模拟盾构推进液压系统控制算法的研究

　　1　前言

　　盾构掘进机是一种隧道工程专用的大型高科技综合施工设备。它集电气、液压、测量导向、控制、材料等多学科技术于一体,具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。采用盾构掘进机施工速度快,自动化程度高,一次成型,有利于环境保护和降低劳动强度。而且盾构掘进机适用范围广,从软土、淤泥到硬岩都可应用,施工质量高,可控制地面沉降,开挖时不影响面上建筑和交通,与传统的隧道工程相比,具有明显的优势[1]。

　　作为盾构掘进机的一个关键部分,推进液压系统的协调动作可以使盾构掘进机保持合适的姿态。因此,对推进液压系统的正确控制是盾构掘进机能够沿着设计路线方向准确向前推进的关键所在[2]。本文主要讨论不同控制算法在盾构掘进机推进液压系统中的应用和分析。

　　2　模拟盾构推进液压系统简介

　　图1是模拟盾构掘进机推进液压系统主要部分的工作原理简图。

　　盾构推进过程中,由于土层土质条件的复杂性和施工过程中诸多不可预见因素的作用,以及为了保证隧道轴线与设计曲线的一致性和严格控制推进过程中地表的沉降,需要通过调节推进液压缸的推进速度和推进压力使开挖面达保持稳定。为此,需要对推进液压缸进行力和位置的复合比例控制。即:根据推进液压缸内置式的位移传感器以及压力传感器实时检测推进压力及位移,采用节流控制方式,来调节比例溢流阀和比例调速阀,以调整模拟盾构掘进机的推进速度和推进压力,从而提高系统的控制精度和动态响应。

　　3　推进系统的控制策略

　　作为一个复杂的非线性时变系统,模拟盾构推进液压系统受到大量不确定环境因素的影响,这些不确定性可能会造成模型参数变化甚至模型结构突变,使得传统PID控制策略的控制特性受到一定的影响,无法保证系统继续良好地工作,使用改良的PID控制算法可以较好地改变这一情况。

　　3.1　模糊PID复合控制

　　模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制,它通过把专家经验和要求总结成若干规则,采用简便、快速、灵活的手段,来完成那些用经典和现代控制手段难以实现的自动化和智能化的目标[3]。

　　由于传统单纯的PID控制效果不甚理想,因此将PID控制和模糊控制结合起来形成模糊PID复合控制以其达到改善系统的控制效果,其控制框图如图2所示。控制器中PID控制器的作用主要在于消除稳态误差,改善稳态性能;而基本模糊控制器的作用主要在于提高响应的快速性,获得优良的动态特性和较好的鲁棒性。