盾构推进液压系统的开环与闭环仿真控制.pdf

第 5期 总第 1 8 6期 2 0 1 4年 1 0月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG AUT0MAT1 0N No ．5 0c t ． 文章 编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 4 0 5 - 0 0 0 9 - 0 2 盾构推进液压系统的开环与闭环仿真控制素 徐 尤 南 ，邓 文 强 华东交通大 学 机 电工程学院 ，江 西 南 昌 3 3 0 0 1 3 擒 耍 ；对盾构推进 系统 的液压缸采用 分 区控制 ，以达 到降低 系统复杂程度 、保 证控 制精度的 目的。用液压仿 真软件 AME S i m 对推进液压 系统进行仿 真模 拟分析 ，采用开 环 与闭环 两种方 式。仿真结果 表 明，压 力流 量 闭环控制较 开环控制可 以有 效减 少压力和流量 的波动，实 时控制推进压 力和推进速度 ，控制效果较好。 关键词 盾构 推进系统 ；开环 ；闭环 ；仿真 ；液压 系统 中图分类号 TU6 2 1 I TP 3 9 1 ． 9 文献 标识码 A O 引言 盾构机是一种专 门用于 开挖地下 隧道工程 的大 型、 复杂施工装备 ， 具有开挖速度快 、 工程质量高、 施工 安全性好、 经济效益高 、 有利于环境保护和降低劳动强 度等优点[ 1 ] 。在整个盾构系统中 ， 推进系统是其关键 系统 ， 承担整个盾构机的顶进任务 ， 保证盾构按照我们 设计的路线进行施工掘进[ 2 ] 。而推进液压系统作为推 进系统的核心系统 ， 其协调动作可 以使盾构在行进 中 转弯、 曲线行进 、 姿态控制、 纠偏等 。因此 ， 适时无级协 调控制推进速度和推进压力 ， 能够有效减少地表变形、 控制地表沉降、 避免不必要的超挖与欠挖 ， 使隧道设计 轴线偏差控制在允许范围内[ 3 ] 。 目前 ， 国 内盾 构推进 液压系 统的控制 技术 一直 处 于 研究与发展中， 由之前的电液伺服控制发展到现在的电 液比例控制 ， 已设计出压力流量复合控制的推进液压系 统， 可以协调控制推进速度与推进压力， 使推进液压缸 保持合适的姿态让盾构沿着设计轴线向前推进[ 4 ] 。 1 盾构推进系统液压缸的分区控制 推 进 系统 由若 干推 进液 压 缸环 向均匀 分布 在 中盾 圆周上 ， 若是单独对每个液压缸进行控制 ， 同时又保障 所有推进液压缸 的准确同步性和合理协调性 ， 必然加 大操作难度 ， 系统 显得更 繁琐 ， 并且会加 大成本 。因 此 ， 推进 系统液压缸的分区设计合理性显得尤为重要。 盾构机在土层掘进过程 中， 主要是受到 了开挖面 的水土抵抗力 、 盾构机与土层的摩擦力 、 尾盾和管片的 摩擦阻力及其盾构 自身重力等 ， 其推进机构 的受力与 力 矩简 图 如 图 1 所 示 。 推 进 系统 油缸 分 区布局 与推进 载 荷分 布 的匹 配程 度越高， 分区性能就越好 ， 同时为了方便对盾构机的驾 驶和操作 ， 往往把盾构机推进系统划分为 4个分区[ 5 ] ， 也就是说把盾构推进液压缸分为 4组。左 、 右两分 区 由于受力大体一样 ， 故分配的推进油缸数 目相 同， 布置 方式相同； 下分区由于盾构机本身 自重及摩擦力 大的 缘故 ， 推进油缸数 目比上 分 区多。假设 有 1 6个液压 缸 ， 合理分区是 左 D、 右 B两区油缸数 目各为 4个 ， 上 区 A 油缸数 目为 3 个 ， 下 区 C油缸 数 目为 5 个 ， 如 图 2 所示 。 图 1 推进机构受力及力矩简圈 5 图 2 1 6个推进油缸分组示意圈 2盾构 推进 液压 系统 开环 与 闭环控 制仿 真对 比 2 ． 1 盾 构推 进 液压 系统 开环控 制仿 真 -i ．国家 自然科学 基金资助项 目 5 1 1 7 5 1 7 4 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 2 3 ；修 回 日期 2 0 1 4 0 4 1 0 作者简介 徐尤南 1 9 6 5 一 ，男 ，江西瑞 昌人 ，教授 ，博 士，主要研究 方向 并联 机构及机器人学。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4年第 5期 不考 虑各 分组 之 间 的关 系 ， 只是 对 单 分 组 系 统 进 行仿真模拟， 利用 AME S i m软件建立液压系统开环控 制仿真模型， 如 图 3所示 。 图 3 开 环 控 制 的 AMES i m 仿 翼 模 型 在进行 AME S i m液压系统仿真之前 ， 先设定各元 件的固定特性参数 ， 之后根据工况仿真条件设定 系统 的具体参数 。本 系统 中， 设定负载力为 3 5 0 k N， 黏性 阻尼系数为 1 0 0 0 k N／ m／ s ， 推进速度前 5 S 为 0 ． 5 mm／ s ， 后 5 S 为 1 mm／ s ， 采样时间 0 ． 1 s ， 仿真时间为 1 0 s 。仿真得到液压缸速度曲线见图 4 。 时同／ s 图 4开环控制推进速度仿真 曲线 由图 4可 知 ， 开 环 控制 时 ， 推 进 速 度 开 始有 所 振 荡 ， 其最大超调速度达到 0 ． 8 mm／ s ， 大概 1 S后推进 速度稳定在设置的 0 ． 5 mm／ s ， 在 1 s ～5 s 之 间， 速度 保持不变前进 ； 在 5 s时， 推进速度 同样存在振荡， 最 大超 调速 度达 到 了 1 ． 2 mm／ s ， 之 后稳 定在 1 mm／ s 。 图 5为推 进 液压 缸 的 压 力仿 真 曲线 ， 在 开 始 时 压 力有所上升 ， 并伴随小幅波动 ， 然后稳定在 7 ． 8 MP a ， 5 s 时压力有 所振荡， 最终稳定在 7 ． 8 MP a 。这是 由于 在 5 S 时推 进 速度从 0 ． 5 mm／ s 上 升 到 1 mm／ s ， 进 而 导致 压 力波 动 ， 当速度 达 到设置 值 时 ， 推 进压 力会 稳定 在 开始设 置值 。 时间／ 8 图 5 开环控制推进压力仿真 曲线 由图 4和图 5可知 ， 系统开环控制时 ， 其他条件不 变的情况下 ， 比例调速 阀流量的改变会 引起推进液压 缸压 力 的变化 ， 且 推进 速度 具有 较大 的超调 量 ， 复合 控 制 效果 不是 很理 想 。 2 ． 2盾构推 进 液压 系统 闭环 控 制仿 真 为实现 推 进 液压 系 统 闭环 控 制 ， 需要 常 规 P I D 控 制器 ， 将控制推进液压缸的压力 和速度信号分别反馈 到 比例溢流阀和比例调速 阀， 实现对推进压力和流量 的调整， 降低速度和压力波动， 保证液压缸正常推进时 所 需 的流 量和 压力 。 同样不考虑各分组 之间的关系 ， 只是对单分组系 统进行仿真模拟， 利用 AME S i m软件建立液压系统闭 环控制仿真模型， 如图 6所示 。 图 6 闭环控制的 AME S i m仿真模型 在进行 AME S i m 液压系统仿真前 ， 先设定各元件 的固定特性参数 ， 系统 的具体参数与开环控制参数相 同。图 7为闭环控制 的推进速度仿真 曲线 ， 图 8为 闭 环控 制 的推进 压 力仿 真 曲线 。 1 ． 1 0 ． fl 0 ． 0 ． 0 ． { I J J f O 2 4 6 8 l O 时间／ s 图 7 闭 环 控 制 的 推 进 速 度 仿 翼 曲线 由 图 7和 图 8可 以看 出 ， 采 用 P I D闭 环控 制 系统 可 以较好地对液压缸推进压力和推进速度进行调节 ， 在 5 S调节流量时， 推进速度经过短暂振荡后 达到稳 定， 虽略有波动 ， 但相对于开环控制系统 ， 闭环控制的 推进速度超调量小 ， 调节时间短 ， 控制效果明显改善。 ∞ 莹 ＼ 幽 O Z 4 6 8 l 0 时间／ 8 图 8 闭环控 制的推进压力仿真 曲线 3 结束语 盾构推进系统中推进液压缸分区控 制是可行 的， 目的是减少控制复杂程度 ， 更好实现差动控制以达到 下转 第 1 3页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 5期 机 械 工 程 与自 动 化 置的分析结果 ， 表 1为中空平台的分析结果 ， 其最大 的 变形与应力 出现 的位置均不影响实际使用 。采用中空 结构平台可 以满足实际的使用要求 ， 达到预期的设计 效果 ， 因而 ， 本例 中的模拟器可以采用中空结构的上平 台 ， 既符合使用要求 ， 又可以使整体 质量减轻 ， 达到节 约 成本 的 目的 。 表 1 中空平台三极 限位置 的最大应力 、 形变及发生位置 所计算的 最大形变量及 位置 最大应力及位置 极限位置 最大形变量 位置 最大应力 位置 p m M Pa 上平台 X 向 3 ． 6 3 上平 台中部 上平 台与支杆 极限位置 3 ． 2 3 支杆中上部 6 ． 6 2 铰接处 上平台 y向 2 ． 8 2 上平台 中部 5 ． 3 5 上平 台与支杆 极 限位置 2 ． 5 1 支杆中上部 铰接处 上平 台倾斜 3 ． 0 4 上平台 中部 上平 台与支杆 1 5 。 极限位置 2 ． 7 0 支杆中上部 4 ． 7 1 铰接处 参 考文献 E 1 ] E 2 3 [ 3 3 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Ng u y e n C C，An t r a z i S S，P a r k J Y，e t a 1 ．Tr a j e c t o r y p l a n n i n g a n d c o n t r o l o f a S t e wa r t p l a t f o r m- b a s e d e n d e f f e c t o r wi t h p a s s i v e c o mp l i a n c e f o r p a r t a s s e mb l y [ J ] ． J o u r n a l o f I n t e l l i g e n t a n d Ro b o t i c S y s t e ms ，1 9 9 2，6 2 6 3 - 28 1 ． 王勖 成 ， 邵敏． 有 限单元 法基 本原 理和 数值方 法[ M] ． 北 京 清华大学 出版社 ， 1 9 9 7 ． 张波 ， 盛和太． ANS Y S有 限元数 值分 析原理 与工 程应 用 I- M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 杜平． S t e w a r t 平 台运 动学分析与仿 真研究 [ J ] ． 机械研 究 与应用 ， 2 0 1 2 4 1 9 2 2 ． 曹辉 ， 严新平 ， 吴超 仲 ， 等． 基于动力 学分析 的驾驶模拟 器 运动仿真算法 [ J ] ． 武 汉理 工 大学 学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 9 3 7 8 81 ． P e t e r R Gr a n t ， L l o y d D Re i d ． M o t i o n wa s h o u t f i l t e r t u n i n g r u l e s a n d r e q u i r e me n t s[ J ] ．J o u r n a l o f A i r c r a f t ， 1 99 7，34 2 1 45 1 51 ． Opt i ma l De s i g n o f S t e wa r t Pl a t f o r m wi t h S i x De g r e e o f Fr e e d o m Z HA O J i e - x i u ， HU D e - j i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T i a n i i n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n， Ti a n j i n 3 0 0 2 2 2 ， Ch i n a Ab s t r a c t S t e wa r t p l a t f o r m ，d u e t o i t s c h a r a c t e r i s t i c o f e a s y t o r e a l i z e s i x d e g r e e o f f r e e d o m ，i s wi d e l y u s e d i n a i r c r a f t s i mu l a t o r s a n d l a r ge ve hi c l e dr i v i n g s i mul a t o r s ． I t c a n r e a l i z e t he pr o pr i oc e pt i ve s i mul a t i o n o f d r i vi ng．Cur r e n t l y，t he r e a r e t wo t y pi c a l s t r u c t ur e s o f t h e mo v a b l e p l a t f o r m t h e s o l i d mo d e l a n d t h e h o l l o w mo d e 1 ．Th i s p a p e r wi l l a d o p t f i n i t e e l e me n t me t h o d t o a n a l y z e t h e t wo mo d e l s ． Th r o u g h b u i l d i n g 3 D mo d e l ，d i g i t a l r e c o n s t r u c t i o n ，a n a l y z i n g i n ANS YS，we wi l l c o m e u p wi t h a n o p t i ma l d e s i g n o f t h e p l a t f o r m ． Ke y wo r d s S t e wa r t p l a t f o r m ；f i n i t e e l e me n t m e t h o d；p r o p r i o c e p t i v e s i mu l a t i o n；o p t i ma l d e s i g n 上 接 第 1 0页 盾 构适 时 姿 态 调 整 _ 6 ] 。利 用 AME S i m 建 立 推 进 液 压 系统的开环和闭环仿真模 型。仿真结果表 明， 系统开 环 控 制时 ， 液 压缸 的 速度 调 节会 引起 压 力 的 明显 振 荡 波 动 ， 而采 用 闭环 控 制 可 有 效 地 协调 流 量 与压 力 的超 调 ， 控制效果得到改善。 参 考文献 [ 1 ] 周文波． 盾构法隧道施工技术及应用r M] ． 北京 中国建 筑 工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 3 胡 国 良， 龚 国芳 ， 杨华 勇 ， 等． 盾构模 拟试验平 台液压 推进 系统设 计[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 5 2 9 2 9 4 ． 1- 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] H u Gu o l i a n g， Go n g Gu o f a n g ， Ya n g H u a y o n g ， e t a 1 ． El e c t r o hy d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f s h i e l d t u n n e l b o r i n g ma c h i n e f o r s i mu l a t o r s t a n d[ G] ／ ／ Th e P r o c e e d i n g s o f I CFP 2 0 0 5 ． Ha n g z h o u Ha n g z h o u I n t e r n a t i o n Ac a d e m i c Pub l i s he r s， 20 05 9 4 - 9 9． 孙继亮 ． 盾构液压推进 系统的控制仿真研究[ D] ． 淮 南 安 徽 理工大学 ， 2 0 0 6 6 2 6 6 ． 庄欠伟． 土压平衡式盾构电液控制系统集成技术及其应 用[ D ] ． 杭 州 浙江大学 ， 2 0 0 5 2 6 2 8 ． 胡 国良． 盾 构模 拟 实验平 台 电液控 制系统 关键技 术研 究 [ D ] ． 杭 州 浙江大学 ， 2 0 0 6 8 1 - 8 8 ． S i m u l a t i o n o f Op e n Lo o p a n d Cl o s e d Lo o p Co n t r o l o f Hy d r a u l i c Thr u s t S y s t e m o f S hi e l d M a c hi n e xu You - na n，DENG W e n - qi a ng Me c h a n i c a l En g i ne e r i n g Co l l e ge ，Ea s t Ch i n a J i a o t o n g Un i v e r s i t y，Na n c h a n g 3 3 0 01 3 ，China Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r o f s h i e l d t h r u s t s y s t e m i s c o n t r o l l e d b y p a r t i t i o n，t o r e d u c e t h e c o mp l e x i t y o f t h e s y s t e m a n d e n s u r e t h e a c c u r a c y o f c o n t r o 1 ．Th e s i mu l a t i o n a n a l y s i s o n t h e t h r u s t h y d r a u l i c s y s t e m i s c a r r i e d o u t b y h y d r a u l i c s i m u l a t i o n s o f t wa r e AM E S i m ，wh i c h i s c o n t r o l l e d b y o p e n l o o p a n d c l o s e d l o o p r e s p e c t i v e l y ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t c o mp a r e d wi t h o p e n l o o p c o n t r o l ，t h e p r e s s u r e - f l o w c l o s e d l o o p c o n t r o l c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e p r e s s u r e a n d f l o w f l u c t u a t i o n s ， c o n t r o l t h e p r e s s u r e a n d v e l o c i t y i n r e a l t i me ，t h e c o n t r o l e f f e c t i s b e t t e r ． Ke y wo r d s s h i e l d t h r u s t s y s t e m ；o p e n l o o p；c l o s e d l o o p；s i mu l a t i o n；h y d r a u l i c s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m