3 推进液压系统同步控制策略
推进液压系统由带PID 控制模块的PLC 来实现其控制功能,因此基本控制算法可直接在PLC 中实现[7 ] 。如图9 所示,位移Y2 能很好地跟踪位移Y1的关键在于位置控制器和补偿校正器的设计。控制系统中由于PLC 支持普通PID 控制这一功能,因此,编程时直接可利用闭环控制模块来编译位置增量式PID 程序,并在其中嵌入补偿控制程序。
图9 主从式同步控制原理图
图10 为推进液压系统同步PID 控制中补偿校正器PLC 部分程序图,图10 中软元件指令代表含义如下:
输入软元件:X13 ———同步控制程序开关。
数据寄存器软元件:D3021 ———2 号液压缸位移;D3024 ———5 号液压缸位移; D4050 ———位移比较值; D4051 ———位移比较值PID 反馈值;D712 ———同步控制PID 输出值;D888 ———中间过程值。
通信用寄存器软元件:W179 ———2 号液压缸调速输出;W188 ———5 号液压缸调速输出。
图10 同步补偿校正器PLC部分程序梯形图
如图10 所示,假定两个液压缸的同步控制误差为±3mm ,转换成PLC 中的数字量即为K8 。如果2 号液压缸和5 号液压缸的位移差在误差范围内,则直接把2 号液压缸的调速输出值赋给5号液压缸;如果误差大于3mm ,则把换算后的同步PID 控制输出值连同上一次的5 号液压缸调速输出值一起赋给下一次5 号液压缸的调速输出;如果误差小于- 3mm ,则用上一次的5 号液压缸调速输出值减去换算后的同步PID 控制输出值,赋给5 号液压缸的调速输出。按照上面的设计方法,在PID 程序中嵌入主从式补偿控制程序,调节好3 个PID 参数,即可使液压缸保持同步推进。
4 推进液压系统同步控制试验分析
图11～图14 是轻载时推进液压系统同步控制的相关试验曲线图。用一个装满砂土的土箱放在推进液压缸有杆腔的前方作为模拟负载,推进时液压缸克服土箱的摩擦阻力前进。试验中采用左右对称的2 号液压缸和5 号液压缸推进。
刚开始推进时,在控制面板上把两个液压缸的调速旋钮旋至近80 %开度,180s 时把2 号液压缸速度的调速旋钮旋开度降至60 %,400s 时停止推进。
图11 为液压缸速度曲线图,从图10 可以看出,刚开始调速时,两个液压缸的速度上升比较快,而且速度几乎没有产生超调,稳定时液压缸速度接近240mm/ min 。180s 开始调速时,2 号液压缸能很好地进行响应,此时跟随的5 号液压缸速度响应特性也很好,稳定后两个液压缸速度接近150mm/ min 。
图12 和图13 分别为液压缸位移曲线图及位移差曲线图,从图12 和图13 可以看出,在两个调速阶段,两个液压缸的位移同步性能比较好,最大同步误差范围基本在±2mm 内,满足设计要求。图14 为液压缸压力曲线图,从图14 可以看出两个液压缸的压力始终相差013MPa 左右,这是由于推进时土箱与两侧导轨间的摩擦阻力系数不同造成的。这种情况同时也说明了同步控制策略的正确性,即不管负载如何变化,液压缸都能在误差范围内进行同步推进。
图15～图18 是模拟在黏土层中推进时同步控制的相关试验曲线图。推进时模拟土箱通过对囊袋加水加压模拟地下加载情况,试验时在控制面板上把两个液压缸的调速旋钮旋至近30 %开度,400s 时停止试验。从图15 的速度曲线看来,2 号液压缸的速度比较平滑, 基本上稳定在36mm/ min 左右;而5 号液压缸速度则有些波动,不过也基本上稳定在36mm/ min 左右。总的来说两个液压缸的速度跟随性比较好,这与图6 的速度仿真曲线基本一致。
从图16 及图17 的位移曲线图及位移差曲线图可以看出,在整个推进阶段,两个液压缸的位移同步性比较好,最大同步误差不超过±3mm ,满足控制要求。图18 为两个推进液压缸的压力曲线图,从图18 可以看出,两个液压缸的压力始终有个差值,这是由土箱内囊袋模拟加载时两侧不均匀以及掘进时盾构机头姿态有所改变造成的。
5 结束语
对推进液压系统的多缸同步协调控制进行了仿真和试验分析,比较了两种不同负载情况下的同步推进。仿真和试验结果表明:采用主从式同步PID 控制策略能较好地实现推进系统的同步协调运动, 并且液压缸的同步精度可控制在±3mm之间,能够基本满足盾构在不同工况下的同步掘进要求。
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