任穎瑩，周建軍，王助鋒，張合沛，李宏波

(1.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

盾構(gòu)刀盤驅(qū)動多電機同步控制策略研究

任穎瑩1，2，周建軍1，2，王助鋒1，2，張合沛1，2，李宏波1，2

(1.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

為了保障盾構(gòu)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，刀盤驅(qū)動電機之間的同步性能是一個關(guān)鍵因素。針對盾構(gòu)電機數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，分析主從控制、并行同步控制和幾種耦合控制在盾構(gòu)驅(qū)動電機控制應(yīng)用中的優(yōu)缺點，說明并行同步在應(yīng)用中的合理性；設(shè)計一種模糊PID智能控制算法，提出模糊PID控制器與并行同步控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合的盾構(gòu)刀盤驅(qū)動多電機同步控制策略，應(yīng)用Matlab/simulink進行建模仿真，對該控制策略和常規(guī)的PI控制進行仿真對比。結(jié)果證明：所提出的控制策略的動態(tài)響應(yīng)快、實時性能好，在相同的負(fù)載突變狀況下，該方法具有更強的魯棒性，能更好地使多電機以設(shè)定速度同步運行。

盾構(gòu)；刀盤驅(qū)動；多電機；并行同步控制；模糊PID

0 引言

刀盤系統(tǒng)是土壓平衡盾構(gòu)的一個關(guān)鍵部分，其承擔(dān)著挖掘切削土體的重大任務(wù)；刀盤驅(qū)動又是刀盤系統(tǒng)的核心，其控制質(zhì)量直接決定著盾構(gòu)掘進的穩(wěn)定性和可靠性。盾構(gòu)在掘進過程中，由于地層是不均勻的，且地質(zhì)狀況復(fù)雜多變，極易造成驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩不同步而引起斷軸等重大事故。因此，盾構(gòu)刀盤驅(qū)動的多電機同步控制問題，一直是國內(nèi)外的一個研究熱點。

目前對這方面的研究主要集中在控制結(jié)構(gòu)上，史步海等[1]重點分析了主從式同步控制和并行同步控制2種典型控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性；Ran LIU等[2]提出一種閉環(huán)控制的環(huán)形耦合控制系統(tǒng)，達(dá)到自適應(yīng)均載的目的；張承慧等[3]提出一種基于相鄰耦合誤差的多電機同步控制策略。這些研究雖然也取得了一定的成效，但在控制算法中利用的仍是PI控制，由于刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的非線性、大延時等特點，在實際應(yīng)用中受到了很大限制[4]。

模糊控制特別適應(yīng)于非線性復(fù)雜系統(tǒng)，對控制對象的參數(shù)不敏感，可以很好地抑制系統(tǒng)中的干擾和突變。因此，本文先分析目前控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，找出一種適合的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代控制方法相結(jié)合，提出一種適用于多電機傳動系統(tǒng)的同步控制算法模糊PID并行同步控制算法，這種控制策略結(jié)構(gòu)簡單，在盾構(gòu)控制中容易實現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，此控制方法可以提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，可有效緩解負(fù)載突變所帶來的同步誤差。

1 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)及其特點

盾構(gòu)的刀盤驅(qū)動系統(tǒng)主要包括變頻器、電動機、減速器、主軸承及其密封潤滑裝置等。由圖1(主驅(qū)動三維)可以看出，盾構(gòu)主驅(qū)動各電機經(jīng)過各自的減速器與一個和刀盤等直徑的大齒輪嚙合來驅(qū)動整個刀盤[5]。

圖1 盾構(gòu)主驅(qū)動三維圖

與其他需要負(fù)載平衡的多電機同步控制相比，盾構(gòu)刀盤驅(qū)動具有很大的特殊性。一是盾構(gòu)刀盤驅(qū)動具有刀盤驅(qū)動的電機數(shù)量較多；二是機械傳動復(fù)雜，傳動比大，若控制不當(dāng)，很容易造成傳動機構(gòu)的損壞；三是電機與刀盤齒輪是剛性連接，這種靠機械結(jié)構(gòu)形成的同步，其所承受的扭矩未必是相同的。這些特殊性造成了盾構(gòu)刀盤驅(qū)動同步控制的困難，因此對電機驅(qū)動同步控制策略進行研究意義重大。

2 多電機同步控制策略

多電機同步控制結(jié)構(gòu)主要包括并聯(lián)控制，主從控制2種非耦合控制和一些耦合控制策略[6]。對盾構(gòu)刀盤同步控制系統(tǒng)的研究主要還是集中在并行同步控制和轉(zhuǎn)矩主從控制策略的研究和改進上。

2.1 主從控制

主從控制的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在這種情況下，主電機的輸出轉(zhuǎn)速值作為從電機的輸入轉(zhuǎn)速值。由此可以得出，從電機能夠反映并且跟隨任何加在主電機上的速度命令或者是從電機的負(fù)載擾動。

在這種控制方式中，當(dāng)主電動機的負(fù)載受到擾動時，所有從電動機都會受其影響；但是，當(dāng)任何一臺從電動機的負(fù)載發(fā)生變化時，其他所有電動機不會受到影響，這樣就會造成個別電機不同步。

圖2 主從控制結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 并行同步控制

并行同步控制是基于相同的給定參考輸入信號，各電機獨立運行的控制模式。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 并行同步控制結(jié)構(gòu)示意圖

在并行同步控制系統(tǒng)中，各單元獲得的輸入信號只受參考信號作用，不受任何其他因素的影響，所以任一電機的擾動不會影響任何其他電機的工作。并聯(lián)運行的同步控制系統(tǒng)優(yōu)點在于啟動、停止階段系統(tǒng)的同步性能很好，結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)，不同的單元不受距離的限制，可滿足一定條件下的同步要求。

2.3 耦合同步控制

耦合控制方式主要有虛擬總軸控制、交叉耦合控制和偏差耦合控制等。交叉耦合控制原理圖如圖4所示。與非耦合控制相比，交叉耦合控制主要的特點就是將2臺電機的速度信號進行比較，從而得到一個差值作為附加的反饋信號，再將這個反饋信號作為跟蹤補償信號，使系統(tǒng)能夠接受任何一臺電機的負(fù)載變化，從而獲得良好的同步控制精度。但這種控制方式對于超過3臺電動機的同步控制中不適合，因此盾構(gòu)中一般不采用此方法。另外，由于耦合系數(shù)選擇的好壞對同步性能的影響至關(guān)重要，而在實際應(yīng)用中，很難將耦合系數(shù)調(diào)整到最佳值。另外2種是交叉耦合的發(fā)展延伸，同樣存在上述缺點。

2.4 控制方式的選擇

通過以上分析可知，由于刀盤驅(qū)動電機數(shù)量較多，采用耦合控制會很復(fù)雜實現(xiàn)起來會很麻煩[7]。主從控制從理論上來說可以滿足同步及力矩平衡的要求，但是在實現(xiàn)這種控制方式過程中存在一個通信實時性的問題，即主變頻器與從變頻器信號傳輸?shù)膶崟r性，因為主變頻器的力矩信號由變頻器的信號給定，當(dāng)遇到負(fù)載波動比較大的情況時，信號傳輸過程的延時，將會導(dǎo)致主從之間出力不均衡，此時通信的實時性直接影響到整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖4 交叉耦合控制結(jié)構(gòu)示意圖

并行同步控制有其突出的優(yōu)點，每臺變頻器對應(yīng)控制一臺電機，各變頻器之間無需聯(lián)系，其特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)，控制的關(guān)鍵是要求電機的負(fù)載差異小，即各電機的機械特性保持一致，從而達(dá)到多個電機負(fù)載平衡。根據(jù)并行控制的原理，只要保證各個電機的速度一致，則各個電機所輸出的力矩就可保持平衡，所以在控制中只要保證速度一致即可?；诰C合考慮本系統(tǒng)采用并行同步控制策略，為了使控制性能更加完善，下面對控制算法進行研究。

3 模糊PID在多電機同步驅(qū)動中的應(yīng)用

3.1 控制器的設(shè)計

PID控制具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用面廣的特點，但由于多電機同步控制系統(tǒng)具是一個多變量、高耦合、非線性的系統(tǒng)，一組整定好的PID參數(shù)不能很好地滿足控制的要求[8-9]；而模糊控制由于其控制規(guī)則總結(jié)了工程技術(shù)人員的經(jīng)驗知識，不需要控制對象具有精確的數(shù)學(xué)模型就可以使得控制系統(tǒng)具有很好地魯棒性[10]。結(jié)合兩者的特性，本文采用了模糊PID控制算法。如圖5所示，以速度的誤差e及誤差變化率ec作為控制器的輸入，基本論域分別為[-180，180]、[-150，150]。輸出用來對PID的參數(shù)進行調(diào)整，為了避免參數(shù)分檔造成的階梯變化，一般輸出只是作為一個修正值，即根據(jù)輸入計算出的ΔKP，ΔKI，ΔKD，這樣可以實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定，這樣可以快速減小同步誤差，從而達(dá)到比較好的控制效果，其基本論域分別為[-3，3]、 [-0.06，0.06]、 [-3，3]。KP0，KI0，KD0為控制參數(shù)的初值，由用戶設(shè)定，這樣用戶可以對參數(shù)進行宏觀調(diào)控，可以彌補模糊推理所造成的誤差，更好地增強系統(tǒng)的魯棒性。

圖5 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)專家經(jīng)驗，在本設(shè)計中，將2個輸入e和ec的絕對值，3個輸出ΔKP,ΔKI,ΔKD模糊子集進行常規(guī)的劃分，即負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)。將e,ec,ΔKP,ΔKI,ΔKD的基本論域定義為模糊集上的模糊論域：e,ec={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；ΔKP，ΔKI，ΔKD={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}。輸入模糊變量|e|，|ec|和輸出變量ΔKP，ΔKI，ΔKD隸屬度函數(shù)均采用對稱三角形隸屬函數(shù)。

3.2 模糊PID控制器控制規(guī)則

模糊PID控制算法中最重要的一步就是對PID參數(shù)進行自整定，關(guān)鍵是找出ΔKP，ΔKI，ΔKD和偏差及偏差變化率之間的關(guān)系，即模糊規(guī)則表，根據(jù)對以往工程實際操作經(jīng)驗的總結(jié)，制定出合理的模糊規(guī)則表。當(dāng)|e|較大時，為了使系統(tǒng)具有較好的跟隨性能，應(yīng)取較大的KP和較小的KD，為了避免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，KI最好為零；當(dāng)|e|和|ec|適中時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量，KP應(yīng)取小值，取值始終，KD的取值對系統(tǒng)的影響較大，為保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取值也要大小適中；當(dāng)|e|較小時，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，KP和KI的取值應(yīng)該增大，KD的取值與|ec|的大小關(guān)系很大，當(dāng)|ec|較小時，取值要大一點，當(dāng)|ec|較大時，取值應(yīng)小一點，目的是為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，提高其抗干擾性能。根據(jù)上面分析和實踐經(jīng)驗，制定出ΔKP，ΔKI，ΔKD的模糊規(guī)則表，如表1—3所示。

表1 ΔKP的模糊規(guī)則表Table 1 Fuzzy rules of ΔKP

表2 ΔKI的模糊規(guī)則表Table 2 Fuzzy rules of ΔKI

表3 ΔKD的模糊規(guī)則表Table 3 Fuzzy rules of ΔKD

本文采用重心法解模糊輸出，根據(jù)|e|和|ec|的變化，得到ΔKP，ΔKI，ΔKD的值，經(jīng)過式(1)計算得到PID控制器的參數(shù)KP，KI，KD。

(1)

4 仿真

本文對多電機同步驅(qū)動仿真利用matlab中的simulink模塊仿真軟件，一個電機對應(yīng)著一個模糊控制器，在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)電機的性能對模糊PID控制的初始參數(shù)和模糊規(guī)則進行相應(yīng)的調(diào)整。

電機選擇額定電壓380 V，額定頻率50 Hz，額定功率110 kW，極對數(shù)為2對的三相異步電動機模型，Tm用于輸入機械轉(zhuǎn)矩，電動機負(fù)載由常數(shù)模塊TL設(shè)定，輸出端m用于連接電機測量單元Machines Demux，輸出電機的參數(shù)。電機運行在速度模式，通過先進的矢量控制實現(xiàn)高精確的速度控制。矢量控制通過速度給定計算得到力矩給定，經(jīng)過相關(guān)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換運算獲取控制逆變器的開關(guān)信號plues控制逆變器晶閘管的通斷，從而使直流電變成頻率可調(diào)的交流電，控制電機的運行。在實際盾構(gòu)中，電機驅(qū)動中采用的變頻器為無速度矢量變頻器，但模型仿真中要依靠電機檢測信號反饋形成閉環(huán)回路，因而采用的是帶速度反饋的矢量控制，試驗中變頻器仿真模塊為了簡單省去了整流環(huán)節(jié)，直接利用了直流電源，通過逆變器來實現(xiàn)電壓的調(diào)整。單電機模糊PID控制的仿真模型如圖6所示。

圖6 單電機模糊PID控制仿真模型

以下實驗的電機都運行在速度控制模式，根據(jù)實際盾構(gòu)中驅(qū)動電機的運行狀況，為了簡化實驗，仿真中電機的速度都設(shè)定在1 400 r/min，通過控制器來控制電機的速度達(dá)到設(shè)定值。

本文首先對單電機利用模糊PID控制和PI控制算法在啟動和負(fù)載突變狀況下的響應(yīng)進行仿真對比，然后把模糊PID控制與并行同步控制結(jié)合起來利用4臺電機對多電機的同步性進行仿真，證明所設(shè)計的控制方法的實用性。

4.1 單電機啟動對比

在電機啟動時加一定的負(fù)載，模糊PID控制電機的啟動過程如圖7所示。在剛啟動階段有短時間的反向速度，這是仿真時的力矩補償造成的，但總體來看速度響應(yīng)非常迅速，在0.4 s左右可達(dá)到設(shè)定值。PI啟動如圖8所示，其響應(yīng)時間要比模糊PID控制的時間長，0.45 s達(dá)到設(shè)定值，但由于存在著超調(diào)和波動，完全跟蹤需要1 s左右。

圖7 模糊PID控制的速度響應(yīng)曲線

圖8 PI控制的速度響應(yīng)曲線

4.2 單電機載荷擾動對比

盾構(gòu)在掘進中，由于地層不均勻會導(dǎo)致電機所承擔(dān)的負(fù)載突變，通過改變電機所加的負(fù)載大小來進行模擬，載荷變化率為100%。模糊PID在1 s時使負(fù)載突變，速度的波動如圖9所示，波動范圍為10 r/min，并且能夠很快恢復(fù)到設(shè)定速度；PI控制的仿真在2 s時使負(fù)載突變，出現(xiàn)的波動如圖10所示，波動程度比模糊PID控制劇烈，波動時間也較長。

圖9 負(fù)載突變狀況下模糊PID控制的響應(yīng)曲線Fig.9 Curve of speed response of PID control under load mutation condition

圖10 負(fù)載突變狀況下PI控制的響應(yīng)曲線Fig.10 Curve of speed response of PI control under load mutation condition

4.3 多電機啟動

多電機的模糊PID控制的仿真，利用4個如圖6所示的單電機模型通過并行同步控制組合在一起，速度同一給定，觀察4臺電機的轉(zhuǎn)速變化情況。首先對4臺電機的啟動階段進行仿真，在啟動過程中，由于土層的不均勻等原因，每個電機承擔(dān)的負(fù)載可能會有所不同，所以在仿真時給電機加上不同的負(fù)載進行模擬。另外，實際中電機的參數(shù)會有些差異，在仿真時通過調(diào)整電機的定子、轉(zhuǎn)子的電阻、電感值來使電機性能略有不同。啟動階段4臺電機的速度響應(yīng)如圖11所示，4臺電機的速度響應(yīng)很快，其速度也基本相同。圖12為局部放大圖，電機1所施加的負(fù)載相對較小，依次類推，電機4施加的負(fù)載最大，因此其啟動速度略有不同。

4.4 多電機載荷擾動

對于盾構(gòu)掘進過程中負(fù)載的不確定性，在1 s時使負(fù)載突變，載荷變化率為100%，由圖13顯示4臺電機的速度均發(fā)生微小的反彈現(xiàn)象，但很快穩(wěn)定在1 400 r/min左右，可以看出模糊PID控制具有較強的魯棒性，對于負(fù)載的突變具有較強的抑制作用。

圖11 多電機啟動速度響應(yīng)Fig.11 Curve of speed response under multi-motors starting condition

圖12 局部速度響應(yīng)曲線

圖13 負(fù)載突變時4臺電機的速度響應(yīng)Fig.13 Speed response of 4 motors under load mutation condition

4.5 仿真結(jié)果分析

從單電機的仿真可以看出模糊PID控制在啟動中響應(yīng)速度比PI控制稍快一點，最重要的是沒有超調(diào)，而PI控制出現(xiàn)超調(diào)，且波動時間很長。在負(fù)載突變仿真中，負(fù)載的變化對模糊PID控制的影響較小，只有一個波動就可穩(wěn)定在給定速度，而PI控制振蕩比較明顯。所以模糊PID控制的性能要好一些。

在多電機的仿真中，模糊PID控制與并行同步控制方式相結(jié)合，可以看出隨著電機數(shù)量的增加，這種控制方法對電機的性能沒有太大影響，啟動的響應(yīng)時間和單電機基本一致，在遇到負(fù)載突變狀況時，電機的速度發(fā)生變化后，經(jīng)過短時間調(diào)整，很快恢復(fù)到設(shè)定值，幾臺電機之間的速度同步誤差比較小。只要電機的速度一致則它們所承擔(dān)的負(fù)載就是相同的，可以有效避免個別電機過載所造成的故障。綜上所述，本文所設(shè)計的控制策略對于外界的擾動具有較強的抑制能力，同步性能大幅度提高，順應(yīng)載荷波動的能力增強。

5 結(jié)論與討論

本文針對盾構(gòu)控制電機數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，刀盤電機同步性能難以保障的特點，對盾構(gòu)的控制系統(tǒng)進行分析研究。首先研究了主從控制、并行同步控制和幾種耦合控制在盾構(gòu)驅(qū)動電機控制應(yīng)用的特點，得出了在盾構(gòu)控制中采用并行同步控制的合理性。然后設(shè)計了一種基于模糊PID智能盾構(gòu)控制算法，并將該算法和并行同步控制進行結(jié)合。最后通過實驗仿真將該方法與常用的PI控制方法對比，發(fā)現(xiàn)該方法可以有效提高多電機的響應(yīng)速度，減少同步誤差，效果明顯，并且其控制的同步性能和抗負(fù)載擾動的性能更佳。本文研究的控制策略在實驗研究階段取得了良好的效果，在后續(xù)研究中可以考慮利用在盾構(gòu)施工控制中，這對保障盾構(gòu)施工的安全及準(zhǔn)確控制具有重要的意義。

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常州金土木工程儀器有限公司 封二

西安交大流體壓縮國家工程中心咸陽風(fēng)機廠 插一

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阿特拉斯·科普柯(上海)貿(mào)易有限公司 封底

StudyonSynchronousControlTechnologiesforCutterHeadDrivingMotorsofShield

REN Yingying1,2,ZHOU Jianjun1,2,WANG Zhufeng1,2,ZHANG Hepei1,2,LI Hongbo1,2

(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhenzhou450001,Henan,China; 2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The synchronous performance of the cutter head driving motors of shield is the key to the normal operation of the cutter head drive system of shield.In this paper,the advantages and disadvantages of master-slave control,parallel synchronous control and coupling control of driving motors of shield are analyzed,and the rationality of parallel synchronous control is demonstrated.A multi-motor synchronous control method based on fuzzy PID controller and parallel synchronous control structure is proposed and simulated by means of Matlab/simulink module,and comparison and contrast is made between the mentioned control method and PI control.The study shows that the mentioned control method is superior to PI control in terms of dynamic response,real-time performance and robustness,and it can achieve better synchronous working of the motors at the set speed.

shield; cutter head drive; multi-motor; parallel synchronous control; fuzzy PID control

2014-07-11;

2014-08-20

國家863計劃項目(2012AA041802)；國家國際科技合作專項(2011DFB71550)；中鐵隧道集團重大課題(隧研合2013-10)

任穎瑩(1985—)，女，河南南陽人，2013年畢業(yè)于鄭州大學(xué)，控制理論與控制工程專業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事盾構(gòu)及掘進技術(shù)研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.013

U 455.3+9

A

1672-741X(2014)12-1196-06