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盾构机推进系统的运动控制
杨华勇,施虎,龚国芳
中国杭州310027浙江大学流体传动与控制国家重点实验室
摘要:本文介绍了盾构机械原型掘进液压系统的压力和流量的复合控制方法。设计了用于研究并集成了比例阀的实验系统。完成了多缸推进系统以及同步系统的动力模型设计。同步运动控制系统已经完成了在AMESIM和MATLAB/SIMULINK软件中的模拟仿真。本实验通过研究主/从控制死区补偿流量和常规的PID调节压力的方式。实验结果表明,所提出的盾构机械的推进液压系统及其控制方式能够满足隧道掘进运动与机构姿态控制的要求,保持非同步误差在3毫米左右。
关键词:盾构机械,推进系统,同步运动,协同仿真,PID控制。
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盾构机械是一种现代建设施工设备。隧道盾构是是最有前途和竞争力的隧道成形方法,具有速度快,施工安全,自动化程度高,环境友好的特点。
由液压动力驱动,推进系统是盾构系统的一个关键组成部分。它所执行的任务是驱动盾构机前进以及机构的姿势,确保其可沿预期的路线前进。在挖掘过程中,推进液压缸推动盾构机向前,与此同时,盾构机前部的刀头旋转切割地层以使其进入一个充满压力得底层腔室,并支持着被挖掘的底层。
为了防止隧道路径的偏差,盾构机的方向与姿势必须通过推进力控制。这是通过多缸执行部件的压力和速度控制来实现的。
目前关于盾构推进力的研究主要集中在挖掘面的支撑以及利用有限元分析对对隧道的模拟仿真。对于多缸协调控制,据我们所知,他很少作为一个专题被研究,除了起重机械,比如液压电梯。这些应用的特点是负载相对固定并且非常注重速度。推进系统因负载的的变化而不同,因此推进力和速度必须同时被考虑在内。
在这项工作中一个被认为是主要问题是直线挖掘中,并且是在不均匀负载作用在受力复杂,恶劣的刀头的挖掘条件下的推力液压缸的同步运动控制。合适的控制方法的应用可以获得比较完美的结果。

在不同的非线性负载下工作,盾构机要有一个大的输入功率。盾构机械能够沿着设计的路线工作依赖于液压缸的推进了。由于复杂的地质条件和别的不确定因素,盾构过程中机械有时会偏离预期路线。此外,曲线隧道盾构也是一个非常复杂的任务,推进系统完全与其相关。另一方面,为了使切削面保持其位置,推进的速度控制非常重要。针对这些问题,推进压力和速度可以实现平滑的无级的调控是非常需要的。为了这个目的,盾构推进液压系统的原型依据比例压力和流量调节原理工作,如图1所示。
在工程应用中,推进液压缸被安装在盾构机的环形方向上,并别分开成为几个组完成各自的简单控制任务,如图2所示。在每一组中,存在一个位移传感器和压力传感器。
图1盾构机推进液压系统回路[8]
图2 盾构机液压缸分布
流入每一组的流体由一个相应的流量控制阀的输入信号控制,并且工作压力由一个减压阀设定,所以在同一组中的液压缸可以被安置在同一组控制阀下。以这种方式,组件和结构的复杂性可以减小。此外,运动控制策略也大大简化。

图3显示一种应用于实验的推进系统。因为这种研究关注于流量和压力的控制特点,所以系统的原型在一定程度上被被简化。总共有6个相同的组,如图3描述的回路。实际上,在这个系统中每一组只包含一个液压缸。
如图3所示,每一组包含一个比例流量控制阀和一个比例减