盾構(gòu)加泥系統(tǒng)的自動保壓

陳柳鋒

[摘要]在盾構(gòu)施工過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)加泥管路因為外部土倉泥漿倒流入而堵塞，根據(jù)實際情況提出加泥系統(tǒng)保壓程序，利用PID算法，編寫保壓程序，并成功解決管路堵塞問題。此PID算法編寫靈活，有一定的推廣意義。

[關(guān)鍵詞]加泥；PID；變頻器

文章編號：2095 - 4085（2018） 08 - 0075 - 02

1 系統(tǒng)介紹

新加坡湯申線Tl225項目中使用的（Φ6660土壓平衡盾構(gòu)機，其加泥系統(tǒng)配有兩臺加泥泵，在施工過程中，用于向土倉添加膨潤土。系統(tǒng)配有變頻電機及變頻器，用于改變加泥流量，加泥速度可以通過觸摸屏手動給定，另外配有壓力傳感器和流量傳感器，用于檢測管路壓力和加泥流量（見圖1）.

2 問題提出及解決方案

在加泥系統(tǒng)的管路出口處有止回閥用于防止土倉泥漿倒流人管路。但是由于某些原因，止回閥不能可靠的工作，把泥漿阻擋在管路之外。當長時間不進行加泥操作時，加泥出口處可能會由于外界壓力高，泥漿經(jīng)常會涌人加泥管路，造成管路堵塞。所以，施工人員為了解決這個問題，就頻繁的啟動加泥電機，且加泥流量給定不好估算，管路壓力波動大，效率較低。

根據(jù)這個情況，在加泥系統(tǒng)上提出增加自動保壓功能，即在盾構(gòu)停止推進時，加泥系統(tǒng)自動運行，且維持一定的壓力，保證了出口處泥漿不涌入管道。

加泥系統(tǒng)由變頻電機提供動力，通過變頻器調(diào)整電機轉(zhuǎn)速來改變加泥的流量，在管路上設(shè)有壓力傳感器。根據(jù)加泥系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成，選用了PID算法。

3 PID原理簡介及軟件實現(xiàn)

即在設(shè)定的壓力值下，通過加泥泵轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，壓力快速準確的達到給定值。設(shè)定的壓力值可以看成一個階躍信號。

下面簡單介紹一下PID的原理。

3.1 PID控制方式的原理

（1）系統(tǒng)在階躍給定下的穩(wěn)態(tài)誤差（擾動輸入n（t）=O）

假設(shè)系統(tǒng)沒有外部干擾，其中R（s）為壓力設(shè)定值，C（s）為壓力傳感器測定值亦即系統(tǒng)的輸出值，E（s）=R（s）一C（s）為設(shè)定值與給定值的誤差。G（s）為加泥系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，與加泥系統(tǒng)特性有關(guān)（見圖2）。

開環(huán)函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的個數(shù)稱為系統(tǒng)類型。當v=0時，稱系統(tǒng)為0型系統(tǒng)，當v=l時，稱系統(tǒng)為1型系統(tǒng)，當v=2時，稱系統(tǒng)為2型系統(tǒng)。

（2）擾動量作用下的穩(wěn)態(tài)誤差（給定輸入r（t）=0），反應了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)過程中的抗干擾能力圖3中n（t）是干擾信號，假設(shè)此時給定輸入是r（t）=0。此時E（s）=R（s）一C（s），R（s）=0，故E（s）=一C（s）所以擾動量下的穩(wěn)態(tài)誤差的大小，跟擾動作用

5 結(jié)語

在調(diào)整PID參數(shù)后，輸出的MV能是壓力快速達到2. 5bar附近，并且穩(wěn)態(tài)誤差較小。在自動保壓的作用下，很好的解決了管路堵塞問題。

本PID算法與三菱自帶的PID指令相比較，算點位置，N（s），G1（s） G2 （s）有關(guān)。增加G1（S）的開環(huán)增益，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差。同時，提高系統(tǒng)的系統(tǒng)類型，可以將穩(wěn)態(tài)誤差消除。綜上所述，減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的方法如下。1.增加系統(tǒng)開環(huán)增益或增加擾動點前面前向通道增益，但增加開環(huán)增益會影響動態(tài)性能，甚至影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.在系統(tǒng)前向通道或擾動點前面的前向通道串聯(lián)積分環(huán)節(jié)，但積分環(huán)節(jié)串聯(lián)多了，會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。方法1即使用P（比例調(diào)節(jié)）的方式，方法2即使用I（積分調(diào)節(jié)）的方式。

為了使輸出值能更快更穩(wěn)的達到設(shè)定值，使用D（微分調(diào)節(jié)）可以改善這一動態(tài)性能。總結(jié)為PI改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，D改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

以上即是加泥系統(tǒng)自動保壓的理論依據(jù)。

4 PID基本算法的實現(xiàn)

首先在觸摸屏上增加“自動保壓”按鈕（見圖5）。然后用三菱QCPU來寫PID算法，采樣時間Ts為Is，PV為壓力傳感器測定值即輸出值，SV為設(shè)定值即輸入值，程序中設(shè)為機器數(shù)500，即2. Sbar，MV為PID為操作數(shù)即PID控制器的輸出值，此數(shù)字還需要進一步做幅值處理后才能賦值給DA模塊，改變變頻器的頻率輸出即改變加泥電機的轉(zhuǎn)速。