盾構推進液壓系統(tǒng)的開環(huán)與閉環(huán)仿真控制

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1、學兔兔www.xuetutu.com第5期(總第186期)機械工程與自動化No．52014年10月MECHANICALENGINEERING&AUT0MAT10N0ct．文章編號：1672-6413(2014)05-0009-02盾構推進液壓系統(tǒng)的開環(huán)與閉環(huán)仿真控制素徐尤南，鄧文強(華東交通大學機電工程學院，江西南昌330013)擒耍；對盾構推進系統(tǒng)的液壓缸采用分區(qū)控制，以達到降低系統(tǒng)復雜程度、保證控制精度的目的。用液壓仿真軟件AMESim對推進液壓系統(tǒng)進行仿真模擬分析，采用開環(huán)與閉環(huán)兩種方式。仿真結果表明，壓力流量閉環(huán)控制較開環(huán)控制可以有效減少壓力和流量的波動，實時控制推進壓力和推進

2、速度，控制效果較好。關鍵詞：盾構推進系統(tǒng)；開環(huán)；閉環(huán)；仿真；液壓系統(tǒng)中圖分類號：TU621ITP391．9文獻標識碼：AO引言度越高，分區(qū)性能就越好，同時為了方便對盾構機的駕盾構機是一種專門用于開挖地下隧道工程的大駛和操作，往往把盾構機推進系統(tǒng)劃分為4個分區(qū)[5]，型、復雜施工裝備，具有開挖速度快、工程質(zhì)量高、施工也就是說把盾構推進液壓缸分為4組。左、右兩分區(qū)安全性好、經(jīng)濟效益高、有利于環(huán)境保護和降低勞動強由于受力大體一樣，故分配的推進油缸數(shù)目相同，布置度等優(yōu)點[1]。在整個盾構系統(tǒng)中，推進系統(tǒng)是其關鍵方式相同；下分區(qū)由于盾構機本身自重及摩擦力大的系統(tǒng)，承擔整個盾構機的頂進任務，保證盾

3、構按照我們緣故，推進油缸數(shù)目比上分區(qū)多。假設有16個液壓設計的路線進行施工掘進[2]。而推進液壓系統(tǒng)作為推缸，合理分區(qū)是：左D、右B兩區(qū)油缸數(shù)目各為4個，上進系統(tǒng)的核心系統(tǒng)，其協(xié)調(diào)動作可以使盾構在行進中區(qū)A油缸數(shù)目為3個，下區(qū)C油缸數(shù)目為5個，如圖2轉(zhuǎn)彎、曲線行進、姿態(tài)控制、糾偏等。因此，適時無級協(xié)所示。調(diào)控制推進速度和推進壓力，能夠有效減少地表變形、控制地表沉降、避免不必要的超挖與欠挖，使隧道設計軸線偏差控制在允許范圍內(nèi)[3]。目前，國內(nèi)盾構推進液壓系統(tǒng)的控制技術一直處于研究與發(fā)展中，由之前的電液伺服控制發(fā)展到現(xiàn)在的電液比例控制，已設計出壓力流量復合控制的推進液壓系統(tǒng)，可以協(xié)調(diào)控制推

4、進速度與推進壓力，使推進液壓缸圖1推進機構受力及力矩簡圈保持合適的姿態(tài)讓盾構沿著設計軸線向前推進[4]。1盾構推進系統(tǒng)液壓缸的分區(qū)控制推進系統(tǒng)由若干推進液壓缸環(huán)向均勻分布在中盾圓周上，若是單獨對每個液壓缸進行控制，同時又保障所有推進液壓缸的準確同步性和合理協(xié)調(diào)性，必然加5大操作難度，系統(tǒng)顯得更繁瑣，并且會加大成本。因此，推進系統(tǒng)液壓缸的分區(qū)設計合理性顯得尤為重要。盾構機在土層掘進過程中，主要是受到了開挖面的水土抵抗力、盾構機與土層的摩擦力、尾盾和管片的摩擦阻力及其盾構自身重力等，其推進機構的受力與圖216個推進油缸分組示意圈力矩簡圖如圖1所示。2盾構推進液壓系統(tǒng)開環(huán)與閉環(huán)控制仿真對比推

5、進系統(tǒng)油缸分區(qū)布局與推進載荷分布的匹配程2．1盾構推進液壓系統(tǒng)開環(huán)控制仿真-i．國家自然科學基金資助項目(51175174)收稿日期：2013—12—23；修回日期：2014—04—10作者簡介：徐尤南(1965一)，男，江西瑞昌人，教授，博士，主要研究方向：并聯(lián)機構及機器人學。學兔兔www.xuetutu.com·1O·機械工程與自動化2014年第5期不考慮各分組之間的關系，只是對單分組系統(tǒng)進制效果不是很理想。行仿真模擬，利用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)開環(huán)控2．2盾構推進液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制仿真制仿真模型，如圖3所示。為實現(xiàn)推進液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制，需要常規(guī)PID控制器，將控制推進液壓缸的

6、壓力和速度信號分別反饋到比例溢流閥和比例調(diào)速閥，實現(xiàn)對推進壓力和流量的調(diào)整，降低速度和壓力波動，保證液壓缸正常推進時所需的流量和壓力。同樣不考慮各分組之間的關系，只是對單分組系統(tǒng)進行仿真模擬，利用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制仿真模型，如圖6所示。圖3開環(huán)控制的AMESim仿翼模型在進行AMESim液壓系統(tǒng)仿真之前，先設定各元件的固定特性參數(shù)，之后根據(jù)工況仿真條件設定系統(tǒng)的具體參數(shù)。本系統(tǒng)中，設定負載力為350kN，黏性阻尼系數(shù)為1000kN／(m／s)，推進速度前5S為0．5mm／s，后5S為1mm／s，采樣時間0．1s，仿真時間為10s。仿真得到液壓缸速度曲線見圖4。圖6閉環(huán)

7、控制的AMESim仿真模型在進行AMESim液壓系統(tǒng)仿真前，先設定各元件的固定特性參數(shù)，系統(tǒng)的具體參數(shù)與開環(huán)控制參數(shù)相同。圖7為閉環(huán)控制的推進速度仿真曲線，圖8為閉環(huán)控制的推進壓力仿真曲線。1．1·{時同／s·0．flI圖4開環(huán)控制推進速度仿真曲線0．J由圖4可知，開環(huán)控制時，推進速度開始有所振0．J0．蕩，其最大超調(diào)速度達到0．8mm／s，大概1S后推進f速度穩(wěn)定在設置的0．5mm／s，在1s～5s之間，速度O2468lO時間／s保持不變前進