盾构掘进机推进系统非线性PID控制仿真分析

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　1 盾构推进液压系统

　　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。

　　图1 盾构推进系统工作原理图

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: