盾構加泥系統的自動保壓

陳柳鋒

[摘要]在盾構施工過程中經常會發現加泥管路因為外部土倉泥漿倒流入而堵塞，根據實際情況提出加泥系統保壓程序，利用PID算法，編寫保壓程序，并成功解決管路堵塞問題。此PID算法編寫靈活，有一定的推廣意義。

[關鍵詞]加泥；PID；變頻器

文章編號：2095 - 4085（2018） 08 - 0075 - 02

1 系統介紹

新加坡湯申線Tl225項目中使用的（Φ6660土壓平衡盾構機，其加泥系統配有兩臺加泥泵，在施工過程中，用于向土倉添加膨潤土。系統配有變頻電機及變頻器，用于改變加泥流量，加泥速度可以通過觸摸屏手動給定，另外配有壓力傳感器和流量傳感器，用于檢測管路壓力和加泥流量（見圖1）.

2 問題提出及解決方案

在加泥系統的管路出口處有止回閥用于防止土倉泥漿倒流人管路。但是由于某些原因，止回閥不能可靠的工作，把泥漿阻擋在管路之外。當長時間不進行加泥操作時，加泥出口處可能會由于外界壓力高，泥漿經常會涌人加泥管路，造成管路堵塞。所以，施工人員為了解決這個問題，就頻繁的啟動加泥電機，且加泥流量給定不好估算，管路壓力波動大，效率較低。

根據這個情況，在加泥系統上提出增加自動保壓功能，即在盾構停止推進時，加泥系統自動運行，且維持一定的壓力，保證了出口處泥漿不涌入管道。

加泥系統由變頻電機提供動力，通過變頻器調整電機轉速來改變加泥的流量，在管路上設有壓力傳感器。根據加泥系統的系統構成，選用了PID算法。

3 PID原理簡介及軟件實現

即在設定的壓力值下，通過加泥泵轉速的自動調節，壓力快速準確的達到給定值。設定的壓力值可以看成一個階躍信號。

下面簡單介紹一下PID的原理。

3.1 PID控制方式的原理

（1）系統在階躍給定下的穩態誤差（擾動輸入n（t）=O）

假設系統沒有外部干擾，其中R（s）為壓力設定值，C（s）為壓力傳感器測定值亦即系統的輸出值，E（s）=R（s）一C（s）為設定值與給定值的誤差。G（s）為加泥系統的傳遞函數，與加泥系統特性有關（見圖2）。

開環函數中積分環節的個數稱為系統類型。當v=0時，稱系統為0型系統，當v=l時，稱系統為1型系統，當v=2時，稱系統為2型系統。

（2）擾動量作用下的穩態誤差（給定輸入r（t）=0），反應了系統在穩態過程中的抗干擾能力圖3中n（t）是干擾信號，假設此時給定輸入是r（t）=0。此時E（s）=R（s）一C（s），R（s）=0，故E（s）=一C（s）所以擾動量下的穩態誤差的大小，跟擾動作用

5 結語

在調整PID參數后，輸出的MV能是壓力快速達到2. 5bar附近，并且穩態誤差較小。在自動保壓的作用下，很好的解決了管路堵塞問題。

本PID算法與三菱自帶的PID指令相比較，算點位置，N（s），G1（s） G2 （s）有關。增加G1（S）的開環增益，可以減小穩態誤差。同時，提高系統的系統類型，可以將穩態誤差消除。綜上所述，減小或消除穩態誤差的方法如下。1.增加系統開環增益或增加擾動點前面前向通道增益，但增加開環增益會影響動態性能，甚至影響系統穩定性。2.在系統前向通道或擾動點前面的前向通道串聯積分環節，但積分環節串聯多了，會造成系統不穩定。方法1即使用P（比例調節）的方式，方法2即使用I（積分調節）的方式。

為了使輸出值能更快更穩的達到設定值，使用D（微分調節）可以改善這一動態性能。總結為PI改善系統的穩態性能，D改善系統的動態性能。

以上即是加泥系統自動保壓的理論依據。

4 PID基本算法的實現

首先在觸摸屏上增加“自動保壓”按鈕（見圖5）。然后用三菱QCPU來寫PID算法，采樣時間Ts為Is，PV為壓力傳感器測定值即輸出值，SV為設定值即輸入值，程序中設為機器數500，即2. Sbar，MV為PID為操作數即PID控制器的輸出值，此數字還需要進一步做幅值處理后才能賦值給DA模塊，改變變頻器的頻率輸出即改變加泥電機的轉速。