CN106402049A - 一种盾构管片拼装机回转运动电液控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构管片拼装机回转运动电液控制系统，其包括电机、定量泵、溢流阀A、油箱、三位四通比例换向阀、液压马达、速度传感器、第一平衡阀、第二平衡阀、第一蓄能器、第二蓄能器、第一溢流阀B、第二溢流阀B及变速积分比例积分控制器；其中定量泵的吸油口与油箱相连，出油口分别与溢流阀A、三位四通比例换向阀的进油口相连；三位四通比例换向阀的两个出油口分别与第一平衡阀、第二平衡阀相连，且控制端由变速积分比例积分控制器进行控制；第一溢流阀B、第二溢流阀B被分别连接于液压马达两侧的管路上；本发明采用变速积分比例积分控制提高了系统的稳定性，且利用蓄能器吸收流量脉动的能力，消除了启动阶段的振荡冲击。

Description

一种盾构管片拼装机回转运动电液控制系统

技术领域

本发明涉及流体压力执行机构，具体的说是涉及盾构管片拼装机回转运动的电液控制系统。

背景技术

盾构机是在可移动钢结构护盾掩护下完成开挖、排碴、衬砌等掘进作业，用于隧道开挖和成形的光机电液一体化大型复杂装备，可实现复杂地质条件和多场耦合等地下极端环境中的自动化和工厂化隧道作业，运用盾构机掘进隧道具有进尺速度快、施工工期短、对环境影响程度低、综合经济效益高等优点，是目前国内外进行隧道施工的主要选择。

管片拼装机是盾构机中关键的一部分，负责管片的拼装工作。在盾构施工过程中，随着盾构机的开挖、推进和出碴，挖好的隧道需要用预先制好的混凝土管片进行永久性支护，管片拼装机负责将管片准确地安装到刚开挖的隧道表面，施工人员将移动到位的管片用螺栓等进行紧固，使管片构成能够承受地层压力的衬彻。为了实现这些功能，管片拼装机需要具有六个自由度，且在工作时，首先从管片运输车上抓取管片，之后通过沿隧道轴向、隧道径向的移动和绕隧道轴向的回转将管片送至目标位置，然后通过俯仰、偏转和横摇三种姿态调整方式对管片姿态进行调整，使其与预定位置配合良好。

由于管片拼装机回转系统具有管片质量大、回转半径大且回转角度大的特点，因而导致其转动惯量大且负载力矩大，系统在启动阶段会有很大的冲击力矩，不易进行控制。且现行管片拼装机回转运动采用开环控制系统的转速，通过手动控制比例阀的油口开度控制进入液压马达的流量，进一步控制马达转速，由于系统转动惯量大且负载力矩大，系统在启动时存在很大的冲击力矩；另一方面，现行管片拼装回转运动电液控制系统在启动时，由于系统压力不会瞬间建立，平衡阀的开启有一延迟，系统在这一阶段会出现速度振荡，导致振荡冲击。因此，现行管片拼装机回转运动电液控制系统在此方面仍然存在较大的改进空间。

为了更好地延长管片拼装机回转运动电液控制系统的寿命，关键是降低系统启动阶段的冲击力矩，通过对系统控制方式进行改进及液压回路的改进，对降低系统启动阶段的冲击力矩具有重大意义。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种管片拼装机回转运动电液控制系统，本系统能够有效避免系统在启动时产生较大冲击力矩，且解决了启动时存在的冲击振荡问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种盾构管片拼装机回转运动电液控制系统，其特征在于：包括电机、定量泵、溢流阀A、油箱、三位四通比例换向阀、液压马达、速度传感器、第一平衡阀、第二平衡阀、第一蓄能器、第二蓄能器、第一溢流阀B、第二溢流阀B以及变速积分比例积分控制器；其中，所述电机与定量泵刚性连接；所述定量泵的吸油口与所述油箱相连，其出油口分别与溢流阀A、三位四通比例换向阀的进油口相连；所述三位四通比例换向阀的中位机能为Y型机能，其两个出油口分别与第一平衡阀、第二平衡阀相连，且控制端由变速积分比例积分控制器进行控制；所述第一平衡阀、第二平衡阀的进油口与所述三位四通比例换向阀相连，且两个平衡阀出油口分别与所述液压马达两侧的管路相连；所述第一蓄能器连通在液压马达与第一平衡阀之间的管路上，所述第二蓄能器连通在液压马达与第二平衡阀之间的管路上；所述第一溢流阀B、第二溢流阀B被分别连接于所述液压马达两侧的管路上，且第一溢流阀B与第二溢流阀B的进出油口方向相反；所述速度传感器用于获取液压马达当前转速，其被固定安装于所述液压马达的输出轴上。

进一步，作为本发明的优选方案，

所述变速积分比例积分控制器实施速度控制的具体方法为

在第k时刻，所述变速积分比例积分控制器的控制算法为：

其中：u(k)为控制器的输出值，T为采样时间，e(k)为在k时刻给定的速度信号r与速度传感器检测到的速度v_实的差值函数即e(k)＝r-v_实，上述公式以比例积分控制器的比例作用常数K_P作为所述变速积分比例积分控制器的比例系数，函数f[e(k)]为变速积分比例积分控制器第k时刻的积分作用系数，则变速积分比例积分控制器第k时刻的积分系数为f[e(k)]×K_I，K_I为比例积分控制器的积分作用常数，且

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明采用了变速积分比例积分控制的速度控制方式，可以更好地对管片拼装机回转运动的速度进行控制，其通过速度偏差信号不断改变积分系数，在当前速度与速度信号差距较大时，使得积分系数较小，进而减小初始阶段的冲击，在当前速度与速度信号差距较小时，使得积分系数较大，进而提高系统的稳定性，以此降低系统的最大冲击力矩；

2、本发明同时对液压系统做了改进，通过增加蓄能器，利用蓄能器吸收流量脉动的能力，消除了系统在启动阶段的速度波动，故而消除了启动阶段的振荡冲击。

附图说明

图1是本发明具体实施的原理示意图；

图2是两种管片拼装机回转运动电液控制系统的速度阶跃响应图；

图3是两种管片拼装机回转运动电液控制系统的启动冲击图；

图4是本发明变速积分比例积分控制器中积分作用系数曲线；

图中：1、电机，2、定量泵，3、溢流阀A，4、油箱，5、三位四通比例换向阀，6、第一平衡阀，7、第一蓄能器，8、第一溢流阀B，9、液压马达，10、速度传感器，11、第二溢流阀B，12、第二蓄能器，13、第二平衡阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所述的盾构管片拼装机回转运动电液控制系统，其特征在于：包括电机1、定量泵2、溢流阀A 3、油箱4、Y型机能的三位四通比例换向阀5、第一平衡阀6、第一蓄能器7、第一溢流阀B 8、液压马达9、速度传感器10、第二溢流阀B 11、第二蓄能器12、第二平衡阀13以及变速积分比例积分控制器。

其中，电机1与定量泵2刚性连接；定量泵2的吸油口S与所述油箱4连接，出油口P与溢流阀A ₃进油口P₃及三位四通比例换向阀5的进油口P₅连接；所述三位四通比例换向阀5的出油口A₅连接第二平衡阀13的油口P₁₃，另一出油口B₅连接第一平衡阀6的油口P₆，其控制端a₅由变速积分比例积分控制器控制；所述液压马达9的油口A₉分别与第二溢流阀B 11的油口T₁₁、第一溢流阀B 8的油口P₈、第二蓄能器12的油口P₁₂以及第二平衡阀13的油口T₁₃连通；同时所述液压马达9的油口B₉分别与第二溢流阀B 11的油口P₁₁、第一溢流阀B8的油口T₈、第一蓄能器7的油口P₇以及第一平衡阀6油口的T₆连通；所述第一平衡阀6和第二平衡阀13的控制端分别由第二平衡阀13和第一平衡阀6的油口T₁₃和T₆的压力控制，所述两平衡阀主要用来保证系统在超越负载下不会失稳；第一蓄能器7的油口P₇和第二蓄能器12的油口P₁₂各自分别与第一平衡阀6的油口T₆和第二平衡阀13的油口T₁₃连通，用来吸收系统在启动阶段的流量脉动；所述第一溢流阀B 8和第二溢流阀B 11都连接在液压马达两侧，且进出油口方向相反，以防止控制系统在卡住时压力过高损坏该控制系统；第一溢流阀B 8的油口P₈与第二平衡阀13的油口T₁₃及液压马达9的油口A₉连通，其另一油口T₈与第一平衡阀6的油口T₆及液压马达9的油口B₉连通，第二溢流阀B11的油口P₁₁与第一平衡阀6的油口T₆及液压马达9的油口B₉连通，其另一端的油口T₁₁与第二平衡阀13的油口T₁₃及液压马达9的油口A₉连通；所述速度传感器10固定安装在液压马达9的输出轴上，用于获取液压马达9当前转速v_实。

上述盾构管片拼装机回转运动电液控制系统的具体工作方式如下：

系统的电机1得电启动，驱动定量泵2转动；定量泵2的油口S从油箱4中吸油，其输出的压力油通过出油口P分别进入溢流阀A 3的进油口P₃和三位四通比例换向阀5的进油口P₅；在系统正常工作时，溢流阀A 3处于开启状态，多余的流量从定量泵2的出油口P经溢流阀A 3回到油箱4，且系统稳定压力为溢流阀A 3所设定压力；

当驱动管片拼装机进行回转运动的液压马达9顺时针旋转时，液压马达9油口A₉通高压油，B₉油口通低压油，此时三位四通比例换向阀5左侧电磁铁a₅得电，使得三位四通比例换向阀5的油口P₅和A₅接通，T₅和B₅接通，系统的压力油通过三位四通比例换向阀5的油口P₅和A₅进入第二平衡阀13的油口P₁₃，此时由于液压马达的油口B₉还没有流量，故第二平衡阀13的控制端压力为0，处于左位工作，压力油克服平衡阀开启压力后，通过第二蓄能器12的油口P₁₂对该蓄能器进行冲液，同时压力油流经第一溢流阀B8的油口P₈和第二溢流阀B11的油口T₁₁后，进入液压马达的油口A₉；压力油进入液压马达9后，液压马达9开始顺时针旋转，液压油从液压马达9的油口B₉流出后，经第一溢流阀B 11的油口P₁₁、第一溢流阀B 8的油口T₈和第一蓄能器7的油口P₇后，到达第一平衡阀6的T₆油口，此时由于系统压力尚未建立，第一平衡阀6的控制端压力不能使该平衡阀左位工作，液压油不能通过该平衡阀回油，对第一蓄能器7进行充液，当液压马达左侧压力达到第一平衡阀6的控制压力后，第一平衡阀6左位开始工作，液压油经第一平衡阀6流到三位四通比例换向阀5的B₅油口，由回油口T₅流回油箱4；当系统遇到特殊情况使液压马达9不能正常工作时，液压马达9左侧油口A₉压力会急剧上升，当超过第一溢流阀B 8的开启压力后，压力油通过第一溢流阀B8的油口P₈和T₈进入系统右侧回路回油，且第一溢流阀B 8和第一溢流阀B 11设定压力为系统安全压力。当系统暂时停止工作时，由电磁铁a₅控制比例换向阀5处于中位，液压马达5由外部机构锁住不动，其两侧压力在能开启第一平衡阀6和第二平衡阀13时，左侧压力油通过第二平衡阀T₁₃和P₁₃油口以及比例换向阀5的A₅和T₅油口回油，右侧压力油通过第一平衡阀T₆和P₆油口以及比例换向阀5的B₅和T₅油口回油，直至两平衡阀控制端压力低于其开启压力，剩余液压油被锁在两平衡阀与液压马达管路中。同时由于本发明所述液压系统是完全对称，当驱动管片拼装机进行回转运动的液压马达9逆时针旋时，工作过程与顺时针旋转类似，这里不再赘述。

具体的，作为本发明的优选方案，所述变速积分比例积分控制器对该系统实施速度控制的具体方法如下：

首先设定给定速度信号r，通过安装在液压马达9的转轴上的速度传感器10检测当前速度v_实，在k时刻给定速度信号与当前速度的差值记为e(k)，作为比例积分控制器控制器的输入，即e(k)＝r-v_实；

其次使用经验凑试法、衰减曲线法或者响应曲线法等工程上常用的方法，整定管片拼装机回转运动电液控制系统的比例积分控制器参数，即获得比例积分控制器的比例作用常数K_P，积分作用常数K_I；

再次设计变速积分比例积分控制器：以所获得的比例积分控制器的比例作用常数K_P作为变速积分比例积分控制器的比例系数，且变速积分比例积分控制器第k时刻的积分作用系数为f[e(k)]，则变速积分比例积分控制器第k时刻的积分系数为f[e(k)]×K_I；

则对应的变速积分比例积分控制算法可以表示为

其中：u(k)为控制器的输出值，T为采样时间，e(k)为在k时刻给定的速度信号r与速度传感器检测到的速度v_实的差值函数，即e(k)＝r-v_实，K_I为比例积分控制器的积分作用常数，且i是变量，表示从0到k-1时刻偏差的叠加函数；

最后将速度传感器10的实际测量值v_实与速度信号值r的偏差送入前述变速积分比例积分控制器，将变速积分比例积分控制器所输出的计算结果送入三位四通比例换向阀5的控制端a₅以控制其开度，进而控制液压马达9的转速。

实施实例：

设定管片拼装机回转运动转速为6r/min，信号为阶跃信号，使用AMESim软件建立如图1所述模型并进行仿真，整定出控制其参数K_P＝1，K_I＝360，故

则第k时刻的变速积分比例积分控制器参数：比例作用常数1，积分作用常数f[e(k)]×360。

上述盾构管片拼装机回转运动电液控制系统的速度响应及冲击力矩情况如图2和图3所示，图中显示了与现有技术的对比，从图2中可以看出，本发明消除了系统超调，但调整时间有所增加；从图3中可以看出，本发明消除了启动阶段的振荡冲击，且最大冲击大大减小；图4则显示了变速积分比例积分控制器积分作用系数在阶跃响应中的变化情况。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种盾构管片拼装机回转运动电液控制系统，其特征在于：包括电机、定量泵、溢流阀A、油箱、三位四通比例换向阀、液压马达、速度传感器、第一平衡阀、第二平衡阀、第一蓄能器、第二蓄能器、第一溢流阀B、第二溢流阀B以及变速积分比例积分控制器；其中，所述电机与定量泵刚性连接；所述定量泵的吸油口与所述油箱相连，其出油口分别与溢流阀A、三位四通比例换向阀的进油口相连；所述三位四通比例换向阀的中位机能为Y型机能，其两个出油口分别与第一平衡阀、第二平衡阀相连，且控制端由变速积分比例积分控制器进行控制；所述第一平衡阀、第二平衡阀的进油口与所述三位四通比例换向阀相连，且两个平衡阀出油口分别与所述液压马达两侧的管路相连；所述第一蓄能器连通在液压马达与第一平衡阀之间的管路上，所述第二蓄能器连通在液压马达与第二平衡阀之间的管路上；所述第一溢流阀B、第二溢流阀B被分别连接于所述液压马达两侧的管路上，且第一溢流阀B与第二溢流阀B的进出油口方向相反；所述速度传感器用于获取液压马达当前转速，其被固定安装于所述液压马达的输出轴上。

2.根据权利要求1所述的盾构管片拼装机回转运动电液控制系统，其特征在于：

所述变速积分比例积分控制器实施速度控制的具体方法为

在第k时刻，所述变速积分比例积分控制器的控制算法为：

$u\left(k\right)=K_{P}e\left(k\right)+K_I\{\underset{i=0}{\overset{k-1}{\Σ}}e\left(i\right)+f\[e\left(k\right)\]e\left(k\right)\}T$

其中：u(k)为控制器输出，T为采样时间，e(k)为在k时刻给定的速度信号r与速度传感器检测到的速度v_实的差值函数，即e(k)＝r-v_实，上述公式以比例积分控制器的比例作用常数K_P作为所述变速积分比例积分控制器的比例系数，函数f[e(k)]为变速积分比例积分控制器在第k时刻的积分作用系数，则变速积分比例积分控制器在第k时刻的积分系数为f[e(k)]×K_I，K_I为比例积分控制器的积分作用常数，且

$f\&lsqb;e\left(k\right)\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|e\left(k\right)\right|\&le;r/3\\ \frac{r^2-e{\left(k\right)}^2}{r^2}+0.1& r/3<\left|e\left(k\right)\right|\&le;r\\ 0.1& \left|e\left(k\right)\right|>r\end{array}\right..$