(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道工程系，陜西 渭南 714099；2.長安大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安 710064)

引言

隨著城市的快速發(fā)展，地面交通已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們出行的需求，地下空間的快速崛起給人們的出行帶來了很大方便，盾構(gòu)機(jī)作為目前地鐵施工中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備，是一種集機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等多學(xué)科融合而成的機(jī)電一體化設(shè)備[1]。盾構(gòu)施工法相比于其他隧道施工工法最大的優(yōu)點(diǎn)就是隧道襯砌一次成型，并且施工過程高效、快速、安全。管片拼裝機(jī)是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，是完成隧道襯砌一次成型的核心裝置。拼裝機(jī)有6個自由度，分別可實(shí)現(xiàn)鎖緊、升降、平移、回轉(zhuǎn)、俯仰、橫搖和偏轉(zhuǎn)7種動作，各種動作通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動調(diào)節(jié)，以保證管片的精確就位。管片的舉升是管片精確就位過程中非常重要的一環(huán)，舉升油缸的同步精度對拼裝機(jī)后續(xù)動作的協(xié)調(diào)起著至關(guān)重要的作用。故本研究采用S7-200可編程控制器作為整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心，以磁致伸縮傳感器實(shí)時檢測與反饋油缸位移情況，通過PLC分析處理反饋信號，并經(jīng)放大后控制電磁比例換向閥的開度大小，進(jìn)而控制進(jìn)入油缸的流量，實(shí)現(xiàn)油缸的同步控制，該控制系統(tǒng)同步精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 液壓缸系統(tǒng)模型

液壓缸系統(tǒng)的典型形式是對稱式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 液壓缸系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

磁致伸縮傳感器實(shí)時檢測油缸運(yùn)行狀況并反饋于PLC系統(tǒng)，經(jīng)控制器分析處理，信號放大器放大，最后將信號傳輸給電磁比例方向閥，通過方向閥閥芯的開度變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量和壓力的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)舉升油缸的同步控制。該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵就是在控制信號與活塞缸運(yùn)行軌跡及位移傳感器之間建立一種閉環(huán)反饋機(jī)構(gòu)，以保證舉升油缸的同步精度[2]。

2 液壓缸運(yùn)行軌跡設(shè)計(jì)

假設(shè)活塞缸初始運(yùn)動時刻為tB，對應(yīng)的位置為xB，運(yùn)動結(jié)束時刻為tE，對應(yīng)的位置為xE，則活塞缸的運(yùn)動軌跡應(yīng)滿足如下約束：

x(tB)=xB，x(tE)=xE

(1)

(2)

(3)

公式中的式(1)～式(3)分別代表活塞缸運(yùn)動過程中的位移、速度與加速度的平滑條件。

根據(jù)活塞缸運(yùn)動的平滑條件構(gòu)建如下函數(shù)：

(4)

公式中的Ta為加減速時間常數(shù)；Tb為勻速時間常數(shù)，t′=(t-Tb，f1=3Ta/2+Tb

故對液壓缸的運(yùn)行軌跡設(shè)計(jì)如下：

(5)

公式(5)形式的液壓缸運(yùn)行軌跡具有符合式(1)～式(3)的平滑條件，可對活塞運(yùn)行加速度進(jìn)行限定，避免過大的液壓沖擊，可對活塞的最大運(yùn)行速度進(jìn)行限定等優(yōu)點(diǎn)。

3 控制系統(tǒng)的硬件組成及參數(shù)

3.1 PLC的硬件組成及參數(shù)

整體模塊回路圖如圖2所示。

圖2 PLC模塊回路圖

PLC控制器采用了多個模擬量擴(kuò)展模塊，其主要作用是進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，可編程控制器主要進(jìn)行邏輯運(yùn)算，發(fā)布控制指令。

3.2 液壓系統(tǒng)的硬件組成及參數(shù)

液壓系統(tǒng)主要由舉升油缸、磁致伸縮位移傳感器、電磁比例換向閥及液壓泵等組成。系統(tǒng)采用比例閥作為控制元件，舉升油缸的無桿腔最大通油流量為6 L/min，有桿腔最大通油流量為3 L/min，根據(jù)系統(tǒng)的控制模式可知，PLC輸出電流與比例換向閥閥口開度的關(guān)系曲線如圖3所示。由曲線可以看出，閥口開度與比例電磁鐵b的電流成正比關(guān)系，即電流越大，閥口開度越大，與電磁鐵a的電流成反比關(guān)系。位移傳感器，量程0～1500 mm，輸出信號為4～20 mA。

圖3 PLC輸出電流與閥的流量關(guān)系曲線圖

4 控制系統(tǒng)工作原理及特性分析

4.1 PLC控制原理

控制與檢測是系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，其原理圖如圖4所示。

圖4 PLC控制原理圖

拼裝機(jī)舉升過程中，磁致伸縮位移傳感器實(shí)時檢測左右兩側(cè)油缸的位移狀況，輸出4～20 mA電信號，經(jīng)過EM231擴(kuò)展模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之后，傳輸給PLC控制器，通過運(yùn)算判斷兩側(cè)油缸的位移是否一致，如果偏差超出范圍，控制器發(fā)出指令，經(jīng)EM231擴(kuò)展模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，并經(jīng)信號放大器放大之后，傳輸給比例換向閥，調(diào)節(jié)閥口開度大小，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)油缸的同步控制。

4.2 舉升油缸同步控制原理

舉升油缸同步控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

同步控制系統(tǒng)將兩側(cè)油缸分別設(shè)為主令缸和從令缸，磁致伸縮位移傳感器實(shí)時跟蹤、檢測油缸位移情況，并反饋于PLC控制器，經(jīng)分析判斷后，通過信號放大器傳輸于兩側(cè)比例換向閥，調(diào)節(jié)閥口開度大小。給

圖5 舉升油缸同步控制系統(tǒng)原理圖

定比例電磁鐵b的電流范圍為14～20 mA，此時油缸無桿腔進(jìn)油，活塞桿伸出，給定電磁鐵a的電流范圍為4～10 mA，此時油缸有桿腔進(jìn)油，活塞桿縮回，通過不斷調(diào)整從令缸的伸出與縮回，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)油缸的同步運(yùn)動。

4.3 閉環(huán)控制回路動態(tài)性能及穩(wěn)定性分析

由液壓控制系統(tǒng)可知，電磁比例閥相當(dāng)于二階振蕩環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步分析閉環(huán)控制回路的動態(tài)性能，建立系統(tǒng)AGC模型如圖6所示。

圖6 閉環(huán)控制回路AGC動態(tài)檢測模型

通過對AGC動態(tài)檢測模型有位移反饋與無位移反饋兩種情況下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，增加位移反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減小，系統(tǒng)在短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定。而利用改變增益控制超調(diào)量的方法會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，故采用位移微分反饋環(huán)節(jié)可有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)性能。系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖7曲線2所示，曲線1為增加位移微分負(fù)反饋后的響應(yīng)曲線。

圖7 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線對比圖

5 舉升油缸同步控制的實(shí)現(xiàn)過程

設(shè)定控制主令缸的比例電磁鐵電流恒為16 mA，主令缸電磁比例換向閥的函數(shù)如式(6)所示：

(6)

令控制從令缸的電磁鐵電流在13～20 mA之間變化，從令缸比例換向閥的函數(shù)如下：

(7)

公式中的x為主令缸與從令缸活塞伸出長度之差。

控制從令缸的指令曲線函數(shù)如圖8所示。

圖8 從令缸指令曲線函數(shù)圖(油缸舉升)

油缸下降的同步控制過程中，令控制主令缸的比例電磁鐵電流恒為8 mA，控制從令缸的電磁鐵電流在4～11 mA之間變化。電磁比例換向閥的電流函數(shù)類似于舉升過程的電流函數(shù)。故得出控制從令缸的指令函數(shù)如圖9所示。

圖9 從令缸指令曲線函數(shù)圖(油缸下降)

6 舉升油缸同步控制的程序設(shè)計(jì)

盾構(gòu)拼裝機(jī)舉升油缸動作前，機(jī)械抓持手首先要牢牢抓緊管片，待壓力繼電器發(fā)出可動作信號后，舉升主從油缸開始跟隨運(yùn)動，直至觸碰限位開關(guān)后停止動作。位移傳感器檢測油缸偏差是否滿足±2 mm精度要求，滿足即可進(jìn)行下步動作。依據(jù)舉升油缸同步動作的實(shí)現(xiàn)過程，設(shè)計(jì)自動控制流程圖如圖10所示。

圖10 舉升油缸同步動作自動控制流程圖

依據(jù)流程圖分別采用兩種不同的編程語言及邏輯分別設(shè)計(jì)程序如圖11～圖13所示。

分別對兩種不同編程邏輯的油缸同步動作幅值和相位進(jìn)行仿真，仿真曲線如圖14所示。

圖14中a為采用梯形圖程序的幅值、相位特性曲線，b為語句表程序的幅值、相位特性曲線。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，曲線a的編程邏輯明顯改善了油缸同步動作的動態(tài)性能，減小了動作的相位滯后，提高了同步動作的控制精度。

圖11 油缸同步動作語句表程序圖

圖12 油缸舉升梯形圖程序

圖13 油缸下降梯形圖程序

圖14 幅值相位對比曲線圖

7 結(jié)論

基于PLC的舉升油缸閉環(huán)同步控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大、抗干擾性強(qiáng)，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了舉升油缸的自動化控制，并且在油缸上升和下降過程中具有自動糾偏功能，控制精度可達(dá)±2 mm，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，消除了人工操作帶來的實(shí)時性誤差，有效提高了拼裝機(jī)舉升管片的同步精度和效率，在盾構(gòu)拼裝機(jī)上具有一定的應(yīng)用前景和價(jià)值。