盾构推进液压系统的开环与闭环仿真控制

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1、学兔兔www.xuetutu.com第5期(总第186期)机械工程与自动化No．52014年10月MECHANICALENGINEERING&AUT0MAT10N0ct．文章编号：1672-6413(2014)05-0009-02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330013)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AMESim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

2、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：TU621ITP391．9文献标识码：AO引言度越高，分区性能就越好，同时为了方便对盾构机的驾盾构机是一种专门用于开挖地下隧道工程的大驶和操作，往往把盾构机推进系统划分为4个分区[5]，型、复杂施工装备，具有开挖速度快、工程质量高、施工也就是说把盾构推进液压缸分为4组。左、右两分区安全性好、经济效益高、有利于环境保护和降低劳动强由于受力大体一样，故分配的推进油缸数目相同，布置度等优点[1]。在整个盾构系统中，推进系统是其关键方式相同；下分区由于盾构机本身自重及摩擦力大的系统，承担整个盾构机的顶进任务，保证盾

3、构按照我们缘故，推进油缸数目比上分区多。假设有16个液压设计的路线进行施工掘进[2]。而推进液压系统作为推缸，合理分区是：左D、右B两区油缸数目各为4个，上进系统的核心系统，其协调动作可以使盾构在行进中区A油缸数目为3个，下区C油缸数目为5个，如图2转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏等。因此，适时无级协所示。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

4、进速度与推进压力，使推进液压缸图1推进机构受力及力矩简圈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5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图216个推进油缸分组示意圈力矩简图如图1所示。2盾构推进液压系统开环与闭环控制仿真对比推

5、进系统油缸分区布局与推进载荷分布的匹配程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(51175174)收稿日期：2013—12—23；修回日期：2014—04—10作者简介：徐尤南(1965一)，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www.xuetutu.com·1O·机械工程与自动化2014年第5期不考虑各分组之间的关系，只是对单分组系统进制效果不是很理想。行仿真模拟，利用AMESim软件建立液压系统开环控2．2盾构推进液压系统闭环控制仿真制仿真模型，如图3所示。为实现推进液压系统闭环控制，需要常规PID控制器，将控制推进液压缸的

6、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AMESim软件建立液压系统闭环控制仿真模型，如图6所示。图3开环控制的AMESim仿翼模型在进行AMESim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350kN，黏性阻尼系数为1000kN／(m／s)，推进速度前5S为0．5mm／s，后5S为1mm／s，采样时间0．1s，仿真时间为10s。仿真得到液压缸速度曲线见图4。图6闭环

7、控制的AMESim仿真模型在进行AMESim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·{时同／s·0．flI图4开环控制推进速度仿真曲线0．J由图4可知，开环控制时，推进速度开始有所振0．J0．荡，其最大超调速度达到0．8mm／s，大概1S后推进f速度稳定在设置的0．5mm／s，在1s～5s之间，速度O2468lO时间／s保持不变前进