淺談異形盾構(gòu)三刀盤(pán)同步控制方法

黃圣

（上海隧道工程機(jī)械制造分公司，上海 200137）

1 研究背景和目的

1.1 項(xiàng)目背景

在異型盾構(gòu)的制造技術(shù)中，異型斷面的切削組成形式有很多種選擇方案，通過(guò)土壓平衡型盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)程中對(duì)前方土體的擾動(dòng)影響分析中發(fā)現(xiàn)，全斷面切削可以使土體的擾動(dòng)達(dá)到最小，經(jīng)過(guò)全斷面異型盾構(gòu)設(shè)計(jì)可行性研究，及對(duì)多動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)大刀盤(pán)扭矩平衡控制系統(tǒng)的掌握，提出了以3 個(gè)圓形大刀盤(pán)在一工作面上進(jìn)行大斷面切削的刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)模式。同一平面上的左中右3 個(gè)大刀盤(pán)的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡有部分重疊，如圖1。

圖1 三刀盤(pán)結(jié)構(gòu)

由于切削面在同一個(gè)平面上，如果控制不當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生左中，中右刀盤(pán)互相干涉的情況，造成刀盤(pán)損壞，這對(duì)工程的正常施工和設(shè)備的維護(hù)會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的影響，故需要研究一種具有高可靠性的控制方法，避免同一平面上3 個(gè)刀盤(pán)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的互相干涉，從而使3 個(gè)刀盤(pán)能在異型斷面內(nèi)進(jìn)行全斷面的連續(xù)的切削。

1.2 原有多刀盤(pán)控制技術(shù)

在市場(chǎng)上，三圓盾構(gòu)本身比較少見(jiàn)，而且一般異性多刀盤(pán)盾構(gòu)機(jī)一般的切削面會(huì)選擇設(shè)計(jì)在不同平面上，很難找到可以參考的產(chǎn)品。多刀盤(pán)的角度差控制一般根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)形式，在雙圓盾構(gòu)中運(yùn)用的比較廣泛，其代表產(chǎn)品有日本三菱重工和石川島播磨，于2004 年在國(guó)內(nèi)應(yīng)用于上海軌道交通的區(qū)間隧道施工中,其對(duì)多刀盤(pán)同步角度差的控制比較簡(jiǎn)單，是根據(jù)角度差控制的邊界條件來(lái)進(jìn)行刀盤(pán)運(yùn)行的強(qiáng)制停止，而在上海隧道的類(lèi)矩形盾構(gòu)機(jī)的中運(yùn)用的同步控制方式，可以動(dòng)態(tài)的控制兩個(gè)刀盤(pán)的角度差，在控制性能上有著顯著的提升。

1.3 研究目的

通過(guò)對(duì)原有的雙刀盤(pán)同步控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，依據(jù)目前多刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工要求，為了增加施工的連續(xù)性和可靠性，需要研究一種在掘進(jìn)過(guò)程中能動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)的對(duì)角度偏差進(jìn)行同步控制的三刀盤(pán)同步方法。

2 同步控制系統(tǒng)模型

2.1 刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)方式選擇

一般刀盤(pán)的驅(qū)動(dòng)形式有著油馬達(dá)，雙速電機(jī)加離合器和變頻器兩種驅(qū)動(dòng)形式，油馬達(dá)形式的大刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)有著負(fù)載平衡響應(yīng)快的特點(diǎn)，但其調(diào)速性能比較差。雙速電機(jī)加離合器的驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法對(duì)刀盤(pán)速度進(jìn)行微調(diào)。變頻驅(qū)動(dòng)的方式既能通過(guò)對(duì)刀盤(pán)電機(jī)的機(jī)械特性軟硬度的調(diào)整達(dá)到負(fù)載均衡的目的，又可以通過(guò)頻率的調(diào)整對(duì)多刀盤(pán)的速度控制進(jìn)行微調(diào)。故選擇使用變頻驅(qū)動(dòng)方式作為大刀盤(pán)的動(dòng)力源。

相對(duì)于其他兩種驅(qū)動(dòng)方式，變頻驅(qū)動(dòng)可以通過(guò)軟件方式對(duì)3 個(gè)刀盤(pán)分別進(jìn)行分段的加、減速控制。并能在緊急狀態(tài)下通過(guò)剎車(chē)電阻實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)功能，來(lái)保證刀盤(pán)啟動(dòng)和停止過(guò)程的安全性。同時(shí)在3 個(gè)刀盤(pán)運(yùn)行過(guò)程中可以通過(guò)快速的偏差響應(yīng)，對(duì)運(yùn)行中產(chǎn)生的角度偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.2 控制模型

三刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)同步修正,不同于雙刀盤(pán)的同步修正，因?yàn)榇孀笾?，中右兩種可能干涉的刀盤(pán)關(guān)系，如果作為整體系統(tǒng)進(jìn)行考慮，那就有三個(gè)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速三個(gè)控制變量及兩個(gè)角度差兩個(gè)控制目標(biāo)，控制模型會(huì)非常復(fù)雜。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，講中間的刀盤(pán)從控制系統(tǒng)中剔除，其作為開(kāi)環(huán)控制，根據(jù)設(shè)定頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而其他左右兩個(gè)刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速通過(guò)于主刀盤(pán)角度的差值計(jì)算進(jìn)行閉環(huán)控制，這樣就把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分解為簡(jiǎn)單的左中，中右兩個(gè)只有一個(gè)控制量和一個(gè)控制目標(biāo)的控制模型。顯然這樣的控制模型更好在系統(tǒng)內(nèi)搭建及運(yùn)行。

圖2 刀盤(pán)角度控制系統(tǒng)圖

在3 個(gè)圓形大刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置的中心位置安裝刀盤(pán)位置、速度檢測(cè)裝置，就可以實(shí)時(shí)測(cè)定三個(gè)刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速和角度。采用在變頻器中設(shè)定的加速時(shí)間和分段加速的方式，保證刀盤(pán)啟動(dòng)期間運(yùn)轉(zhuǎn)的安全。在三個(gè)刀盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，通過(guò)專(zhuān)用控制算法和手段，實(shí)時(shí)計(jì)算三刀盤(pán)角度差后通過(guò)防干涉的算法來(lái)及時(shí)調(diào)整刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，從而保證刀盤(pán)不發(fā)生相互干涉，并確保刀盤(pán)扭矩的同步，如圖2 所示。

在刀盤(pán)停止期間，通過(guò)可控的制動(dòng)方式及刀盤(pán)角度的實(shí)時(shí)反饋來(lái)控制刀盤(pán)快速停止在預(yù)定的位置上，并且保證了兩刀盤(pán)之間安全的角度差，如圖3 所示。

圖3 雙刀盤(pán)停止控制系統(tǒng)圖

2.3 控制方式選擇

多刀盤(pán)的同步控制從控制形式上看是一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其控制的刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速這一向量及多刀盤(pán)之間的角度差；由于其運(yùn)動(dòng)空間受限，為多個(gè)重疊的刀盤(pán)切削面，并且其速度方向的限制，只是旋轉(zhuǎn)速度。故并不需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的一些計(jì)算，可以簡(jiǎn)化為一種過(guò)程控制來(lái)進(jìn)行分析。

選擇工程上經(jīng)常使用的PID 控制器，主要原因有兩點(diǎn)，首先是PID 控制是一種非常成熟的控制方式，其次現(xiàn)有的主流可編程序控制器都帶有PID 控制模塊，可以使整個(gè)控制流程都集成在系統(tǒng)本身的硬件中，不需要再經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行運(yùn)算處理。

在PID 控制算法中，其輸入e(t）與輸出u(t）的關(guān)系為：

u(t)=kp[e(t)+1/TI ∫e(t)dt+TD×de(t)/dt]

式中積分的上下限分別是0 和t。

因此它的傳遞函數(shù)為：

G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI×s)+TD×s]

其中kp 為比例系數(shù)；TI 為積分時(shí)間常數(shù)；TD 為微分時(shí)間常數(shù)。其工作原理如圖4 所示。

圖中r 為設(shè)定值，y 為輸出值，e 為兩者之間的誤差，通過(guò)MatLab 仿真，可以得到一個(gè)經(jīng)典的PID 控制輸出的曲線，如圖5 所示。

圖5 是一個(gè)比例常數(shù)為2，積分常數(shù)為20，微分常數(shù)為1 的PID 控制系統(tǒng)，我們可以看到，在有小幅震蕩后系統(tǒng)很快自動(dòng)達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)定值。這符合對(duì)雙刀盤(pán)同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制要求。

圖4 PID 控制系統(tǒng)圖

圖5 Matlab PID 仿真

2.4 控制系統(tǒng)的組態(tài)

根據(jù)所確定的刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)型式、控制模型和控制方法，具有偏差同步控制的系統(tǒng)框圖如圖6 所示。

圖6 三刀盤(pán)控制系統(tǒng)組態(tài)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究，可以得到一個(gè)對(duì)于同一切削平面的三刀盤(pán)同步控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)在同一切削平面上相互干涉的三個(gè)刀盤(pán)進(jìn)行控制，達(dá)到保持系統(tǒng)平衡，避免干涉的效果。