隧道掘进机洞内拆装设备多缸同步控制研究.pdf

针对隧道掘进机洞内拆装设备多液压缸工作时的同步控制需求,提出了一种基于偏差耦合同步结构的模糊比例-积分-微分(PID)控制策略。首先,根据多液压缸同步举撑电液比例控制系统工作原理,建立了液压举撑系统数学模型,分析了多液压缸不同步问题产生的主要原因;其次,根据液压举撑系统的特点,设计了一种偏差耦合同步控制结构与模糊 PID 结合的控制策略;最后,通过 AMESim 和 Matlab/Simulink 联合仿真试验,对该控制策略的控制性能进行了验证。结果表明:在设备发生偏载的情况下,采用所设计的偏差耦合模糊PID 控制策略时,液压缸之间的最大同步误差约为 1.5 mm,能满足 TBM 主机洞内拆装系统的同步控制要求。关键词:同步控制;大偏载;模糊 PID;偏差耦合中图分类号:TH137;U45文献标志码:A0 前言隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)是一种代表中国隧道掘进智能化水平的高端智能装备1-3。TBM 施工中,经常需要在隧道洞内进行 TBM 主机的拆装作业4。而 TMB 主机洞内拆装面临着大载荷、大偏载的工况,容易因液压缸的不同步导致龙门架倾斜或机械卡死等故障。如何保证 TBM主机洞内拆装设备的多液压缸举撑同步是亟待解决的工程技术难题。针对多液压缸同步控制的研究主要分为同步控制结构与控制器策略 2 个方面5。对于同步控制结构,主从同步和主令同步是应用最为广泛的两种同步控制结构6-7,如文献8采用主令同步结构进行了电液控制液压支架的同步控制;文献9采用主从同步控制结构实现了辊式矫直机液压缸的同步控制。虽然主令同步和主从同步结构简单、易于实现,然而这两种同步控制结构却存在着抗干扰能力差的缺点。为了提高同步控制结构抗干扰能力,交叉耦合和偏差耦合等耦合同步控制结构得到了关注10,如文献11采用交叉耦合同步结构设计了一种四缸同步控制策略,实现了对浮阀举升系统的同步控制;文献12基于偏差耦合的思想,设计了锻造液压机的双缸同步控制策略。虽然耦合同步结构抗干扰能力强,但由于其结构相对复杂,耦合方式较多,会增大控制的难度,因此需要根据被控对象的特点进行合理的选用13。对于多液压缸控制器策略的设计,传统比例-积分-微分(proportional-integral-deriva-tive,PID)控制是最常用的控制方法,但随着现代控制理论的发展和各种新型同步算法的出现14-15,一些学者开始将现代控制理论应用于多缸运动控制之中,如文献16将广义预测控制应用在升沉补偿平台液压系统的控制中;文献17设计了一种灰色预测前馈控制器,用以解决双液压缸协调控制问题;文献18采用人工免疫算法,提高了自动搬运小车多缸同步系统的控制精度。但是,这些现代控制方法由于计算过于复杂,大都仍处于实验室研究阶段,难以工程应用。针对 TBM 主机洞内拆装面对的大偏载和多级缸换级所产生的系统参数变化等工况特点,设计合理的同步控制结构与控制器策略,提高拆装设备的同步控制精度,是业界面临的难点问题。本文设计了一种基于偏差耦合同步结构和模糊 PID 控制策略相结合的 TBM 主机洞内拆装设备多液压缸同步控制策略,并通过仿真试验验证了所设计控制策略的有效性。1 TBM 主机洞内拆装设备数学建模图 1TBM 主机洞内拆装设备结构图TBM 主机洞内拆装设备结构如图 1 所示,设备有 4 个置于导轨之上的举撑单元,每个举撑单元上有 4 个液压多级缸,2 个举撑单元之间以横梁连接组成 1 个龙门吊。TBM 主机拆装时,负载悬挂在横梁上,通过龙门吊两端举撑单元的液压多级缸进行举撑工作,以调整负载高度,两个龙门吊还可以通过改变在导轨上的间距以调整负载的位姿。由结构分析可知,该设备的同步问题主要包括 1 个举撑单元内 4 个多级缸的同步和构成龙门吊的 2 个举撑单元之间的同步 2 个部分。为了降低控制难度,1 个举撑单元内的 4 个多级缸采用顶板刚性联结的方式实现机械同步,这样 1 个举撑单元可等效为 1 个液压多级缸,设备的同步问题就转化为如何保证组成龙门吊的两 2 个举撑单元之间的同步。1 个龙门吊的等效液压原理如图 2 所示,每个举撑单元的液压回路由多级液压缸、电磁换向阀、比例流量阀、变量泵、压力传感器和位移传感器等元件组成。液压系统采用变量泵与比例流量阀配合形成容积节流调速回路,以满足举撑单元工作时的调速需求;电磁换向阀进行系统上升与下降的切换;位移传感器检测多级液压缸的位移;压力传感器对多级液压缸的缸前腔压力进行检测。图 2TBM 主机洞内拆装举撑系统龙门吊等效液压原理图由图 2 可知:单个举撑单元的液压回路是一个比例阀控非对称缸的位置控制系统。根据 TBM 主机23河 南 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年第 5 期徐莉萍,等:隧道掘进机洞内拆装设备多缸同步控制研究洞内拆装系统的特性,忽略对缸位移影响较小的弹性负载,可以将比例流量阀阀芯位移 Xv与液压缸位移 Xc之间的传递函数视为 1 个二阶振荡环节与 1 个积分环节的组合19,如式 1 所示:G1(s)=XcX=1Ahss22h+2hsh+1(),(1)其中:h为系统固有频率,h=4eA2hmtVt,Hz;e为油液体积弹性模量,N/m2;mt为液压系统运动部件总质量,kg;Vt为液压缸两腔总容积,m3;Ah为液压缸有效作用面积,m2;h为系统阻尼比,h=KcAhemtVt。以举撑单元所承担的载荷 Fl为输入信号时,液压缸位移对载荷信号的传递函数为:G2(s)=XcFl=-KcAh(1+Vt4eKcs)s(s22h+2hsh+1),(2)其中:Kc为流量压力系数。比例流量阀通常被视为 1 个二阶振荡环节20,如式(3)所示:G3(s)=Ks22+2s+1,(3)其中:K为比例流量阀的增益,m3/sA;为比例流量阀的阻尼比;为比例流量阀的固有频率,Hz。位移传感器的传递函数近似为 1 个比例环节:G4(s)=Ks。(4)图 3举撑单元传递函数框图结合式(1)(4),可以得到以比例流量阀指令信号 U 为输入,液压缸活塞位移 Xc为输出,载荷 Fl为扰动的举撑单元传递函数框图,如图 3 所示。分析举撑单元数学模型可知,举撑单元液压缸的位移与比例流量阀给定信号相对应,举撑单元载荷的变化会形成扰动,从而对液压缸的位移精度产生影响。龙门吊工作时,不仅所承载的载荷很大,而且工作时设备经常处于偏载的工况中,使得龙门吊两端的举撑单元承受着相反的载荷变化,对整个系统的同步精度产生强干扰。同时,龙门吊系统还是一个变参数系统,特别随着多级液压缸的换级,系统中 Ah、Vt等参数会跟随变化,使得液压缸的固有频率 h和阻尼比 h改变,从而影响系统的动态性能。2 控制策略设计根据 TBM 主机洞内拆装设备的特点,对龙门吊的多液压缸同步控制问题,设计了一种偏差耦合模糊 PID 同步控制策略,如图 4 所示。针对系统大偏载、强干扰的特点,采用偏差耦合的同步控制结构,将两液压缸的同步位置误差作为补偿控制量,用以调节液压缸 2 的位移,达到迅速减小两缸位置误差的目的。考虑到系统参数变化的特点,采用模糊 PID 作为控制策略,根据系统工况的变化实时调整 PID 控制器的参数,从而得到较好的控制效果。33图 4 中,s(t)为系统的输入信号;xi(t)为液压缸的输出位移;es(t)为同步误差;ui(t)为控制器的输出量,也是比例调速阀的阀芯位移输入信号;efi(t)为跟随误差,efi(t)=s(t)-xi(t);epi(t)为两缸之间的相对工作压力差,ep1(t)=p1(t)-p2(t),ep2(t)=p2(t)-p1(t),p1(t)、p2(t)分别为液压缸 1 和液压缸 2 的缸前工作压力。图 4偏差耦合模糊 PID 同步控制策略设计模糊 PID 控制器时,以两液压缸的跟随误差 efi(t)以及两缸前腔之间的相对工作压力差 epi(t)为输入信号,经过制定的模糊规则进行计算,利用所得出的隶属度及相应控制规则求出Kp、Ki、Kd,以此对 PID 控制器的 3 个控制参数进行实时调整。具体的模糊 PID 控制器设计流程见下文。2.1模糊化变量根据 TBM 主机洞内拆装设备的系统特性和经验分析,设定同步误差的范围为-20 20 mm,为了提高计算效率,采用均匀划分的方法,对同步误差进行量化后取论域 P1=-4,4,映射模糊子集 Ec=NB(负大),NS(负小),Z(零),PS(正小),PB(正大);设定压力差范围为-3 3 MPa,量化后论域取 P2=-4,4,映射模糊子集 Ep=NB,NS,Z,PS,PB。模糊控制器的输出Kp、Ki、Kd的论域也可设为-4,4,相应的每个模糊论域也都映射为 5 个模糊子集 NB,NS,Z,PS,PB。2.2隶属度函数三角形隶属度函数的控制性能比较好,分辨率也较高,因此所设计的模糊控制器中均采用三角形隶属度函数。隶属度函数如图 5 所示。2.3制定模糊规则表通过对本系统特性的分析以及专家经验,制定Kp、Ki、Kd这 3 个输出的模糊规则表。Kp的模糊规则表如表 1 所示。图 5隶属度函数表 1模糊规则表ei/epiNBNSZPSPBNBPBPBPBPSZNSPBPBPSZNSZPBPSZNSNBPSPSZNSNSNBPBZNBNBNBNB2.4解模糊通过模糊规则转化后的输出量无法直接用于实际 PID 控制参数,需要对结果进行解模糊。选择最大隶属度函数法进行解模糊计算,可以简化计算,提高控制系统运算速度,因此适合此龙门吊同步系统43河 南 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年第 5 期徐莉萍,等:隧道掘进机洞内拆装设备多缸同步控制研究的实时控制要求。在得出Kp、Ki、Kd3 个输出参数后,根据式(5)即可求出实际的 PID 参数。Kp=(Kpmax-Kpmin)Kp+Kpmin;Ki=(Kimax-Kimin)Ki+Kimin;Kd=(Kdmax-Kdmin)Kd+Kdmin。(5)将修正后的 3 个参数引入 PID 控制器中,进行参数实时控制,即可得到模糊 PID 控制器。3 仿真试验表 2仿真参数设置表名称参数值仿真时间/s100采样频率/Hz100设定举升速度/(mms-1)26油液密度/(kgm-3)850油液体积弹性模量/MPa1 000比例阀增益/(m3(sV)-1)2.5传感器增益/(Vm-1)1.25为了验证所设计的偏差耦合模糊 PID 同步控制策略的有效性,进行了龙门吊双缸同步仿真试验。仿真试验 采 用 AMESim 和 Matlab/Simulink 联 合 仿 真,用AMESim 搭建龙门吊液压系统仿真模型,如图 6 所示。仿真参数根据 TBM 主机洞内拆装系统实际进行设置,仿真参数如表 2 所示。仿真时,为了模拟系统发生的偏载变化时的影响,根据工程实际工况,设定龙门吊系统吊装 400 t 负载在5 s 时,从横梁中间位置开始向液压缸 1 的方向移动,在25 s 时停止,并开始朝着液压缸 2 的方向移动,最终在45 s 时回到横梁中间位置。据此工况设定液压缸 1 和液压缸 2 载荷变化如图 7 所示。图 6AMESim 龙门吊液压系统模型53为了验证不同同步控制结构和控制策略在龙门吊两缸同步运动中的控制效果,分别对采用普通PID 控制器的主令同步控制结构、采用普通 PID 的偏差耦合型结构以及所设计的偏差耦合模糊 PID 结构这 3 种控制策略进行仿真试验,得到两缸之间的同步误差,如图 8 所示。图 7模拟偏载情况下两缸的载荷变化图 8两缸之间的同步误差通过图 8 中 3 种不同控制策略下的同步误差对比结果可以看出:在采用普通 PID 控制器的情况下,偏差耦合型同步结构的最大同步误差约为 4.2 mm,而主令式同步结构最大同步误差约为 7.8 mm,由此可知,偏差耦合型同步结构相比于主令式同步结构,能更高效地对两缸之间的同步误差做出反应,将系统的同步误差控制在更小的范围内。当采用偏差耦合同步结构的情况下,采用模糊 PID 控制策略时两缸之间的最大同步误差约为 1.5 mm,比采用普通 PID 时减少了 2.7 mm,说明当出现偏载扰动时,偏差耦合模糊 PID 控制策略具有更好的控制性能。对比 3 条控制曲线也可以看出,偏差耦合模糊 PID 控制下系统约在第 60 s 时达到稳态,而另两种控制策略下约在第 80 s 才达到稳态,表明偏差耦合模糊 PID控制具有更快的响应速度和调整能力。4 结论(1)通过对 TBM 主机洞内拆装设备结构特点和数学建模的分析,得出了龙门吊两举撑单元之间的偏载以及多级液压缸换级产生的参数变化是引起设备同步控制误差的主要因素。(2)针对控制难点问题,提出了一种偏差耦合模糊 PID 控制策略,可使偏载情况下两举撑单元之间的同步误差保持在 1.5 mm 以内,并能在约 60 s 时达到稳态误差,相比其他控制策略,具有更高的控制精度和更快的调整速度,能满足 TBM 主机洞内拆装系统的同步控制要求。参考文献:1洪开荣.我国隧道及地下工程近两年的发展与展望J.隧道建设,2017,37(2):123-134.2荆留杰,张娜,杨晨.TBM 及其施工技术在中国的发展与趋势J.隧道建设,2016,36(3):331-337.3宋振华.中国掘进机械行业 2019 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flow rate of the valve-less piezoelectric pump with four-way pipe is 7.41 g/min,which is 21.47%higher than that of the valve-less piezoelectric pump with Y-shape pipe.The maximum pressure difference of the valve-less piezoelectric pump with four-way pipe is 421 Pa,which is 79.17%higher than that of valve-less piezoelectric pump with Y-shaped pipe.Key words:four-way pipe;Y-shape pipe;valve-less piezoelectric pump;flow rate;pressure differenceCLC number:TH38;TN384Document code:AArticle ID:1672-6871(2023)05-0025-06Research on Multi Cylinder Synchronous Control of Tunnel Boring Machine Tunnel Disassembly and Assembly Equipment(31)XU Liping1,ZHANG Yuhui1,ZHOU Xiaolei2,JIA Yaowei2,LI Jian1,LI Yuesong1(1.School of Mechatronics Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China;2.China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd,Zhengzhou 450016,China)Abstract:A fuzzy proportion integral derivative(PID)control strategy based on deviation coupling synchronization structure was proposed to meet the synchronous control requirements of multiple hydraulic cylinders in tunnel boring machine(TBM)tunnel disassembly and assembly equipment.Firstly,based on the working principle of the multi hydraulic cylinder synchronous lifting electro-hydraulic proportional control system,a mathematical model of the hydraulic lifting system was established,and the main reasons for the asynchronous problem of the multi hydraulic cylinders were analyzed.Secondly,based on the characteristics of the hydraulic lifting system,a deviation coupling synchronous control structure and a control strategy combining fuzzy PID were designed.Finally,the control performance of this control strategy was verified through AMESim and Matlab/Simulink joint simulation experiments.The simulation test results show that in the case of equipment bias load,the maximum synchronization error between hydraulic cylinders is about 1.5 mm by using the designed deviation coupling fuzzy PID control strategy,which can meet the synchronization control requirements of the TBM host hole disassembly system.Key words:synchronous control;large eccentric load;fuzzy PID;deviation couplingCLC number:TH137;U45Document code:AArticle ID:1672-6871(2023)05-0031-06Information and Control EngineeringAn Active Disturbance Rejection Method for Aerial Manipulator Based on Linear Fuzzy Control(37)ZHANG Sen,ZHUANG Zhiqiang,SONG Shuzhong(School of Information Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023,China)Abstract:The operation of unmanned aerial vehicle(UAV)with robot arm can improve the environmental adaptability,but the movement of the robot arm has strong interference on the flight platform,seriously affecting the stability of the operation platform.Aiming at the difficulty of disturbance rejection of flying manipulator,Euler-Lagrange method was used to model the whole system,and a linear fuzzy active disturbance rejection control(Fuzzy-LADRC)was proposed,which combined linear active disturbance rejection control(LADRC)and fuzzy control.This method combined the adaptive ability of fuzzy control and the anti-jamming ability of LADRC to nonlinear strongly coupled system,and optimized the control system.The physical simulation model of the system was built by Matlab/Simscape platform,and the performances of Fuzzy-LADRC,LADRC and PID controllers were analyzed by designing related simulation experiments.The