基于AMESim的盾构刀盘容积调速系统仿真研究.pdf
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1、液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.006基于AMESim的盾构刀盘容积调速系统仿真研究吕金豆,刘江,王晓燕2(1.陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南7 140 9 9;2.西安建筑科技大学,陕西西安7 10 0 55)摘要:液压系统是驱动盾构机刀盘转动的核心,由电动机、变量泵、变量马达等元件组成。盾构机作为目前地铁施工的主流设备,面对复杂多变的地质条件,刀盘容积调速系统如何减小由系统输入扰动导致的马达转速扰动,使刀盘稳定运行,是值得研究的关键问题。讨论了一种PID+前馈补偿控制方法,通过对系统数学模型的分析,建立
2、了AMESim刀盘容积调速系统仿真模型,并通过实验得到了系统转速特性曲线。结果表明,PID+前馈补偿方法相比于常规PID控制方法,将马达转速的瞬态误差减小了13%,调整时间缩短了1.5s。研究结果对刀盘稳定运行具有重要的意义。关键词:盾构机刀盘;扰动;容积调速;前馈补偿;PID;A ME Si m中图分类号TH137;TH69Abstract:The hydraulic system is the core of driving the cutter disk of shield driving machine,which is composed of motor,variable pump,
3、variable motor and other components.Shield tunneling machine is the mainstream equipment of subway construction at present.Facing thecomplicated and changeable geological conditions,how to reduce the disturbance of motor speed caused by the input disturbance of the systemand how to make the cutter s
4、table operation is a key link worthy of research.This paper discusses a kind of PID+feedforward compensationcontrol method,through the analysis of the system mathematical model,the AMESim knife plate of volumetric speed control system simulationmodel is established,and the system speed characteristi
5、c curve is obtained by experiment,the results show that the PID+feedforwardcompensation method is compared with the conventional PID control method,the transient error of the motor speed reduced by 14%,adjust thetime of 2s,the research results have important sense to the knife dish and stable operat
6、ion.Key words:cutter head of shield driving machine;disturbance;volume speed-modulating;feedforward compensation;PID;AMESim0引言刀盘转动系统是盾构机的执行元件,起着剥削土体、碎石破岩的作用。故刀盘转速的控制对盾构施工的效率至关重要 。传统的液压速度控制回路由定量泵、溢流阀、节流阀等元件组成。该回路通过调节节流收稿日期:2 0 2 3-0 3-14基金项目:陕西省教育厅服务地方专项科研计划项目(2 2 JC026);陕西铁路工程职业技术学院科学研究基金项目(KY2022-4
7、3)作者简介:吕金豆(19 9 5-),男,陕西渭南人,讲师,硕士,主要研究领域为机械工程、自动化控制技术等。30文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 3)0 8-0 0 3 0-0 5Simulation Study of Shield Cutter Disc Volume Speed RegulationSystem Based on AMESimLV Jin-doul,LIU Jiang,WANG Xiao-yan?(1.Shaanxi Railway Institute,Weinan 714099,China;2.Xian University of Arch
8、itecture and Technology,Xian 710055,China)阀阀口的截面积就可控制系统流量的大小,进而控制执行元件的速度。利用该回路搭建的系统结构简单,速度调节便捷,但是调速过程中有溢流损失和节流损失,系统损耗大、效率低 2 。针对该回路存在的问题,目前的液驱盾构机普遍采用容积调速回路搭建刀盘转动系统。这种回路由负载敏感变量泵、比例溢流阀、变量马达等元件组成闭式系统,与传统调速系统相比,无溢流损失和节流损失,系统能耗小,具有较高的容积效率,比较适合应用于盾构主驱动系统 3-4。但是此回路中的液压马达会因系统的输人不稳定而扰动,影响刀盘的稳定运行,严重可能会损伤液压马达。
9、故针对马达的扰动问题,本研究提出采用PID+前馈补偿控制(1)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023方法调节刀盘转速,通过AMESim软件建模、仿真,结2数学建模与AMESim模型仿真分析果表明,PID+前馈补偿控制算法将马达转速的瞬态误差减小了13%,调整时间缩短了1.5s,对刀盘的稳定运行意义重大。1?刀盘容积调速系统原理刀盘容积调速系统结构如图1所示,该系统采用双向斜盘式轴向柱塞泵作为动力源,调速便捷,容积效率高。系统压力与所需流量由比例阀控制,实现节能减耗。系统中设置多处阻尼孔,实现刀盘调速过程的平稳运行。负载图1刀盘容积调速系统结构简图系统所需流量
10、是由变量泵提供的,通过负载敏感阀阀口开度的控制,就可控制变量大缸腔体的压力大小,进而改变变量泵斜盘倾角,实现泵出流量的大小变化。工作过程中,当负载压力小于比例溢流阀调节压力时,系统处于流量调节状态。此时节流阀两端压差近似为0,无流量通过,敏感阀处于最左端位置,不起作用。负载的变化会引起比例节流阀两端压差的变化,此时敏感阀阀口开度亦随之变化,进而使变量大缸腔体的压力大小发生改变,在此压力的作用下,变量泵斜盘倾角改变,系统泵出流量亦随之改变。当负载压力大于比例溢流阀调节压力时,节流阀有流量通过,敏感阀在节流阀进出口压差的作用下迅速右移,使变量大缸腔体压力升高,迫使变量泵斜盘倾角减小至接近于0,此时
11、泵的出口压力保持恒定,输出的流量仅用于补偿泄漏,系统处于节能状态。2.1刀盘容积调速系统数学建模不同于常规建模方法,本研究不对容积调速系统中的比例阀及一些阀控元件进行建模,而是以变量泵为主体,以电压参数作为输入量,梯度排量为输出量。以一阶惯性环节表示变量泵的输入输出特性,使整个系统模型大大简化,避免了建模过程中各种变量机构参数的确定,这些参数往往有很大的不确定性,给建模带来很大不便,且影响模型的正确性。对比表明,简化后的模型仿真结果与实际情况较为吻合。变量泵的各种变量机构之间是一种力反馈闭环控制回路,泵出流量与输入电流之间呈线性比例关系,变量泵用一阶惯性环节可以表示为:Dutas+1水R3式中
12、,D,一输出排量Au输入电压ARIR2一流量增益ta变量泵相应时间,经查阅相关资料,取k,为1.2 10-,取ta为0.0 3 5通过泵流量连续性方程,泵高压腔流量连续性方程及马达-负载转矩平衡方程三式联立,即可求得模型的传递函数。泵流量连续性方程为:Q,=D,o-Cp(Ph-p:)-CepPh经拉氏变换后的方程为:Q,(s)=D,(s)-CpP,(s)泵高压腔流量连续性方程为:domVodpiQ,=Cim(Ph-pl)+CemPh+D,m十dt.dm(4)经拉氏变换可得:VQ,(s)=CimPp(s)+Dmsm(s)+sPp(s)。马达负载转矩平衡方程为:d0mDm(Ph-pi)=J.+Bd
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