基于AMESim-MATLAB聯(lián)合仿真的液壓盾構(gòu)刀盤(pán)控制策略與特性研究

(華北水利水電大學(xué), 河南鄭州 450045)

引言

盾構(gòu)機(jī)是當(dāng)今社會(huì)城市地鐵、公路、江河等隧道地下工程建設(shè)的重要掘進(jìn)設(shè)備。其刀盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸大，具有大功率和大慣性特征；工作地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變負(fù)載特征[1-10]。盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的主要能源由刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供，這就要求刀盤(pán)液壓系統(tǒng)在盡可能滿足動(dòng)力供應(yīng)的基礎(chǔ)上，有一定的適應(yīng)工況負(fù)載變化能力且轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、降低損耗的目的。

工程地質(zhì)條件往往復(fù)雜多變，為了適應(yīng)地質(zhì)條件變化，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普遍采用恒功率控制系統(tǒng)。恒功率控制的盾構(gòu)刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠在一定程度上適應(yīng)地質(zhì)條件變化，提高液壓系統(tǒng)的節(jié)能效率[13]，根據(jù)負(fù)載工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀盤(pán)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。但為了保證系統(tǒng)不超載，刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率往往按照最大工作負(fù)荷確定，無(wú)法對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)[14]，這在地質(zhì)條件變化劇烈的情況下，會(huì)造成很大的功率浪費(fèi)和盾構(gòu)機(jī)運(yùn)用方面的困難。

近年來(lái)關(guān)于盾構(gòu)刀盤(pán)液壓系統(tǒng)功率消耗大問(wèn)題的節(jié)能降耗研究，很多學(xué)者就恒功率控制進(jìn)行了一系列地鉆研探討，取得一定的研究成果。施虎等[15]采用的刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)變量泵來(lái)控制變量馬達(dá)，控制方式采用兩種模式進(jìn)行切換，低速時(shí)切換恒轉(zhuǎn)矩模式，高速時(shí)切換恒功率模式，在大扭矩工況下對(duì)變量馬達(dá)進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，可大大增加調(diào)速范圍，提高施工效率。王樹(shù)春等[16]將液壓靜壓技術(shù)結(jié)合機(jī)械無(wú)級(jí)變速，使盾構(gòu)機(jī)在恒功率的情況下通過(guò)增大體積使轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，節(jié)省了功率。邢彤等[11]在盾構(gòu)刀盤(pán)液壓控制回路中采用功率限制閥實(shí)現(xiàn)恒功率控制，安裝調(diào)速閥穩(wěn)定了系統(tǒng)流量和回路壓力，而且有效降低了功率。但是，現(xiàn)有的研究成果只能在特定工況下和局部結(jié)構(gòu)上降低能耗，沒(méi)有在整體上很好的解決能耗問(wèn)題。為此，在恒功率控制的基礎(chǔ)上增加智能變功率控制功能，由過(guò)去常用的恒功率控制，改變?yōu)橹悄芮袚Q功率級(jí)別與恒功率控制相結(jié)合，依據(jù)刀盤(pán)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速智能選擇相應(yīng)的功率級(jí)別，實(shí)現(xiàn)智能變功率控制。

1 刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

某施工集團(tuán)實(shí)際工程中使用的盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為3個(gè)泵帶動(dòng)8個(gè)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)回路，每組馬達(dá)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作性能與液壓驅(qū)動(dòng)回路基本相同，故為研究方便，簡(jiǎn)化為單個(gè)液壓泵驅(qū)動(dòng)2個(gè)液壓馬達(dá)，盾構(gòu)刀盤(pán)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為容積調(diào)速系統(tǒng)，這種變量泵-定量馬達(dá)液壓系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，傳動(dòng)效率高，無(wú)溢流節(jié)流損失。

1.三相異步電機(jī) 2.液壓泵 3.過(guò)濾器 4.角度傳感器 5.柱塞 6.開(kāi)關(guān)閥 7.單向閥 8.溢流閥 9.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器 10.三位四通電液換向閥 11.壓力傳感器 12.梭閥 13.壓力表 14.液壓馬達(dá) 15.液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器 16.轉(zhuǎn)矩傳感器圖1 盾構(gòu)刀盤(pán)液壓系統(tǒng)原理圖

圖1中油箱經(jīng)過(guò)濾器3與變量泵2的吸油口S相連，變量泵在三相異步電動(dòng)機(jī)1的帶動(dòng)下工作，使壓力油到電液換向閥10需從變量泵的出油口P流經(jīng)再通過(guò)單向閥7流進(jìn)，液壓馬達(dá)正反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)是由電液換向閥的電磁信號(hào)控制，信號(hào)改變達(dá)到換向的目的。溢流閥8是負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力防止超限，起安全保護(hù)作用。梭閥12的低壓一端封鎖，高壓的兩端連通中路，可以根據(jù)壓力的變化進(jìn)行選擇的開(kāi)關(guān)。壓力表11是檢測(cè)液壓系統(tǒng)的負(fù)載壓力大小，實(shí)際和梭閥相連，而馬達(dá)14作為系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速傳感器15和轉(zhuǎn)矩傳感器16安裝在刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，將刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳遞給控制器；壓力傳感器11安裝在梭閥出油口處的管道上，將系統(tǒng)壓力信號(hào)傳遞給控制器，液壓系統(tǒng)的壓力跟負(fù)載有關(guān)，負(fù)載上下波動(dòng)，系統(tǒng)壓力就會(huì)跟著波動(dòng)；固定在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)速傳感器9將接收到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給控制器；角度傳感器4安裝在變量泵的斜盤(pán)上，將變量泵的斜盤(pán)傾角信號(hào)傳遞給變量泵內(nèi)部的電控器。在控制器的控制下，電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速是由變頻器調(diào)節(jié)的，而主要控制元件變量泵也是液壓系統(tǒng)的能量來(lái)源，通過(guò)控制信號(hào)調(diào)節(jié)泵內(nèi)部的二位三通高速開(kāi)關(guān)閥6，通過(guò)控制柱塞5來(lái)回運(yùn)動(dòng)，通過(guò)不斷調(diào)整液壓泵斜盤(pán)的角度，來(lái)掌握輸出流量的大小。當(dāng)盾構(gòu)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作地質(zhì)條件基本不變，且負(fù)載波動(dòng)與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、扭矩變化不大時(shí)，在某個(gè)功率級(jí)別下，系統(tǒng)進(jìn)行恒功率速度調(diào)節(jié)。

圖2 刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制流程圖

1.2 系統(tǒng)控制模式

所設(shè)計(jì)的智能控制液壓系統(tǒng)采用泵控馬達(dá)容積調(diào)速的方式進(jìn)行工作，主要由變頻電機(jī)、變量泵與定量馬達(dá)組合而成，以滿足復(fù)雜多變的工況，提高工作效率、降低功率。智能變功率控制就是根據(jù)地質(zhì)層信息和施工總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)，編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的模糊控制規(guī)則，控制器的輸入信號(hào)設(shè)置為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并給定變頻電機(jī)多級(jí)功率工作模式以供選擇，最后根據(jù)控制規(guī)則來(lái)輸出相應(yīng)信號(hào)，控制系統(tǒng)的動(dòng)力。當(dāng)?shù)侗P(pán)的轉(zhuǎn)速有一定幅度的升高，或刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩有一定范圍降低，這時(shí)調(diào)檔到較低的功率工作模式；在相對(duì)高級(jí)的功率工作模式下，當(dāng)?shù)侗P(pán)的轉(zhuǎn)速比較低，或者刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)大幅度升高，切換較高的功率工作模式；當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速變化不大時(shí)，系統(tǒng)輸入功率不變。這樣通過(guò)控制變頻器來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)功率的切換，以適應(yīng)不同地質(zhì)層掘進(jìn)工況的需要。通過(guò)改變變量泵的排量使系統(tǒng)在每一級(jí)工作模式下實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、外負(fù)載和變量泵正常工作時(shí)盡可能地降低功率，對(duì)液壓系統(tǒng)接收傳感器的輸送信號(hào)進(jìn)行了整合分析，并編寫(xiě)相應(yīng)的模糊規(guī)則，自動(dòng)選擇多級(jí)功率的最優(yōu)模式控制系統(tǒng)的輸出功率，提高系統(tǒng)的節(jié)能，圖2為刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制流程圖。

盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)工作時(shí)，安裝在刀盤(pán)上的傳感器接收信號(hào)，將接收信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器傳輸給控制器模糊控制模塊后作為輸入信號(hào)，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的地層資料進(jìn)行整合制定的控制規(guī)則進(jìn)行輸出，變頻器接收到功率信號(hào)根據(jù)電機(jī)的需求輸送給電動(dòng)機(jī)相應(yīng)電流電壓。變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速并將電動(dòng)機(jī)功率設(shè)定為恒定轉(zhuǎn)矩模式，控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩恒定。盾構(gòu)機(jī)在穿越不同地質(zhì)層時(shí)，負(fù)載波動(dòng)較大，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化較大時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的智能切換。

2 系統(tǒng)建模

2.1 AMESim液壓模型

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，在AMESim[9]軟件中選取相應(yīng)元件搭建液壓系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。在構(gòu)建液壓系統(tǒng)模型中，將實(shí)際變量泵和定量馬達(dá)的容積損失通過(guò)1個(gè)液阻模擬，模型中的一些元器件由AMESim中的HCD庫(kù)元件靈活組建。使用信號(hào)與控制庫(kù)中的元件搭建變量控制模塊，控制器收集到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)及負(fù)載壓力信號(hào)進(jìn)行分析處理，最后經(jīng)函數(shù)運(yùn)算，完成電動(dòng)機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的切換以及變量泵排量的調(diào)節(jié)。通過(guò)AMESim軟件仿真分析，合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)尤其重要。因變量泵內(nèi)部伺服控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)的選取對(duì)仿真結(jié)果影響較大，因無(wú)法獲取準(zhǔn)確參數(shù)，故直接使用AMESim軟件機(jī)械庫(kù)中的變量泵模型，液壓泵的排量由電信號(hào)控制，系統(tǒng)主要模型參數(shù)如表1所示。

圖3 盾構(gòu)刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型

表1 液壓系統(tǒng)主要仿真參數(shù)表

設(shè)置為三級(jí)功率模式，即輕載模式(60%全功率)、經(jīng)濟(jì)模式(80%全功率)、滿載模式(100%全功率)[17]。盾構(gòu)機(jī)在黏土、硬土、軟巖、硬巖等不同地質(zhì)層施工時(shí)，刀盤(pán)的負(fù)載會(huì)有大幅度的波動(dòng)，所以根據(jù)實(shí)踐總結(jié)，將負(fù)載的大小依據(jù)不同的功率模式劃分成相應(yīng)區(qū)域，對(duì)比刀盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的外負(fù)載大小，再以S函數(shù)的形式將得到的負(fù)載誤差與轉(zhuǎn)速信號(hào)導(dǎo)入MATLAB/Simulink之中，液壓系統(tǒng)功率的輸出依賴相應(yīng)的模糊控制及其算法來(lái)控制，從而達(dá)到系統(tǒng)輸出功率與外負(fù)載的最佳配合。除此之外，功率模式的選擇還可采用手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)際工況需求通過(guò)繼電器來(lái)完成不同模式的切換。

2.2 MATLAB/Simulink控制模型

液壓系統(tǒng)的仿真模型是在AMESim中進(jìn)行搭建的，而依據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié)合控制要求，控制部分的系統(tǒng)模型則在Simulink中完成創(chuàng)建。通過(guò)在Simulink豐富的模型庫(kù)中選擇合適的器件建立相應(yīng)的控制模型如圖4所示。在模糊控制應(yīng)用的控制模型系統(tǒng)中，利用負(fù)載誤差及誤差變化率來(lái)輸出系統(tǒng)的功率信號(hào)。盾構(gòu)機(jī)在開(kāi)挖過(guò)程中，若刀盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)低，負(fù)載波動(dòng)會(huì)引起刀盤(pán)卡死；若刀盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)高，會(huì)使巖土斬切脫落較快，使輸送機(jī)構(gòu)過(guò)載以及影響地層?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行限速，當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速持續(xù)過(guò)高或過(guò)低都將觸動(dòng)功率信號(hào)，從而完成最佳功率模式的匹配換檔，以此保證刀盤(pán)正常運(yùn)轉(zhuǎn)、盾構(gòu)機(jī)正常施工。

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制器的確定

選擇二維T-S型結(jié)構(gòu)的模糊控制器， 結(jié)構(gòu)如圖5所示。模糊控制器設(shè)T(負(fù)載誤差)、TC(誤差變化率)、U(過(guò)去輸出信號(hào))3個(gè)輸入變量，輸出端由{N1，N2，N3}3個(gè)分段函數(shù)覆蓋掉清晰化模塊，將輸出的清晰值進(jìn)行運(yùn)算取整，值域U取值{1，2，3}。輸入變量U的取值1代表液壓系統(tǒng)功率工作模式的經(jīng)濟(jì)模式，2對(duì)應(yīng)輕載模式，3則是滿載模式，由此可見(jiàn)，系統(tǒng)動(dòng)力的輸出由控制信號(hào)整合各大模塊運(yùn)算及放大處理決定。

圖4 Simulink控制模型

圖5 模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.2 模糊子集與論域的選取

以負(fù)載誤差T和誤差變化率TC為兩個(gè)模糊輸入變量，其模糊集定義為{NB，NS，ZE，PS，PB}，其論域在經(jīng)過(guò)量化處理后對(duì)應(yīng)的取值范圍均為[-6，6]。兩個(gè)輸入變量負(fù)載誤差和誤差變化率的隸屬度函數(shù)圖形如圖6和圖7所示。

圖6 負(fù)載誤差T的模糊集隸屬度函數(shù)

圖7 誤差變化率TC的模糊集隸屬度函數(shù)

輸入變量U的取值是{1，2，3}，沿用上一個(gè)循環(huán)周期的輸出量，上一個(gè)循環(huán)周期是作為三個(gè)分段函數(shù)輸出的運(yùn)算基礎(chǔ)，故取值減少1或增加1或保持不變，輸入變量U的隸屬度值恒為1，函數(shù)圖像如圖8所示。

3.3 模糊控制規(guī)則的確定

模糊控制根據(jù)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)得出，當(dāng)?shù)侗P(pán)負(fù)載小且無(wú)波動(dòng)時(shí)，模糊控制器下調(diào)相應(yīng)的功率工作模式或者維持現(xiàn)狀；刀盤(pán)負(fù)載大且有向上的趨勢(shì)時(shí)，調(diào)高功率工作模式。

圖8 輸入變量U的模糊集隸屬度函數(shù)

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出25條模糊控制器的控制規(guī)則，模糊邏輯規(guī)則控制表如表2所示。

表2 模糊邏輯規(guī)則控制表

4 聯(lián)合仿真分析

盾構(gòu)機(jī)的施工環(huán)境復(fù)雜多變，在地下進(jìn)行開(kāi)挖、襯砌過(guò)程中難免會(huì)遇到淤泥、軟土、軟巖、硬巖和破碎含水等地層，復(fù)雜多變的地質(zhì)條件會(huì)造成刀盤(pán)的負(fù)載扭矩波動(dòng)。

范圍大，負(fù)載變換也要求盾構(gòu)機(jī)輸入功率相應(yīng)變化。在此通過(guò)AMESim結(jié)合Simulink聯(lián)合仿真來(lái)模擬盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行實(shí)際施工時(shí)的情況，從而研究液壓系統(tǒng)工作的實(shí)際特性。為了研究盾構(gòu)刀盤(pán)的負(fù)載扭矩與電動(dòng)機(jī)輸出功率、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速以及系統(tǒng)效率等之間的有何關(guān)聯(lián)，采用聯(lián)合仿真且將恒功率控制下的液壓系統(tǒng)與其工況進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證在刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中引入智能變功率控制策略方案的正確性。

根據(jù)需求完成聯(lián)合仿真的每個(gè)模塊參數(shù)設(shè)置，然后啟動(dòng)MATLAB軟件中的Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真。模擬了某型盾構(gòu)機(jī)設(shè)備在穿越不同工況時(shí)刀盤(pán)外負(fù)載扭矩實(shí)時(shí)變化，如圖9所示。從圖中可以明顯地看出，在0～4 min盾構(gòu)機(jī)工作一直在同一地質(zhì)層，刀盤(pán)負(fù)載扭矩開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)發(fā)生在380 kN·m上下，隨后地質(zhì)條件發(fā)生變化，即對(duì)應(yīng)圖中負(fù)載扭矩曲線逐漸達(dá)到最大值，而后在11 min開(kāi)始緩慢下降，直至16 min附近負(fù)載扭矩在800 kN·m左右維持不變，地質(zhì)條件基本不再變化。

圖9 盾構(gòu)刀盤(pán)負(fù)載曲線圖

在圖9所示的刀盤(pán)外負(fù)載下，盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)行工作時(shí)，其輸出的電動(dòng)機(jī)輸出功率對(duì)比如圖10所示，在恒功率控制的盾構(gòu)刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)輸出功率恒為185 kW。由于實(shí)際工作的電動(dòng)機(jī)會(huì)受其他因素影響有一定的功率流失，使得輸出功率達(dá)不到額定功率。電動(dòng)機(jī)的功率輸出信號(hào)又受液壓系統(tǒng)的智能控制，使液壓系統(tǒng)在復(fù)雜多變的施工環(huán)境下自動(dòng)調(diào)節(jié)并匹配的相應(yīng)的電機(jī)輸出功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)隨外負(fù)載的變化而變化。智能控制下的電動(dòng)機(jī)輸出功率在0～6 min 穩(wěn)定在112 kW，對(duì)應(yīng)三種模式下的輕載模式；接著穿越地質(zhì)層，6～9 min電機(jī)輸出功率達(dá)到150 kW，在經(jīng)濟(jì)模式下工作；9～15.5 min電機(jī)功率達(dá)到峰值185 kW，工作模式對(duì)應(yīng)滿載模式；隨后的15.5 min之后，又自動(dòng)切換到經(jīng)濟(jì)模式。

圖10 電動(dòng)機(jī)輸出功率對(duì)比圖

傳統(tǒng)的恒功率控制系統(tǒng)是按照外負(fù)載的最大功率計(jì)算輸出功率的，而該智能變功率控制系統(tǒng)的外負(fù)載的電機(jī)功率是根據(jù)負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)的，對(duì)比可知，智能控制系統(tǒng)在適應(yīng)多變負(fù)載的基礎(chǔ)上有效的避免了功率浪費(fèi)，節(jié)約了能量。該刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的恒功率控制系統(tǒng)相比，能根據(jù)負(fù)載大小與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，自動(dòng)選擇相應(yīng)的功率工作模式。由圖11可知，在智能切換功率級(jí)別模式下，變量泵的輸出功率與電動(dòng)機(jī)的輸出功率非常接近，然后隨著負(fù)載扭矩的增大，變量泵和電動(dòng)機(jī)兩者之間的功率損耗有些許增加，但綜合來(lái)看，在變量泵不過(guò)載的前提下，電動(dòng)機(jī)的功率利用率高，降低了功率損耗。

圖11 變量泵與電動(dòng)機(jī)的輸出功率對(duì)比圖

設(shè)計(jì)的智能控制與傳統(tǒng)控制的盾構(gòu)刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖12所示。從圖中整體來(lái)看刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度趨于穩(wěn)定，這與刀盤(pán)本身重量大、慣性大的特性密不可分。由圖可以看出傳統(tǒng)控制的液壓恒功率控制系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)功率是按照最大工作負(fù)荷確定，外負(fù)載大小的不確定性影響刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度，當(dāng)外負(fù)載較大時(shí)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度低，外負(fù)載較小時(shí)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度較高。智能控制的液壓系統(tǒng)刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍相比就較小，因功率是根據(jù)外負(fù)載的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，故也可通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)功率的切換。

圖12 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)比圖

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)實(shí)際施工帶動(dòng)整個(gè)刀盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要耗費(fèi)很大的功率，故從提高刀盤(pán)的工作效率來(lái)達(dá)到節(jié)能降耗事半功倍。傳統(tǒng)控制與智能控制下的液壓系統(tǒng)工作效率圖如圖13所示。圖中顯示，外負(fù)載低時(shí)系統(tǒng)的工作效率就低，外負(fù)載高時(shí)效率也越高，即系統(tǒng)的工作效率與外負(fù)載成正相關(guān)；而當(dāng)功率越低時(shí)，系統(tǒng)的工作效率反而是越高。概括來(lái)說(shuō)，當(dāng)外負(fù)載一致時(shí)，智能變功率液壓系統(tǒng)的工作效率更高。

5 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能切換功率級(jí)別與恒功率控制相結(jié)合的控制策略， 并對(duì)系統(tǒng)功率輸出編寫(xiě)相應(yīng)的模糊控制程序。電機(jī)功率可依據(jù)負(fù)載變化而自動(dòng)或手動(dòng)完成調(diào)節(jié)，使液壓系統(tǒng)中負(fù)載、電機(jī)及變量泵運(yùn)行時(shí)更加節(jié)能降耗；

圖13 系統(tǒng)效率對(duì)比圖

(2) 系統(tǒng)伺服變量機(jī)構(gòu)采用電控方式，相比于傳統(tǒng)的液控方式去除了復(fù)雜的閥組和油路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)控制精度；

(3) 盾構(gòu)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真證明了智能變功率控制策略的正確性和可行性，智能切換功率級(jí)別與恒功率控制相結(jié)合的控制策略比傳統(tǒng)恒功率控制模式下的系統(tǒng)工作效率有較大的提升，且刀盤(pán)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載波動(dòng)范圍小。