淺談異形盾構三刀盤同步控制方法

黃圣

（上海隧道工程機械制造分公司，上海 200137）

1 研究背景和目的

1.1 項目背景

在異型盾構的制造技術中，異型斷面的切削組成形式有很多種選擇方案，通過土壓平衡型盾構機在施工過程中對前方土體的擾動影響分析中發現，全斷面切削可以使土體的擾動達到最小，經過全斷面異型盾構設計可行性研究，及對多動力源驅動大刀盤扭矩平衡控制系統的掌握，提出了以3 個圓形大刀盤在一工作面上進行大斷面切削的刀盤驅動模式。同一平面上的左中右3 個大刀盤的運轉軌跡有部分重疊，如圖1。

圖1 三刀盤結構

由于切削面在同一個平面上，如果控制不當，可能會產生左中，中右刀盤互相干涉的情況，造成刀盤損壞，這對工程的正常施工和設備的維護會帶來非常嚴重的影響，故需要研究一種具有高可靠性的控制方法，避免同一平面上3 個刀盤在運轉時的互相干涉，從而使3 個刀盤能在異型斷面內進行全斷面的連續的切削。

1.2 原有多刀盤控制技術

在市場上，三圓盾構本身比較少見，而且一般異性多刀盤盾構機一般的切削面會選擇設計在不同平面上，很難找到可以參考的產品。多刀盤的角度差控制一般根據盾構機的刀盤形式，在雙圓盾構中運用的比較廣泛，其代表產品有日本三菱重工和石川島播磨，于2004 年在國內應用于上海軌道交通的區間隧道施工中,其對多刀盤同步角度差的控制比較簡單，是根據角度差控制的邊界條件來進行刀盤運行的強制停止，而在上海隧道的類矩形盾構機的中運用的同步控制方式，可以動態的控制兩個刀盤的角度差，在控制性能上有著顯著的提升。

1.3 研究目的

通過對原有的雙刀盤同步控制系統進行研究，依據目前多刀盤的結構特點和施工要求，為了增加施工的連續性和可靠性，需要研究一種在掘進過程中能動態的、實時的對角度偏差進行同步控制的三刀盤同步方法。

2 同步控制系統模型

2.1 刀盤驅動方式選擇

一般刀盤的驅動形式有著油馬達，雙速電機加離合器和變頻器兩種驅動形式，油馬達形式的大刀盤驅動有著負載平衡響應快的特點，但其調速性能比較差。雙速電機加離合器的驅動方式無法對刀盤速度進行微調。變頻驅動的方式既能通過對刀盤電機的機械特性軟硬度的調整達到負載均衡的目的，又可以通過頻率的調整對多刀盤的速度控制進行微調。故選擇使用變頻驅動方式作為大刀盤的動力源。

相對于其他兩種驅動方式，變頻驅動可以通過軟件方式對3 個刀盤分別進行分段的加、減速控制。并能在緊急狀態下通過剎車電阻實現快速制動功能，來保證刀盤啟動和停止過程的安全性。同時在3 個刀盤運行過程中可以通過快速的偏差響應，對運行中產生的角度偏差進行實時調整。

2.2 控制模型

三刀盤旋轉同步修正,不同于雙刀盤的同步修正，因為存左中，中右兩種可能干涉的刀盤關系，如果作為整體系統進行考慮，那就有三個刀盤轉速三個控制變量及兩個角度差兩個控制目標，控制模型會非常復雜。在這個項目中，我們對控制系統進行簡化，講中間的刀盤從控制系統中剔除，其作為開環控制，根據設定頻率進行旋轉，而其他左右兩個刀盤的轉速通過于主刀盤角度的差值計算進行閉環控制，這樣就把一個復雜的系統分解為簡單的左中，中右兩個只有一個控制量和一個控制目標的控制模型。顯然這樣的控制模型更好在系統內搭建及運行。

圖2 刀盤角度控制系統圖

在3 個圓形大刀盤驅動裝置的中心位置安裝刀盤位置、速度檢測裝置，就可以實時測定三個刀盤的轉速和角度。采用在變頻器中設定的加速時間和分段加速的方式，保證刀盤啟動期間運轉的安全。在三個刀盤運轉期間，通過專用控制算法和手段，實時計算三刀盤角度差后通過防干涉的算法來及時調整刀盤轉速，從而保證刀盤不發生相互干涉，并確保刀盤扭矩的同步，如圖2 所示。

在刀盤停止期間，通過可控的制動方式及刀盤角度的實時反饋來控制刀盤快速停止在預定的位置上，并且保證了兩刀盤之間安全的角度差，如圖3 所示。

圖3 雙刀盤停止控制系統圖

2.3 控制方式選擇

多刀盤的同步控制從控制形式上看是一個運動系統，其控制的刀盤的轉速這一向量及多刀盤之間的角度差；由于其運動空間受限，為多個重疊的刀盤切削面，并且其速度方向的限制，只是旋轉速度。故并不需要進行運動學的一些計算，可以簡化為一種過程控制來進行分析。

選擇工程上經常使用的PID 控制器，主要原因有兩點，首先是PID 控制是一種非常成熟的控制方式，其次現有的主流可編程序控制器都帶有PID 控制模塊，可以使整個控制流程都集成在系統本身的硬件中，不需要再經過運動控制器進行運算處理。

在PID 控制算法中，其輸入e(t）與輸出u(t）的關系為：

u(t)=kp[e(t)+1/TI ∫e(t)dt+TD×de(t)/dt]

式中積分的上下限分別是0 和t。

因此它的傳遞函數為：

G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI×s)+TD×s]

其中kp 為比例系數；TI 為積分時間常數；TD 為微分時間常數。其工作原理如圖4 所示。

圖中r 為設定值，y 為輸出值，e 為兩者之間的誤差，通過MatLab 仿真，可以得到一個經典的PID 控制輸出的曲線，如圖5 所示。

圖5 是一個比例常數為2，積分常數為20，微分常數為1 的PID 控制系統，我們可以看到，在有小幅震蕩后系統很快自動達到了系統的設定值。這符合對雙刀盤同步驅動系統的控制要求。

圖4 PID 控制系統圖

圖5 Matlab PID 仿真

2.4 控制系統的組態

根據所確定的刀盤驅動型式、控制模型和控制方法，具有偏差同步控制的系統框圖如圖6 所示。

圖6 三刀盤控制系統組態

3 結語

通過上述研究，可以得到一個對于同一切削平面的三刀盤同步控制系統，該系統可以對在同一切削平面上相互干涉的三個刀盤進行控制，達到保持系統平衡，避免干涉的效果。