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作者: 发布时间:2011-07-22 来源: 繁体版
摘要:给出了采用压力流量复合控制的盾构掘进机推进液压系统工作模型, 对其中的比例调速阀和比例溢流阀在AMESim环境下进行了模型构建, 并完成了阀基本参数的优化设计。采用一种简化的动态土体粘弹性模型模拟盾构实际
摘要:给出了采用压力流量复合控制的盾构掘进机推进液压系统工作模型, 对其中的比例调速阀和比例溢流阀在AMESim环境下进行了模型构建, 并完成了阀基本参数的优化设计。采用一种简化的动态土体粘弹性模型模拟盾构实际推进过程中的复杂负载工况。引入一种采用偏差修正参数的非线性PID控制器并在Matlab /Simulink环境下建模。为充分发挥各软件的优势, 通过AMESim与Simulink接口界面, 实现了液压控制系统的联合仿真。仿真结果表明, 与常规P ID控制相比, 非线性P ID对盾构推进液压系统的控制效果更佳。8mM自动化在线网
关键词: 盾构; 推进液压系统; AMESim; 联合仿真; 非线性PID8mM自动化在线网
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盾构掘进机是一种专用于隧道工程施工的现代化高科技掘进装备。与传统隧道施工方法相比, 盾构法具有安全、快速、环保、劳动强度低、施工质量高等诸多优点。随着科技发展和社会进步, 盾构隧道掘进将逐步取代传统隧道开挖方法, 在公路、铁路、地铁等各种地下设施建设工程中发挥重要作用。8mM自动化在线网
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推进系统承担着整个盾构掘进的核心任务。由于超大型负载工况的特殊要求, 推进系统采用液压方式驱动, 推进工作通常由沿盾构盾体周向分布的一定数量液压缸的协调顶伸动作来完成。推进系统的控制不仅直接关系到对隧道施工正确性和完整性(掘进轨迹与设计线路的一致性) 起决定作用的盾构掘进姿态控制, 而且对地下工程施工中一个最为关键的控制对象即地表变形也产生极大的影响。掘进施工土质地层及其水土压力的复杂多变性, 以及盾构前方存在的种种不可预见因素, 对推进系统的输出推力和速度提出了更高的控制要求。8mM自动化在线网
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鉴于盾构掘进机结构和工作过程的复杂性, 系统仿真为盾构掘进机推进液压系统性能试验和优化设计提供有力的依据, 是盾构掘进机设计中的一项重要任务。通过对各种控制方案的仿真研究, 可以进一步了解掘进过程中负载工况和各种掘进参数之间的相互关系。8mM自动化在线网
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本文在液压仿真软件AMESim环境下建立了采用溢流阀和调速阀分别控制推进力和速度的盾构推进液压系统仿真模型, 针对推进系统的特殊控制要求, 引入了一种依据偏差动态修改参数的非线性PID器[ 3 ] ,并在Matlab /Simulink 模块中组建了控制模型, 最后通过两个软件的接口实现联合仿真分析。8mM自动化在线网
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1 盾构推进液压系统8mM自动化在线网
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盾构推进动力传递和控制具有大功率和变负载等特点, 推进液压缸数量较多。为减少控制成本, 降低控制复杂性, 通常采用分组控制, 将一个圆周方向上分布的液压缸划分为若干组, 每组单独控制, 这样就能更好地满足盾构的曲线掘进、俯仰等控制任务。各组的控制方式是相同的, 都是通过调速阀控制每组供油流量, 溢流阀稳定每组工作压力。而在同一组内,除某一特定推进缸上装有位置和压力传感器以控制本组速度和压力之外, 所有并联液压缸在进口溢流阀的稳压作用下都具有相同的工作压力。典型的单组压力流量复合控制推进液压系统的工作原理如图1 所示。实际的完整盾构推进系统还包括换向阀、平衡阀、单向阀等辅助设备。

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图1 盾构推进系统工作原理图8mM自动化在线网

图中采用电比例控制变量泵供油实现负载传感节能控制, 比例调速阀调节进入系统的流量q3 , 比例溢流阀控制液压缸推进压力pL。系统工作过程中流量满足如下关系:8mM自动化在线网
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q3 = q4 + qL8mM自动化在线网
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其中q4 为溢流阀稳定工作时所需最小溢流流量,与工作压力有关。当盾构推进前方负载突变导致工作压力变化时, q4 随之发生改变, 而进入各组的总流量q3 在比例调速阀的稳流作用下保持不变, 则进入各液压缸的有效工作流量不能始终维持在预定值, 从而引起推进速度的不稳定。盾构推进时, 压力传感器实时检测推进压力, 位移传感器实时检测推进位移,将信号反馈给由工控机、PLC等控制器组成的控制单元, 经过适当处理之后, 与设定的工作参数相比较,构成压力速度闭环控制, 从而调整溢流阀和调速阀比例电磁铁的输入控制电信号, 最终实现推进力和速度的连续控制。8mM自动化在线网
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2推进系统建模8mM自动化在线网
AMESim (AdvancedModeling Environment for Simulation of Engineering Systems) 是一种基于键合图的液压/机械系统建模、仿真分析软件, 界面友好, 操作方便, 可以通过自带的各种模型库来设计系统, 从而可快速达到建模仿真的目标。AMESim专门为液压系统建立了一个标准仿真模型库, 以及满足不同设计需求的HCD ( Hydraulic Component Design ) 库。AMESim还提供了与Matlab的接口, 便于进行联合仿真, 这样使得AMESim突出的流体机械仿真效能与Matlab /Simulink强大的控制系统建模仿真能力得到完美结合, 从而使系统的仿真效果更加完善。8mM自动化在线网
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盾构推进系统工作模型可分为液压系统模型和控制系统模型两部分, 其中液压模型在AMESim环境下构造, 而控制模型部分则在Matlab /Simulink中完成。8mM自动化在线网
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2.1 比例阀模型

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图2 比例溢流阀结构原理图8mM自动化在线网

由于盾构推进系统采用电液比例控制技术完成控制任务,系统中的流量和压力控制阀均为比例阀。图2 和图3 分别为该系统中的比例溢流阀和比例调速阀结构原理图。通常阀的物理结构参数是未知的,所以建立系统模型之前, 先必须建立阀元件的模型。阀的物理结构在AMESim环境下采用HCD库组件构造而成。为了使仿真模型能够更加真实地逼近实际阀的工作性能从而完成整个系统的仿真任务, 借助软件中的批处理功能进行阀结构参数优化, 最终得到了与阀的实际工作特性相一致的输入电流和输出压力、流量性能曲线, 如图4和图5所示。可见, 在输入信号较低的阶段, 比例阀模型存在一定的死区范围, 这与实际采用比例电磁铁作为电- 机械转换器的控制元件的本身特性相符合。

盾构掘进机推进系统非线性PID控制仿真分析
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