盾構(gòu)推拼同步中比例閥閉環(huán)控制的PID設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 敏

(上海隧道工程有限公司，上海 200137)

1 推拼同步中比例閥比例泵精確控制的重要性

由于推拼同步系統(tǒng)的本質(zhì)是在部分千斤頂缺位的前提下對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行壓力控制，使盾構(gòu)千斤頂?shù)暮狭乇ＷC和姿態(tài)軸線相近，通過(guò)油缸內(nèi)置行程傳感器和數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)和狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷盾構(gòu)當(dāng)前所處姿態(tài)和設(shè)計(jì)軸線偏差，自動(dòng)控制各油缸輸出不同壓力，在拼裝時(shí)針對(duì)部分千斤頂縮回缺位的情況下，通過(guò)PLC算法計(jì)算出該分區(qū)目前壓力，并比較其他分區(qū)壓力和軸線偏差狀態(tài)，計(jì)算得出目前本分區(qū)所需壓力，通過(guò)對(duì)該分區(qū)其他油缸油壓提升補(bǔ)償來(lái)保證每個(gè)分區(qū)的壓力和姿態(tài)穩(wěn)定。在地下開(kāi)挖中會(huì)遇到各種的地層，如淤泥、黏土、砂層、硬巖等[1]。因此各部分受力也有差異，實(shí)際控制油壓有些許變化，須實(shí)時(shí)調(diào)整壓力。

推拼同步中需要精確控制比例閥的開(kāi)度，在算法程序設(shè)計(jì)上需要精準(zhǔn)反饋出當(dāng)前狀態(tài)，并且推送出精確的油壓值，從而確保在千斤頂缺位的情況下試驗(yàn)機(jī)姿態(tài)和速度的穩(wěn)定。而控制油壓和流量是通過(guò)控制比例閥的開(kāi)度來(lái)控制的。因此需要做到比例閥的精確控制，這對(duì)比例閥和閥控制模塊以及PLC的程序設(shè)計(jì)提出了考驗(yàn)。比例閥一般多用于開(kāi)環(huán)控制，用于閉環(huán)控制的不多見(jiàn)，特別是高質(zhì)量的系統(tǒng)更少見(jiàn)。由于比例閥本身的特性，如滯環(huán)、非線性等，使一般的系統(tǒng)難以達(dá)到較好的效果[2]。系統(tǒng)中若用可編程控制器控制，則可用軟件方法對(duì)其實(shí)施補(bǔ)償，這樣即可較好地解決非線性滯環(huán)等問(wèn)題[3]。因此，根據(jù)各千斤頂?shù)挠蛪簜鞲衅?，通過(guò)油壓計(jì)算出各區(qū)推力，再通過(guò)PID自動(dòng)控制，根據(jù)計(jì)算出的當(dāng)前該區(qū)所需推力以及傳感器油壓反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整比例閥開(kāi)度，使壓力控制在程序計(jì)算所需值，使系統(tǒng)形成精確的閉環(huán)控制[4-5]。

2 比例閥比例泵控制系統(tǒng)原理分析

本控制系統(tǒng)是以PLC控制系統(tǒng)為主體控制系統(tǒng)，通過(guò)可編程控制器編寫程序，觸摸屏程序設(shè)計(jì)達(dá)到人機(jī)交互的功能，反饋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和通過(guò)觸摸屏控制系統(tǒng)。在手動(dòng)控制中其程序要求如下：比例閥和比例泵的開(kāi)度設(shè)定可通過(guò)觸摸屏手動(dòng)調(diào)整設(shè)定，觸摸屏需顯示各推進(jìn)油缸油壓和推力及油缸行程，顯示盾構(gòu)姿態(tài)及設(shè)計(jì)軸線，方便調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。在需要推進(jìn)系統(tǒng)加載伸出時(shí)，將設(shè)定的比例泵比例閥的開(kāi)度百分比輸出給PLC的WAGO模擬量輸出模塊，輸出一個(gè)0～10 V的電壓輸入給Park模塊，Park模塊再依據(jù)輸入電壓大小，經(jīng)內(nèi)部程序運(yùn)算輸出一個(gè)1～1 300 mA的電流給比例閥控制線圈，不同大小的電流產(chǎn)生的磁力大小不同，使比例閥實(shí)現(xiàn)0～100%的開(kāi)度變化，最終實(shí)現(xiàn)泵的流量及壓力可控可調(diào)。再依據(jù)油缸的行程傳感器行程變化及油壓壓力傳感器油壓顯示計(jì)算出推進(jìn)速度及總推力和分區(qū)推力。比例閥控制原理如圖1所示。

圖1 比例閥控制原理

在同步推拼自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)依據(jù)程序編寫總頂推力與各油缸壓力的轉(zhuǎn)換控制邏輯。根據(jù)各推進(jìn)油缸的油壓及行程傳感器計(jì)算出各區(qū)的推進(jìn)速度及分各區(qū)推力，通過(guò)矢量運(yùn)算得出總推力軸線位置，將上述推進(jìn)速度及各分區(qū)推力作為目標(biāo)值輸入到控制器中，控制器通過(guò)PID計(jì)算，將目標(biāo)值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出給控制推進(jìn)油缸的流量和壓力比例閥的模塊，經(jīng)模塊轉(zhuǎn)換輸出給比例閥。流量比例閥將電信號(hào)響應(yīng)成閥的開(kāi)度對(duì)油缸進(jìn)行控制。安裝在推進(jìn)油缸內(nèi)部的行程傳感器和管路上的壓力傳感器將實(shí)際速度反饋到控制器內(nèi)，控制器通過(guò)對(duì)反饋速度和壓力與目標(biāo)值之間的比較再對(duì)輸出值進(jìn)行修正，達(dá)到精準(zhǔn)閉環(huán)控制。

3 自動(dòng)控制比例閥壓力的PID程序設(shè)計(jì)

推進(jìn)千斤頂?shù)膲毫Ρ壤y是基于PLC的PID功能，自動(dòng)控制比例閥的開(kāi)度以此來(lái)控制油壓，從而達(dá)到控制推力的一個(gè)閉環(huán)控制[6]。典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 PID閉環(huán)控制示意圖

圖2中，程序輸出計(jì)算如下：

(1)

式中，M(t)為程序輸出；p(t)為給定值；pv(t)為反饋值；e(t)為誤差信號(hào)，e(t)=p(t)-pv(t)；M0為系統(tǒng)初始輸出值；C(t)為系統(tǒng)輸出量；Kc為比例系數(shù)；Ti為積分比例常數(shù)；Td為微分比例常數(shù)。

當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)第N次輸出時(shí)，將式1離散化，第N次采樣時(shí)控制器輸出為

(2)

式中，en是第N次采樣時(shí)的誤差值；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)[7]。

本次PID控制算法如圖3所示，將程序運(yùn)算得出的所需壓力輸入PID與反饋壓力比較得出偏差值e(t)，再將偏差值輸入算法，輸出新的比例閥開(kāi)度值，經(jīng)由放大器輸出給壓力比例閥，再由油壓傳感器檢測(cè)油壓反饋給系統(tǒng)，如此循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖3 閉環(huán)控制算法原理圖

依據(jù)三菱Q系列編程手冊(cè)PID指令篇，在設(shè)計(jì)PID程序時(shí)應(yīng)考慮如下：在IO數(shù)據(jù)中應(yīng)考慮設(shè)置值(此處為程序計(jì)算出來(lái)的所需壓力值)SV、測(cè)定值(傳感器反饋油壓)PV、自動(dòng)操作值(輸出比例閥開(kāi)度)自動(dòng)MV、過(guò)濾后的測(cè)定值(程序?qū)V通過(guò)過(guò)濾系數(shù)α運(yùn)算)PVf、手動(dòng)操作值MVMAN、手動(dòng)/自動(dòng)選擇MAN/AUTO和報(bào)警ALARM[8]。

在PID程序運(yùn)行中應(yīng)考慮如下：設(shè)定使用及執(zhí)行的環(huán)路數(shù)(本程序有17組千斤頂，因此設(shè)置為17)，設(shè)定環(huán)路方向正向或者逆向方向(0或1)，設(shè)定采樣周期時(shí)間，設(shè)定比例常數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù)，設(shè)定過(guò)濾器系數(shù)，設(shè)定MV下限和上限值，設(shè)定MV和PV的變化率限定值，設(shè)定PID控制數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)地址，將這些按要求設(shè)置好后，PLC會(huì)自動(dòng)運(yùn)算得出MV輸出，每個(gè)周期都將重新比較PV和SV值，重新輸出一個(gè)新的MV值。

采樣周期為PID運(yùn)算的執(zhí)行周期，比例常數(shù)為PID運(yùn)算的比例增益，積分常數(shù)為表示積分動(dòng)作(I動(dòng)作)效果的大小。增大積分常數(shù)將會(huì)減慢操作值的變化。微分常數(shù)表示微分動(dòng)作效果大小(D動(dòng)作)，過(guò)濾器系數(shù)設(shè)定測(cè)定值的過(guò)濾度。MV下限和上限值為自動(dòng)模式下，PID運(yùn)算中的MV值設(shè)定下限和上限，當(dāng)計(jì)算值超過(guò)下限或上限時(shí)，輸出下限值或上限值用作MV。PV的變化率限定值上下限為將上一個(gè)周期的PV值和當(dāng)前周期PV值做比較，將其差值限制在上下限范圍內(nèi)，當(dāng)PV變化值超過(guò)或低于上下限時(shí)，程序輸出上一周期PV值加或減上限值或下限值輸出程序。下述以圖4所示簡(jiǎn)單流程圖講述編程PID的控制步驟。

4 各模塊的選型

在本次實(shí)驗(yàn)中，各系統(tǒng)模塊選型主要分為PIC選型和觸摸屏選型，以上為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的主題選型，此處不再贅述。PIC主站選用Q系列Q12HCPU，觸摸屏選用三菱MELSOFT GOT GT2715-XTBA型號(hào)的觸摸屏。對(duì)于比例閥控制系統(tǒng)，主要進(jìn)行PLC的DA模塊選用、信號(hào)放大器選用和壓力比例閥的選型。

關(guān)于比例閥控制部分的PLC，本文采用WAGO的PLC，帶有CC-link總線適配器的WAGO-I/O-SYSTEM在CC-link現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)上作為一個(gè)從站。WAGO的750-310的CC-LINK總線適配器和主站PLC通過(guò)CC-LINK協(xié)議通信，在主站PLC程序里設(shè)置好站號(hào)及對(duì)應(yīng)分配地址即可與其遠(yuǎn)程連接。WAGO通信模塊如圖5所示。

圖4 PID控制編程步驟

圖5 WAGO通信模塊

PLC的DA模塊對(duì)于壓力及流量開(kāi)度控制選用的是WAGO的750-562的模擬量輸出模塊，該模塊按照對(duì)應(yīng)順序插在750-310后面即可按前后順序自動(dòng)排列該模塊地址，模塊接入24 V電源，通過(guò)D-A轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)輸出0～10 V的電壓信號(hào)輸出給比例閥的放大器，用作控制信號(hào)。

對(duì)于比例閥和比例放大器選用Parker公司的模塊，比例放大器將PLC輸入的0～10 V電壓轉(zhuǎn)換為0～1 300 mA的電流輸出給比例閥，且Parker模塊還可調(diào)整對(duì)應(yīng)輸出電流，若想控制0～100%的壓力范圍，還可以通過(guò)模塊的編程軟件調(diào)整閥的線性和輸出電流的范圍，以此來(lái)控制比例閥的實(shí)際開(kāi)度范圍來(lái)控制輸出的油壓上限。在本系統(tǒng)中，為了保護(hù)管路及油缸長(zhǎng)期使用的磨損狀況，設(shè)定油壓最大值為340 bar，及輸出0～100%的壓力設(shè)定對(duì)應(yīng)開(kāi)度輸出油壓0～340 bar。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)PID控制使比例閥達(dá)到精確閉環(huán)控制效果，通過(guò)內(nèi)部算法在千斤頂部分缺位的狀況下輸出附近千斤頂壓力提升補(bǔ)償，而PID的實(shí)時(shí)控制使控制更精確更穩(wěn)定，保障盾構(gòu)同步推拼的穩(wěn)定進(jìn)行，是同步推拼的根基之一。

盾構(gòu)機(jī)推拼同步系統(tǒng)在比例閥控制中采用PID精確閉環(huán)控制，使程序計(jì)算壓力達(dá)到了有效執(zhí)行，保障實(shí)際推進(jìn)的穩(wěn)定，保障了控制軸線偏差范圍的有效性。傳統(tǒng)盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)分區(qū)油壓采用旋鈕或者手動(dòng)輸入油壓百分比進(jìn)行單獨(dú)控制，量值的大小完全取決于盾構(gòu)機(jī)駕駛員積累的操作經(jīng)驗(yàn)，相比于傳統(tǒng)靠手動(dòng)輸入比例閥開(kāi)度，自動(dòng)控制更智能化，更有效，在當(dāng)今社會(huì)有經(jīng)驗(yàn)的盾構(gòu)機(jī)駕駛員越來(lái)越缺少的情況下，智能化自動(dòng)控制油壓更能滿足現(xiàn)如今的控制需求。