盾构推进系统液压缸的同步协调控制

　　推进系统是盾构掘进机的重要组成部分,承担着整个盾构掘进机的推进任务.推进系统不仅能够实现推动盾构向前运动的功能,而且要完成盾构的曲线行进、纠偏以及姿态控制等相关复杂任务[1-3].盾构推进液压系统实行分组控制,液压缸的控制只是通过比较2个区间的液压缸的位移或速度来实时地调节偏移.由于传统的PID控制具有算法简单、可靠性高等优点而被广泛应用[4],推进系统通常用PID控制器来调整推进液压缸的同步状态.区内的液压缸采用压力同步的方法来协调控制,该种方法在负载变化不大的时候效果较好,但当负载变化剧烈的时候,压力同步控制不能保证推进系统的同步精度要求.在此基础上,本文根据区内液压缸采用压力同步控制方法,提出了区内流量协调控制的方法,并对这2种方法进行了仿真分析,比较了2种方法的控制性能,最后提出了压力、流量混合协调控制的思想.

　　1　盾构推进系统分析

　　盾构的推进系统主要由成组的液压缸圆周布置来组成,通常沿圆周方向分为4组.如图1所示,该图表示了16个液压缸分为4个区A,B,C,D后进行圆周布置,一般下面的C区液压缸的数目比上面A区液压缸的数目多,因下面所受的土体压力较大.液压缸分区控制既可以节约成本、降低控制复杂程度,又可以达到盾构姿态调整、纠偏的目的[5].在考虑推进系统的同步性或是推进系统直线推进的时候,我们只精确控制区内的1个液压缸,并同其他区内液压缸的位置比较后进行反馈控制来保持盾构推进系统的同步,而区内的其他液压缸不采用反馈控制,而是协调控制.当盾构偏转时,可以分别调节区间的液压缸的压力以产生不同的扭矩进行偏转.

　　图2为盾构推进系统单个液压缸工作原理图,以A区的1号缸和B区的3号缸为例来分析.由比例流量阀进入系统的流量为q0,比例溢流阀控制液压缸的推进压力为pL,比例溢流阀溢流的流量为q2.系统工作过程中,流量满足:q0=q2+qL.位移传感器实时检测推进缸1的位移,以推进缸3的状态为标准,采用主从式同步控制方式,同推进缸3的位移进行比较后进行误差分析,然后把误差输入控制器中进行控制.同时压力传感器实时检测推进压力,输入控制器进行分析,最后将信号进行比例放大,控制比例调速阀的比例电磁铁来控制流量从而对位移偏差进行补偿,减小位移偏差,增强推进系统的同步性,同时控制比例溢流阀来控制推进压力,实现比例压力、流量复合控制.

　　2　区间PID控制

　　PID控制在工业中是一种最普遍采用的控制方法.PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值与实际输出值构成控制偏差