盾構推拼同步中比例閥閉環控制的PID設計與實現

張 敏

(上海隧道工程有限公司，上海 200137)

1 推拼同步中比例閥比例泵精確控制的重要性

由于推拼同步系統的本質是在部分千斤頂缺位的前提下對推進系統進行壓力控制，使盾構千斤頂的合力矩保證和姿態軸線相近，通過油缸內置行程傳感器和數據采集測量系統對盾構姿態和狀態的實時監測，判斷盾構當前所處姿態和設計軸線偏差，自動控制各油缸輸出不同壓力，在拼裝時針對部分千斤頂縮回缺位的情況下，通過PLC算法計算出該分區目前壓力，并比較其他分區壓力和軸線偏差狀態，計算得出目前本分區所需壓力，通過對該分區其他油缸油壓提升補償來保證每個分區的壓力和姿態穩定。在地下開挖中會遇到各種的地層，如淤泥、黏土、砂層、硬巖等[1]。因此各部分受力也有差異，實際控制油壓有些許變化，須實時調整壓力。

推拼同步中需要精確控制比例閥的開度，在算法程序設計上需要精準反饋出當前狀態，并且推送出精確的油壓值，從而確保在千斤頂缺位的情況下試驗機姿態和速度的穩定。而控制油壓和流量是通過控制比例閥的開度來控制的。因此需要做到比例閥的精確控制，這對比例閥和閥控制模塊以及PLC的程序設計提出了考驗。比例閥一般多用于開環控制，用于閉環控制的不多見，特別是高質量的系統更少見。由于比例閥本身的特性，如滯環、非線性等，使一般的系統難以達到較好的效果[2]。系統中若用可編程控制器控制，則可用軟件方法對其實施補償，這樣即可較好地解決非線性滯環等問題[3]。因此，根據各千斤頂的油壓傳感器，通過油壓計算出各區推力，再通過PID自動控制，根據計算出的當前該區所需推力以及傳感器油壓反饋自動調整比例閥開度，使壓力控制在程序計算所需值，使系統形成精確的閉環控制[4-5]。

2 比例閥比例泵控制系統原理分析

本控制系統是以PLC控制系統為主體控制系統，通過可編程控制器編寫程序，觸摸屏程序設計達到人機交互的功能，反饋實時數據和通過觸摸屏控制系統。在手動控制中其程序要求如下：比例閥和比例泵的開度設定可通過觸摸屏手動調整設定，觸摸屏需顯示各推進油缸油壓和推力及油缸行程，顯示盾構姿態及設計軸線，方便調整盾構姿態。在需要推進系統加載伸出時，將設定的比例泵比例閥的開度百分比輸出給PLC的WAGO模擬量輸出模塊，輸出一個0～10 V的電壓輸入給Park模塊，Park模塊再依據輸入電壓大小，經內部程序運算輸出一個1～1 300 mA的電流給比例閥控制線圈，不同大小的電流產生的磁力大小不同，使比例閥實現0～100%的開度變化，最終實現泵的流量及壓力可控可調。再依據油缸的行程傳感器行程變化及油壓壓力傳感器油壓顯示計算出推進速度及總推力和分區推力。比例閥控制原理如圖1所示。

圖1 比例閥控制原理

在同步推拼自動控制系統中，控制系統依據程序編寫總頂推力與各油缸壓力的轉換控制邏輯。根據各推進油缸的油壓及行程傳感器計算出各區的推進速度及分各區推力，通過矢量運算得出總推力軸線位置，將上述推進速度及各分區推力作為目標值輸入到控制器中，控制器通過PID計算，將目標值轉化為電信號，輸出給控制推進油缸的流量和壓力比例閥的模塊，經模塊轉換輸出給比例閥。流量比例閥將電信號響應成閥的開度對油缸進行控制。安裝在推進油缸內部的行程傳感器和管路上的壓力傳感器將實際速度反饋到控制器內，控制器通過對反饋速度和壓力與目標值之間的比較再對輸出值進行修正，達到精準閉環控制。

3 自動控制比例閥壓力的PID程序設計

推進千斤頂的壓力比例閥是基于PLC的PID功能，自動控制比例閥的開度以此來控制油壓，從而達到控制推力的一個閉環控制[6]。典型的PID閉環控制系統如圖2所示。

圖2 PID閉環控制示意圖

圖2中，程序輸出計算如下：

(1)

式中，M(t)為程序輸出；p(t)為給定值；pv(t)為反饋值；e(t)為誤差信號，e(t)=p(t)-pv(t)；M0為系統初始輸出值；C(t)為系統輸出量；Kc為比例系數；Ti為積分比例常數；Td為微分比例常數。

當閉環控制系統第N次輸出時，將式1離散化，第N次采樣時控制器輸出為

(2)

式中，en是第N次采樣時的誤差值；Ki為積分系數；Kd為微分系數[7]。

本次PID控制算法如圖3所示，將程序運算得出的所需壓力輸入PID與反饋壓力比較得出偏差值e(t)，再將偏差值輸入算法，輸出新的比例閥開度值，經由放大器輸出給壓力比例閥，再由油壓傳感器檢測油壓反饋給系統，如此循環往復實現系統的閉環控制。

圖3 閉環控制算法原理圖

依據三菱Q系列編程手冊PID指令篇，在設計PID程序時應考慮如下：在IO數據中應考慮設置值(此處為程序計算出來的所需壓力值)SV、測定值(傳感器反饋油壓)PV、自動操作值(輸出比例閥開度)自動MV、過濾后的測定值(程序對PV通過過濾系數α運算)PVf、手動操作值MVMAN、手動/自動選擇MAN/AUTO和報警ALARM[8]。

在PID程序運行中應考慮如下：設定使用及執行的環路數(本程序有17組千斤頂，因此設置為17)，設定環路方向正向或者逆向方向(0或1)，設定采樣周期時間，設定比例常數、積分常數、微分常數，設定過濾器系數，設定MV下限和上限值，設定MV和PV的變化率限定值，設定PID控制數據對應地址，將這些按要求設置好后，PLC會自動運算得出MV輸出，每個周期都將重新比較PV和SV值，重新輸出一個新的MV值。

采樣周期為PID運算的執行周期，比例常數為PID運算的比例增益，積分常數為表示積分動作(I動作)效果的大小。增大積分常數將會減慢操作值的變化。微分常數表示微分動作效果大小(D動作)，過濾器系數設定測定值的過濾度。MV下限和上限值為自動模式下，PID運算中的MV值設定下限和上限，當計算值超過下限或上限時，輸出下限值或上限值用作MV。PV的變化率限定值上下限為將上一個周期的PV值和當前周期PV值做比較，將其差值限制在上下限范圍內，當PV變化值超過或低于上下限時，程序輸出上一周期PV值加或減上限值或下限值輸出程序。下述以圖4所示簡單流程圖講述編程PID的控制步驟。

4 各模塊的選型

在本次實驗中，各系統模塊選型主要分為PIC選型和觸摸屏選型，以上為整個實驗的主題選型，此處不再贅述。PIC主站選用Q系列Q12HCPU，觸摸屏選用三菱MELSOFT GOT GT2715-XTBA型號的觸摸屏。對于比例閥控制系統，主要進行PLC的DA模塊選用、信號放大器選用和壓力比例閥的選型。

關于比例閥控制部分的PLC，本文采用WAGO的PLC，帶有CC-link總線適配器的WAGO-I/O-SYSTEM在CC-link現場總線系統上作為一個從站。WAGO的750-310的CC-LINK總線適配器和主站PLC通過CC-LINK協議通信，在主站PLC程序里設置好站號及對應分配地址即可與其遠程連接。WAGO通信模塊如圖5所示。

圖4 PID控制編程步驟

圖5 WAGO通信模塊

PLC的DA模塊對于壓力及流量開度控制選用的是WAGO的750-562的模擬量輸出模塊，該模塊按照對應順序插在750-310后面即可按前后順序自動排列該模塊地址，模塊接入24 V電源，通過D-A轉換對應輸出0～10 V的電壓信號輸出給比例閥的放大器，用作控制信號。

對于比例閥和比例放大器選用Parker公司的模塊，比例放大器將PLC輸入的0～10 V電壓轉換為0～1 300 mA的電流輸出給比例閥，且Parker模塊還可調整對應輸出電流，若想控制0～100%的壓力范圍，還可以通過模塊的編程軟件調整閥的線性和輸出電流的范圍，以此來控制比例閥的實際開度范圍來控制輸出的油壓上限。在本系統中，為了保護管路及油缸長期使用的磨損狀況，設定油壓最大值為340 bar，及輸出0～100%的壓力設定對應開度輸出油壓0～340 bar。

5 結語

通過PID控制使比例閥達到精確閉環控制效果，通過內部算法在千斤頂部分缺位的狀況下輸出附近千斤頂壓力提升補償，而PID的實時控制使控制更精確更穩定，保障盾構同步推拼的穩定進行，是同步推拼的根基之一。

盾構機推拼同步系統在比例閥控制中采用PID精確閉環控制，使程序計算壓力達到了有效執行，保障實際推進的穩定，保障了控制軸線偏差范圍的有效性。傳統盾構推進系統分區油壓采用旋鈕或者手動輸入油壓百分比進行單獨控制，量值的大小完全取決于盾構機駕駛員積累的操作經驗，相比于傳統靠手動輸入比例閥開度，自動控制更智能化，更有效，在當今社會有經驗的盾構機駕駛員越來越缺少的情況下，智能化自動控制油壓更能滿足現如今的控制需求。