基于AMESim-MATLAB聯合仿真的液壓盾構刀盤控制策略與特性研究

(華北水利水電大學, 河南鄭州 450045)

引言

盾構機是當今社會城市地鐵、公路、江河等隧道地下工程建設的重要掘進設備。其刀盤結構尺寸大，具有大功率和大慣性特征；工作地質條件復雜，導致刀盤液壓驅動系統變負載特征[1-10]。盾構機運轉的主要能源由刀盤液壓驅動系統提供，這就要求刀盤液壓系統在盡可能滿足動力供應的基礎上，有一定的適應工況負載變化能力且轉速自動調節功能，以實現節約能源、降低損耗的目的。

工程地質條件往往復雜多變，為了適應地質條件變化，盾構機刀盤液壓驅動系統普遍采用恒功率控制系統。恒功率控制的盾構刀盤液壓驅動系統能夠在一定程度上適應地質條件變化，提高液壓系統的節能效率[13]，根據負載工況，實現對刀盤的輸出轉矩與轉速的實時控制。但為了保證系統不超載，刀盤液壓驅動系統功率往往按照最大工作負荷確定，無法對電動機的輸出功率進行調節[14]，這在地質條件變化劇烈的情況下，會造成很大的功率浪費和盾構機運用方面的困難。

近年來關于盾構刀盤液壓系統功率消耗大問題的節能降耗研究，很多學者就恒功率控制進行了一系列地鉆研探討，取得一定的研究成果。施虎等[15]采用的刀盤液壓驅動系統是通過變量泵來控制變量馬達，控制方式采用兩種模式進行切換，低速時切換恒轉矩模式，高速時切換恒功率模式，在大扭矩工況下對變量馬達進行無極調速，可大大增加調速范圍，提高施工效率。王樹春等[16]將液壓靜壓技術結合機械無級變速，使盾構機在恒功率的情況下通過增大體積使轉矩達到最大，節省了功率。邢彤等[11]在盾構刀盤液壓控制回路中采用功率限制閥實現恒功率控制，安裝調速閥穩定了系統流量和回路壓力，而且有效降低了功率。但是，現有的研究成果只能在特定工況下和局部結構上降低能耗，沒有在整體上很好的解決能耗問題。為此，在恒功率控制的基礎上增加智能變功率控制功能，由過去常用的恒功率控制，改變為智能切換功率級別與恒功率控制相結合，依據刀盤的轉矩與轉速智能選擇相應的功率級別，實現智能變功率控制。

1 刀盤液壓驅動系統設計

1.1 系統工作原理

某施工集團實際工程中使用的盾構機刀盤液壓驅動系統為3個泵帶動8個馬達的驅動回路，每組馬達的結構特點以及工作性能與液壓驅動回路基本相同，故為研究方便，簡化為單個液壓泵驅動2個液壓馬達，盾構刀盤液壓系統原理圖如圖1所示。該刀盤液壓驅動系統為容積調速系統，這種變量泵-定量馬達液壓系統調速范圍寬，傳動效率高，無溢流節流損失。

1.三相異步電機 2.液壓泵 3.過濾器 4.角度傳感器 5.柱塞 6.開關閥 7.單向閥 8.溢流閥 9.電動機轉速傳感器 10.三位四通電液換向閥 11.壓力傳感器 12.梭閥 13.壓力表 14.液壓馬達 15.液壓馬達轉速傳感器 16.轉矩傳感器圖1 盾構刀盤液壓系統原理圖

圖1中油箱經過濾器3與變量泵2的吸油口S相連，變量泵在三相異步電動機1的帶動下工作，使壓力油到電液換向閥10需從變量泵的出油口P流經再通過單向閥7流進，液壓馬達正反轉的實現是由電液換向閥的電磁信號控制，信號改變達到換向的目的。溢流閥8是負責調節液壓系統的壓力防止超限，起安全保護作用。梭閥12的低壓一端封鎖，高壓的兩端連通中路，可以根據壓力的變化進行選擇的開關。壓力表11是檢測液壓系統的負載壓力大小，實際和梭閥相連，而馬達14作為系統的執行元件，其轉動帶動刀盤旋轉。轉速傳感器15和轉矩傳感器16安裝在刀盤的轉動軸上，將刀盤的轉速與轉矩信號傳遞給控制器；壓力傳感器11安裝在梭閥出油口處的管道上，將系統壓力信號傳遞給控制器，液壓系統的壓力跟負載有關，負載上下波動，系統壓力就會跟著波動；固定在電機軸上的轉速傳感器9將接收到的電動機轉速信號傳遞給控制器；角度傳感器4安裝在變量泵的斜盤上，將變量泵的斜盤傾角信號傳遞給變量泵內部的電控器。在控制器的控制下，電動機的功率和轉速是由變頻器調節的，而主要控制元件變量泵也是液壓系統的能量來源，通過控制信號調節泵內部的二位三通高速開關閥6，通過控制柱塞5來回運動，通過不斷調整液壓泵斜盤的角度，來掌握輸出流量的大小。當盾構液壓驅動系統工作地質條件基本不變，且負載波動與刀盤轉速、扭矩變化不大時，在某個功率級別下，系統進行恒功率速度調節。

圖2 刀盤液壓驅動系統控制流程圖

1.2 系統控制模式

所設計的智能控制液壓系統采用泵控馬達容積調速的方式進行工作，主要由變頻電機、變量泵與定量馬達組合而成，以滿足復雜多變的工況，提高工作效率、降低功率。智能變功率控制就是根據地質層信息和施工總結出的經驗，編寫對應的模糊控制規則，控制器的輸入信號設置為刀盤轉速和轉矩，并給定變頻電機多級功率工作模式以供選擇，最后根據控制規則來輸出相應信號，控制系統的動力。當刀盤的轉速有一定幅度的升高，或刀盤轉矩有一定范圍降低，這時調檔到較低的功率工作模式；在相對高級的功率工作模式下，當刀盤的轉速比較低，或者刀盤轉矩出現大幅度升高，切換較高的功率工作模式；當刀盤轉矩與轉速變化不大時，系統輸入功率不變。這樣通過控制變頻器來改變電動機的輸出功率，實現功率的切換，以適應不同地質層掘進工況的需要。通過改變變量泵的排量使系統在每一級工作模式下實現恒功率調速。

為實現電動機、外負載和變量泵正常工作時盡可能地降低功率，對液壓系統接收傳感器的輸送信號進行了整合分析，并編寫相應的模糊規則，自動選擇多級功率的最優模式控制系統的輸出功率，提高系統的節能，圖2為刀盤液壓驅動系統控制流程圖。

盾構機在地下掘進工作時，安裝在刀盤上的傳感器接收信號，將接收信號通過轉矩、轉速傳感器傳輸給控制器模糊控制模塊后作為輸入信號，結合施工經驗總結的地層資料進行整合制定的控制規則進行輸出，變頻器接收到功率信號根據電機的需求輸送給電動機相應電流電壓。變頻器調節電機轉速并將電動機功率設定為恒定轉矩模式，控制電動機輸出轉矩恒定。盾構機在穿越不同地質層時，負載波動較大，刀盤轉矩轉速變化較大時，能夠實現功率的智能切換。

2 系統建模

2.1 AMESim液壓模型

根據液壓系統原理圖，在AMESim[9]軟件中選取相應元件搭建液壓系統仿真模型如圖3所示。在構建液壓系統模型中，將實際變量泵和定量馬達的容積損失通過1個液阻模擬，模型中的一些元器件由AMESim中的HCD庫元件靈活組建。使用信號與控制庫中的元件搭建變量控制模塊，控制器收集到電動機轉速信號及負載壓力信號進行分析處理，最后經函數運算，完成電動機功率與轉速的切換以及變量泵排量的調節。通過AMESim軟件仿真分析，合理設置相關參數尤其重要。因變量泵內部伺服控制機構復雜，參數的選取對仿真結果影響較大，因無法獲取準確參數，故直接使用AMESim軟件機械庫中的變量泵模型，液壓泵的排量由電信號控制，系統主要模型參數如表1所示。

圖3 盾構刀盤液壓驅動系統模型

表1 液壓系統主要仿真參數表

設置為三級功率模式，即輕載模式(60%全功率)、經濟模式(80%全功率)、滿載模式(100%全功率)[17]。盾構機在黏土、硬土、軟巖、硬巖等不同地質層施工時，刀盤的負載會有大幅度的波動，所以根據實踐總結，將負載的大小依據不同的功率模式劃分成相應區域，對比刀盤運轉時的外負載大小，再以S函數的形式將得到的負載誤差與轉速信號導入MATLAB/Simulink之中，液壓系統功率的輸出依賴相應的模糊控制及其算法來控制，從而達到系統輸出功率與外負載的最佳配合。除此之外，功率模式的選擇還可采用手動進行調節，根據實際工況需求通過繼電器來完成不同模式的切換。

2.2 MATLAB/Simulink控制模型

液壓系統的仿真模型是在AMESim中進行搭建的，而依據設計內容結合控制要求，控制部分的系統模型則在Simulink中完成創建。通過在Simulink豐富的模型庫中選擇合適的器件建立相應的控制模型如圖4所示。在模糊控制應用的控制模型系統中，利用負載誤差及誤差變化率來輸出系統的功率信號。盾構機在開挖過程中，若刀盤轉速過低，負載波動會引起刀盤卡死；若刀盤轉速過高，會使巖土斬切脫落較快，使輸送機構過載以及影響地層。控制系統通過對刀盤進行限速，當刀盤轉速持續過高或過低都將觸動功率信號，從而完成最佳功率模式的匹配換檔，以此保證刀盤正常運轉、盾構機正常施工。

3 模糊控制器的設計

3.1 模糊控制器的確定

選擇二維T-S型結構的模糊控制器， 結構如圖5所示。模糊控制器設T(負載誤差)、TC(誤差變化率)、U(過去輸出信號)3個輸入變量，輸出端由{N1，N2，N3}3個分段函數覆蓋掉清晰化模塊，將輸出的清晰值進行運算取整，值域U取值{1，2，3}。輸入變量U的取值1代表液壓系統功率工作模式的經濟模式，2對應輕載模式，3則是滿載模式，由此可見，系統動力的輸出由控制信號整合各大模塊運算及放大處理決定。

圖4 Simulink控制模型

圖5 模糊控制器結構設計圖

3.2 模糊子集與論域的選取

以負載誤差T和誤差變化率TC為兩個模糊輸入變量，其模糊集定義為{NB，NS，ZE，PS，PB}，其論域在經過量化處理后對應的取值范圍均為[-6，6]。兩個輸入變量負載誤差和誤差變化率的隸屬度函數圖形如圖6和圖7所示。

圖6 負載誤差T的模糊集隸屬度函數

圖7 誤差變化率TC的模糊集隸屬度函數

輸入變量U的取值是{1，2，3}，沿用上一個循環周期的輸出量，上一個循環周期是作為三個分段函數輸出的運算基礎，故取值減少1或增加1或保持不變，輸入變量U的隸屬度值恒為1，函數圖像如圖8所示。

3.3 模糊控制規則的確定

模糊控制根據盾構機運用經驗得出，當刀盤負載小且無波動時，模糊控制器下調相應的功率工作模式或者維持現狀；刀盤負載大且有向上的趨勢時，調高功率工作模式。

圖8 輸入變量U的模糊集隸屬度函數

依據經驗總結出25條模糊控制器的控制規則，模糊邏輯規則控制表如表2所示。

表2 模糊邏輯規則控制表

4 聯合仿真分析

盾構機的施工環境復雜多變，在地下進行開挖、襯砌過程中難免會遇到淤泥、軟土、軟巖、硬巖和破碎含水等地層，復雜多變的地質條件會造成刀盤的負載扭矩波動。

范圍大，負載變換也要求盾構機輸入功率相應變化。在此通過AMESim結合Simulink聯合仿真來模擬盾構機進行實際施工時的情況，從而研究液壓系統工作的實際特性。為了研究盾構刀盤的負載扭矩與電動機輸出功率、刀盤轉速以及系統效率等之間的有何關聯，采用聯合仿真且將恒功率控制下的液壓系統與其工況進行對比分析，從而驗證在刀盤液壓驅動系統中引入智能變功率控制策略方案的正確性。

根據需求完成聯合仿真的每個模塊參數設置，然后啟動MATLAB軟件中的Simulink進行聯合仿真。模擬了某型盾構機設備在穿越不同工況時刀盤外負載扭矩實時變化，如圖9所示。從圖中可以明顯地看出，在0～4 min盾構機工作一直在同一地質層，刀盤負載扭矩開始出現波動發生在380 kN·m上下，隨后地質條件發生變化，即對應圖中負載扭矩曲線逐漸達到最大值，而后在11 min開始緩慢下降，直至16 min附近負載扭矩在800 kN·m左右維持不變，地質條件基本不再變化。

圖9 盾構刀盤負載曲線圖

在圖9所示的刀盤外負載下，盾構刀盤進行工作時，其輸出的電動機輸出功率對比如圖10所示，在恒功率控制的盾構刀盤液壓驅動系統中，電動機輸出功率恒為185 kW。由于實際工作的電動機會受其他因素影響有一定的功率流失，使得輸出功率達不到額定功率。電動機的功率輸出信號又受液壓系統的智能控制，使液壓系統在復雜多變的施工環境下自動調節并匹配的相應的電機輸出功率，實現系統隨外負載的變化而變化。智能控制下的電動機輸出功率在0～6 min 穩定在112 kW，對應三種模式下的輕載模式；接著穿越地質層，6～9 min電機輸出功率達到150 kW，在經濟模式下工作；9～15.5 min電機功率達到峰值185 kW，工作模式對應滿載模式；隨后的15.5 min之后，又自動切換到經濟模式。

圖10 電動機輸出功率對比圖

傳統的恒功率控制系統是按照外負載的最大功率計算輸出功率的，而該智能變功率控制系統的外負載的電機功率是根據負載的變化而自動調節的，對比可知，智能控制系統在適應多變負載的基礎上有效的避免了功率浪費，節約了能量。該刀盤液壓驅動系統與傳統的恒功率控制系統相比，能根據負載大小與刀盤轉速，自動選擇相應的功率工作模式。由圖11可知，在智能切換功率級別模式下，變量泵的輸出功率與電動機的輸出功率非常接近，然后隨著負載扭矩的增大，變量泵和電動機兩者之間的功率損耗有些許增加，但綜合來看，在變量泵不過載的前提下，電動機的功率利用率高，降低了功率損耗。

圖11 變量泵與電動機的輸出功率對比圖

設計的智能控制與傳統控制的盾構刀盤液壓驅動系統的轉速對比如圖12所示。從圖中整體來看刀盤的旋轉速度趨于穩定，這與刀盤本身重量大、慣性大的特性密不可分。由圖可以看出傳統控制的液壓恒功率控制系統中，液壓系統功率是按照最大工作負荷確定，外負載大小的不確定性影響刀盤的旋轉速度，當外負載較大時刀盤旋轉速度低，外負載較小時刀盤旋轉速度較高。智能控制的液壓系統刀盤的轉速波動范圍相比就較小，因功率是根據外負載的實時變化進行自動調節，故也可通過手動調節實現功率的切換。

圖12 刀盤轉速對比圖

當盾構機實際施工帶動整個刀盤運轉時需要耗費很大的功率，故從提高刀盤的工作效率來達到節能降耗事半功倍。傳統控制與智能控制下的液壓系統工作效率圖如圖13所示。圖中顯示，外負載低時系統的工作效率就低，外負載高時效率也越高，即系統的工作效率與外負載成正相關；而當功率越低時，系統的工作效率反而是越高。概括來說，當外負載一致時，智能變功率液壓系統的工作效率更高。

5 結論

(1) 設計了一種應用于刀盤液壓驅動系統的智能切換功率級別與恒功率控制相結合的控制策略， 并對系統功率輸出編寫相應的模糊控制程序。電機功率可依據負載變化而自動或手動完成調節，使液壓系統中負載、電機及變量泵運行時更加節能降耗；

圖13 系統效率對比圖

(2) 系統伺服變量機構采用電控方式，相比于傳統的液控方式去除了復雜的閥組和油路，簡化了系統結構，提高了系統控制精度；

(3) 盾構液壓驅動系統的仿真證明了智能變功率控制策略的正確性和可行性，智能切換功率級別與恒功率控制相結合的控制策略比傳統恒功率控制模式下的系統工作效率有較大的提升，且刀盤轉速隨負載波動范圍小。