灰色预测如何应用在TBM推进系统同步控制中???　  中山小榄云梯车出租,  中山云梯车出租,  云梯车出租  　支撑－推进－换步机构是TBM实现连续循环掘进作业的核心传动机构，而推进系统在同步控制过程中的性能优劣将直接决定TBM的掘进效率和掘进精度。但是在调试过程中发现，传统PID控制策略对该推进系统同步控制的精度低，无法满足工程需要。分析其原因，主要在于TBM推进系统是典型的机电液耦合系统，机械、电气、液压的物理现象相互作用使得控制较为复杂，电液比例减压阀作为推进系统的主要元件，由于阀体存在滞环、死区等非线性因素，且系统的结构参数不明确、时滞性较强，液压系统受温度、负载等参数的变化对电液系统的影响较大，在需要精确控制压力时必须对电液比例减压阀出口压力进行闭环反馈校正，因此常规基于被控对象精确数学模型的控制算法难以实现对电液比例系统的精确同步控制。灰色系统理论特别适合处理部分参数未知、信息缺乏、环境参数不明确的系统。灰色预测技术已被成功地用于解决许多工程问题，包括FAST液压促动器的位置和速度控制、机器人的位置控制、具有固有迟滞特性的压电促动器位置控制、非线性液位系统控制和锅炉汽包水位控制。文中将灰色预测模型应用到传统PID控制中，提出一种新型的步长调整机制，避免了通过建立模糊规则改变灰色预测步长的复杂性，也避免了通过经验设定步长变换阈值改变步长的不准确性和耗时性。通过建立TBM推进系统同步控制的AMESim模型，将变步长灰色预测PID控制策略应用到同步控制中，对比分析仿真和试验数据，验证了该策略的有效性。

      1TBM推进系统的同步控制方式,   TBM推进液压系统是用于TBM推进工况的多缸液压同步系统，该推进系统属于电液比例控制系统，在实际工况条件下，除了系统不可避免地存在泄漏现象，最主要的因素是由于地质不均匀所导致的刀盘左右方向上的外负载大小不一致，导致液压缸的实际位移存在差别，因此控制系统的实时性要求较高。为了探究在纠偏过程中推进系统的电液比例同步控制性能，将推进系统的同步控制简化成左右两个液压缸的同步控制，以便后续对系统的同步控制和抗干扰能力进行分析。TBM掘进时，三位四通比例换向阀始终右位接通，控制器0只对液压缸的位置信号进行检测，通过实时监测液压缸的位移信号控制换向阀的开度，使得液压缸移动到指定位置后停止推进。控制器1和控制器2实现两个液压缸的位置同步控制，其中电液比例减压阀出口压力的最低调节基准是初始调节压力（2．5MPa）。当任何一个减压阀因为在同步控制过程中调节到初始调节压力后仍需调小出口压力的时候，系统将调节另一个减压阀的出口压力，其目的是为了保障液压缸能够克服刀盘上最大外负载力。计算机将非对称液压缸1，2的位移进行对比，当两缸位置相等时，电液比例减压阀的控制端输入的电信号始终为0，此时电液比例减压阀出口压力始终保持为初始压力2．5MPa，控制器1和控制器2不起控制作用，推进系统只需在控制器0的位置控制下就能实现液压缸的同步控制。当位置不相等时，控制系统通过控制器1和控制器2对电液比例减压阀的出口压力进行调整，以保证两缸的位置同步。在实际工况下，由于外部环境的不确定性及系统本身的泄漏、磨损、制造和安装误差等因素，液压缸1和液压缸2在推进时不同步的现象非常明显，需要进行有效的位置同步控制，为了更好地辨析这些信息部分明确、部分不明确的小样本、贫信息不确定性因素，对控制器1和控制器2提出了更高的要求。

     2TBM推进系统的AMESim建模由于电液比例减压阀是同步控制过程中非常重要的元件，为了更加精确地表达推进系统的性能特征，根据电液比例减压阀的结构特点，采用AMEsim软件的HCD库，搭建电液比例减压阀模型，并进一步搭建推进系统的同步控制回路。在灰色预测PID控制器中，预测步长m对控制性能的影响较为显著。为了进一步改善控制器的性能，引入预测步长调整机制，根据系统当前时刻系统的实际误差E（t）和误差变化率EC（t）动态调整预测步长。变步长灰色预测PID控制器的原理。

      新型步长调整机制目前，步长调整的方法主要分为两种：（1）通过模糊规则制订详细的步长调整方式，需要大量的人工经验和现场测试，耗时耗力；（2）根据工程要求，人为地设定步长变换阈值作为步长调整的边界条件，并通过比较t时刻的实际误差与步长变换阈值的大小，对系统上升、下降、平稳3个响应阶段进一步划分（判断是否在设定值附近），此方法虽然避免了模糊规则的制订，但步长变换阈值的确定过程非常复杂，偏大或者偏小都会对响应阶段的进一步划分及步长的选取产生严重的影响。故考虑将系统预测误差e（t）引入步长调整机制的判别条件中，根据其与系统实际误差E（t）的方向关系，正确判断系统的运行阶段并对步长进行变换。当e（t）E（t）<0时，说明系统的波动已经在设定值附近变化，此时为避免超调，预测步长的绝对值应选取较小值；当e（t）E（t）≥0时，说明系统已经超出设定值很大的范围，实际误差很大，预测步长的绝对值应选取较大图3变步长灰色预测PID控制的原理图值。工业控制中对实时性要求较高，故建立序列的尺寸不宜太大，通常取n＝5。

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    电液比例同步控制仿真分析,  基于推进系统的AMESim同步控制模型，通过MATLAB/Simulink进行联合仿真，分析传统PID控制策略（PID）和变步长灰色预测PID控制策略（SGPID）在推进系统电液比例同步控制中的控制效果。TBM各机械零件的几何尺寸缩比系数为1∶10，外负载缩比系数为1∶1000，刚度缩比系数为1∶100，并在后文中搭建实验台。在推进过程中每个非对称液压缸的工作载荷最大为5000N，液压缸内径为50mm，活塞杆直径为28mm，活塞杆最大伸长量为200mm，工作行程为164mm，额定压力为5MPa，工作压力为2．5MPa。齿轮泵排量为14mL/min，转速为1450r/min；三位四通比例换向阀额定压力为21MPa，额定流量为4L/min。推进时，三位四通比例换向阀回油腔压力为0MPa，入口压力14MPa，出口压力未知，初拟为13．5MPa；电液比例响应阶段进一步划分实际误差控制方式预测步长上升阶段，EC（t）<0在设定值附近，e（t）·E（t）<0正在接近设定值E（t）≥0慢速上升，避免超调－1略有超出设定值E（t）<0慢速下降，避免振荡1偏离设定值过多，e（t）·E（t）≥0低于设定值过多E（t）≥0快速上升，减小上升时间－2超出设定值过多E（t）<0快速下降，避免超调2下降阶段，EC（t）>0在设定值附近，e（t）·E（t）<0正在接近设定值E（t）≥0慢速上升，避免超调－1略有超出设定值E（t）<0慢速下降，避免振荡1偏离设定值过多，e（t）·E（t）≥0低于设定值过多E（t）≥0快速上升，减小上升时间－2超出设定值过多E（t）<0快速下降，避免超调2平稳阶段，EC（t）=0—定值避免静态误差和振荡1步长调整机制PID控制器被控制对象输出输入uGM（1，1）输出的预测值ec（t）+--++-e（t）e（t）E（t）EC（t）3减压阀初始压力调至2．5MPa。在相同控制参数下（控制器0：Kpw＝22．5，Kiw＝0．25，Kdw＝8，同步控制器：Kpn＝25，Kin＝7，Kdn＝0．16），控制器0控制液压缸走到10mm位置时停止推进，同步控制器（控制器1和控制器2）分别采用SGPID控制策略和常规PID对推进系统的同步性能进行仿真，两个液压缸上的偏载加载曲线。分析同步误差曲线，作用在两个液压缸上的外负载出现阶跃，且F1≠F2，PID控制算法下的同步误差出现了明显振荡和超调，且振荡衰减较慢，而SG-PID几乎没有出现振荡，但是出现了小幅超调。随着阶跃信号幅值的增大，两种控制算法的超调均增加，但是SGPID控制下的同步误差仍然没有出现振荡，且迅速衰减。在整个过程中，SGPID控制下的同步误差在0．12mm以内，PID控制下的同步误差在0．25mm以内。图4c，d直观地展现了SGPID和PID两种控制策略下电液比例减压阀的出口压力情况，在液压缸的伸出过程，电液比例减压阀出口压力的最低调节基准是初始调节压力（即2．5MPa）。当任何一个减压阀因为在同步控制过程中调节到2．5MPa后仍需调小出口压力时，系统将转而调节另一个减压阀的出口压力，这是为了保证液压缸能够克服最大外负载力运行。相比于PID控制方式，SGPID控制下的电液比例减压阀出口压力响应迅速，压力调节平稳、无振荡，控制效果更加优越。

    5试验验证，　TBM试验样机总体结构。试验样机本体包括机架、主机、负载加载装置、围岩模拟装置等。将传统PID控制策略和SGPID控制策略分别写入控制器，对推进系统的同步控制进行试验，折算到两个液压缸上的偏载加载曲线。在整个过程中，SGPID控制下的同步误差在0．15mm以内，PID控制下的同步误差在0．3mm以内；相比于PID控制方式，SGPID控制下的电液比例减压阀出口压力没有出现振荡现象，压力调节更加平稳。综上所述，SGPID控制策略提高了液压执行机构的动态特性，为推进系统的同步控制和纠偏提供了良好的保障。

     结论（1）在借鉴前人对电液比例减压阀结构研究的基础上，建立了TBM推进系统同步控制的AMESim模型，为电液比例同步控制的仿真和试验分析奠定了理论基础。（2）针对TBM推进系统的机电液耦合特征，以及外部环境信息不明确的特点，将灰色预测模型应用到传统PID控制中，提出一种简单实用的步长调整机制，弥补了以往灰色预测调整机制的缺陷。（3）在相同PID参数条件下，SGPID能大幅提高系统的电液比例同步控制精度，减小系统的波动，具有很强的实用价值。

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