)液壓油缸，液壓油缸最大總流量為16 L·min-1，選用的比例換向閥最大流量為20 L·min-1.立柱升降和拼裝頭平移的傳感器檢測精度為1 mm，采樣周期為100 ms.圖9a和圖9b分別為PID控制的兩臺(tái)機(jī)械手同步立柱位移和位移差實(shí)驗(yàn)曲線.圖10a和圖10b分別為PID控制的兩臺(tái)機(jī)械手同步拼裝頭移動(dòng)位移和位移差實(shí)驗(yàn)曲線.

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b

對(duì)比圖9a和圖10a兩臺(tái)機(jī)械手立柱位移和拼裝頭位移實(shí)驗(yàn)曲線，可知：在起步階段機(jī)械手2都處于滯后狀態(tài)，兩機(jī)械手的位移差較大.但是由于同步PID算法的控制，位移差隨著運(yùn)動(dòng)的過程逐漸減小，兩臺(tái)機(jī)械手的位移趨近于相同，可見同步PID算法具有較好的控制性能.

對(duì)比圖9b和圖10b兩臺(tái)機(jī)械手立柱位移差和拼裝頭位移差實(shí)驗(yàn)曲線，可知：兩臺(tái)機(jī)械手最大位移差出現(xiàn)在起步階段，兩機(jī)械手最大立柱位移差為8 mm，最大拼裝頭移動(dòng)位移差為5 mm.且同步PID控制的兩機(jī)械手位移差隨著運(yùn)動(dòng)的過程逐漸減小，立柱同步位移差被控制在±3 mm之間，拼裝頭同步位移差被控制在不超過±1 mm，可見實(shí)際拼裝過程中，采用同步PID算法可以將同步誤差控制在10 mm以下，滿足矩形盾構(gòu)管片同步拼裝的要求.

a

b

a

b

5結(jié)論

(1) 針對(duì)矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)同步拼裝拱頂塊和拱底塊的要求，提出了基于CAN總線的管片拼裝同步控制系統(tǒng).

(2) 分析了矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)同步控制系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成，控制系統(tǒng)采用了有線與無線結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了拼裝機(jī)的遠(yuǎn)距離控制與監(jiān)測，提高了操作人員的方便性與管片拼裝的工作效率，實(shí)現(xiàn)了矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)高效的工程應(yīng)用.

(3) 為了將同步誤差控制在10 mm以下，采取同步PID算法對(duì)兩臺(tái)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行控制，建立了管片拼裝機(jī)同步控制系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真.從仿真結(jié)果看，同步PID算法具有較高的同步控制精度，滿足同步拼裝的誤差要求.

(4) 從矩形盾構(gòu)管片同步拼裝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，采用同步PID控制算法后，立柱同步位移差被控制在±3 mm之間，拼裝頭同步位移差被控制在不超過±1 mm，控制性能好，且穩(wěn)定性高.

參考文獻(xiàn):

[1]孫志超. 盾構(gòu)機(jī)管片拼裝機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)研究[D]. 南京：南京理工大學(xué), 2013.

SUN Zhichao. Research on the structural design and control system of TBM segment erector[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2013.

[2]羅鑫. 矩形盾構(gòu)隧道管片拼裝方法的研究[J]. 建筑施工, 2014, 36(2):199.

LUO Xin. Study on assembly method for rectangular tunnel segments[J]. Building Construction, 2014, 36(2):199.

[3]Yukinori Koyama. Present status and technology of shield tunneling method in Japan[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2003, 18(2): 145.

[4]Hiroshi Nakamura, Toshikazu Kubota, Mamoru Furukawa,etal. Unified construction of running track tunnel and crossover tunnel for subway by rectangular shape double track cross-section shield machine[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2003, 18(2): 253.

[5]Kazunari Kawai, Takashi Minami. Development of rectangular shield[J/OL]. Komatsu Technical Report, 2001, 47(148) :46-54[2015-06-28] http:∥www.komatsu.com/CompanyInfo/profile/report/pdf/148-08_E.pdf.

[6]顧旭瑩. 大型矩形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 上海建設(shè)科技, 2014(1):8.

GU Xuying. The design of the segment erector for large-scale rectangular shield[J]. Building Construction, 2014(1):8.

[7]彭雄斌,龔國芳,陳饋,等.管片拼裝機(jī)提升缸模糊PID同步控制[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版, 2014, 18(11):2002.

PENG Xiongbin, GONG Guofang, CHEN Kui,etal. Synchronization fuzzy PID control of lifting hydraulic cylinders for segment erector[J]. Journal of Zhejiang University:Engineering Science, 2014,18(11):2002.

[8]Bibhuti Bhusan Ghosh, Bikash Kumar Sarkar, Rana Saha. Realtime performance analysis of different combinations of fuzzy PID and bias controllers for a two degree of freedom electrohydraulic parallel manipulator[J]. Robotics and Computer-integrated Manufacturing, 2015(34): 62.

[9]丁書福. 盾構(gòu)管片拼裝機(jī)電液控制系統(tǒng)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2005.

DING Shufu. The research of the electro-hydraulic system of the shield’s erector[D]. Hangzhou:Zhejiang University, 2005.

[10]何平. 基于CAN總線盾構(gòu)控制系統(tǒng)的研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué), 2007.

HE Ping. Research on the control system of shield based on CAN bus[D]. Shanghai:Tongji University, 2007.

[11]錢曉剛. 盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備中的管片拼裝機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[D]. 上海：上海交通大學(xué), 2008.

QIAN Xiaogang. Design method of segment erector mechanism for shield machine[D]. Shanghai:Shanghai Jiaotong University, 2008.

[12]趙斌. 基于電液比例技術(shù)的液壓同步控制系統(tǒng)研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué), 2007.

ZHAO Bin. The research of hydraulic synchronization control system based on electro-hydraulic proportional technology[D]. Kunming:Kunming University of Science and Technology, 2007.

[13]LI Ke, CHEN Jian, XIAO Ziyuan,etal. An electrohydraulic system for synchronized roof erection[J]. Automation in Construction, 2003, 12(1): 29.

[14]YANG Huayong, SHI Hu, GONG Guofang,etal. Electro-hydraulic proportional control of thrust system for shield tunneling machine[J]. Automation in Construction, 2009, 18(7): 950.

[15]張吉瑞. 液壓伺服運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)馬達(dá)控制系統(tǒng)研究[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué), 2013.

ZHANG Jirui. The research of the motor control system of hydraulic servo motion control experiment platform[D]. Shenyang :Shenyang University of Technology, 2013.

[16]王秋敏. 伺服閥控非對(duì)稱液壓缸同步控制系統(tǒng)仿真研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué), 2005.

WANG Qiumin. Simulation research on servo-value in synchronization control of asymmetrical hydraulic cylinder[D]. Ji’nan:Shandong University, 2005.

[17]WANG Jing, GONG Guofang, YANG Huayong. Control of bulk modulus of oil in hydraulic systems[C]∥2008 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Xi’an:IEEE, 2008:1390-1395.

Design of Synchronous Control System of Segment Erector for Rectangular Shield

BIAN Yongming1, FANG Xiaojun1, YANG Meng1, JIN Xiaolin2

(1. College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Shanghai TXMEC Technology Co. Ltd., Shanghai 200949, China)

Abstract：The synchronous control system based on CAN (Controller Area Network) bus was designed and the synchronous PID (Proportion Integral Derivative) algorithm was proposed to control the synchronization error in synchronous assembly for rectangular shield segment erector when it constructed the top block and the bottom block. The working principle of the synchronous control system was described as well as system’s network structure. The model of the synchronous control system was established to simulate synchronous lifting and lowering of the block in the vertical direction and its synchronous moving in the axial direction. Then the PID control performances of these two actions were analyzed by simulation and verified by the synchronization assembly experiments. Experimental results show that PID-controlled synchronization error is lowered. The synchronization error of synchronous lifting and lowering is between ±3 mm and the synchronization error of the axial move is no more than ±1 mm, which shows the effectiveness and achievability of synchronous PID control in the rectangular shield segment assembly process.

Key words：segment erector for rectangular shield; synchronous control system; Controller Area Network(CAN) bus; Proportion Integral Derivative(PID) algorithm

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TP23

通訊作者：方曉駿(1990-)，男，博士生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化技術(shù)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等.E-mail：xiaojun320@aliyun.com

基金項(xiàng)目：上海市引進(jìn)技術(shù)的吸收與創(chuàng)新項(xiàng)目(14XI-2-12)

收稿日期：2015—03—11

第一作者： 卞永明(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化技術(shù)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制理論、大型工程裝備及新工藝等.E-mail：ymbianmail@163.com