PID控制在盾构施工中的运用

所谓PID控制就是P(比例)I（积分）D（微分）控制。比例积分微分控制包含比例、积分、微分三部分，实际使用中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量。在电气控制系统中，PID控制其实际是一种控制方式，一般应用于闭环反馈环节，如果我们需要控制一个执行元件（电动机、比例阀等），不单单是控制它的启动、停止或者打开、关闭。而且要控制它的速度、位移等。就是怎样对电动机之类的执行元件进行高精度的控制，把它定位在某一速度或者是位移上。光靠给定一个指令信号值去控制它是远远不够的，它会出现一个稳态误差。比方说，我要去控制一个电动机，使它的转速定位在100转/分钟。但是由于电网电压偏差等各种原因导致这台电动机的转速定位在95转/分钟或者105转/分钟，这就需要我们在控制系统中加入速度反馈环节。利用测速发电机等元件采集电动机的实际速度信号反馈给控制器作比较，通过控制器的运算结果，重新给定指令信号，把速度误差一步步缩小，直至达到100转/分钟。这部分的控制就由PID控制来完成。由此可见，它的实际运用较为广泛，比如我们土压平衡盾构机中的土压平衡控制、螺旋机比例阀的自动控制以及双圆盾构的刀盘转角控制等（如何使得两个刀盘始终保持一定的角度差而不互相干扰）。 比例（P）控制 　　比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差讯号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分（I）控制 　　在积分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的积分成正比关系。 　　对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制 　　在微分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 　　自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）和（或）有滞后(delay)的组件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重地冲过头。 　　所以对有较大惯性和（或）滞后的被控对象，比例+微分(PD)的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 PID参数的作用 　　1. 比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。 　　2. 积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。Ti越小系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过小，否则在响应过程中会产生超调、振荡、稳定性变差现象。若Ti变大，则系统的超调减小，减少振荡使得系统稳定性增加。但是系统的稳态误差消除变慢，将难以消除，影响系统的调节精度。 　　3. 微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但Ti不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。 　　总之PID参数的整定必须考虑在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。 PID参数的调整： 　　在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。 1. 增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 2. 增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。 3. 增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。 　　在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。 　　首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。 　　如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原值的0.8)，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。 　　如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。 PID控制运用 土压平衡控制 　　土压平衡盾构机是通过盾构机推进千斤顶的推力，用其抵住刀盘切削面的土压及地下水，使土压在保持平衡的状态下进行掘进。在掘进过程中，要通过“手动”或“自动”模式调节盾构推进千斤顶的速度或螺旋输送机的转速，使切削土量与排土量达到平衡，保证周围土压不发生变化。 土压平衡盾构机控制土压平衡的方式一般有三种： 1. 手动控制 　　用手动方式调节盾构推进千斤顶的推进速度或螺旋输送机的转速，使其达到土压平衡。这种方式一般在盾构机初期掘进和盾构机进洞时使用。 2. 体积（土量）自动控制 　　体积（土量）控制是让切削土量与排土量保持平衡的控制。通过螺旋输送机的转速与盾构推进千斤顶的推进速度保持一定正比例关系，可以保证掘土量与排土量的平衡。 3. 土压自动控制 　　根据安装在土仓隔板上的土压传感器检测到的土仓内某一位置的土压值，与所设定的目标土压值进行比较，结合盾构机推进速度，给出螺旋输送机转速给定值。通过运算放大后，来控制螺旋输送机的转速。其实，土压控制中结合了体积控制。当实际土压高于目标土压时，螺旋机转速会适当增加；当实际土压低于目标土压时，螺旋机转速会适当减小。这种方式被我们在盾构机正常掘进时普遍使用。我们主要介绍一下土压自动控制。 ·螺旋机运转的控制流程 　　由装于土仓隔板部的土压传感器检测出仓内实际土压力，经信号放大后与目标土压进行比较，结合盾构机推进千斤顶的推进速度进行运算处理，通过螺旋增量比率和积分时间的运算得到螺旋机转速基准值，然后再经过恒流放大来控制螺旋机比例阀，通过螺旋机比例阀来控制螺旋机液压马达的转速，达到土压平衡控制的目的。其中，比例阀控制器负反馈给基准转速信号，形成一个单闭环系统。就整个土压平衡控制系统来讲，它是一个开环系统。 ·目标土压值的设定 　　目标土压理论值是根据隧道离地表的深度、土压计在土仓内的高程等各方面因素来决定的。根据所推算的目标土压理论值综合考虑地面环境、土质、施工条件作出适当调整，得出实际的目标土压值。目标土压值设定过小会可能造成地面沉降、塌陷的危险；目标土压值设定过大会造成由于盾构机的过分掘进而引起的地面隆起、盾构机损伤等后果。 ·螺旋机基准转速的数据处理 　　在螺旋机基准转速的数据处理中，比较关键的一部分就是螺旋机增量比率(P)和积分时间(I)参数的设定。通常我们确定的盾构机掘土量要考虑切削土的膨胀率、加泥/加水量等因素，而排土量则要考虑螺旋输送机的排土效率。综合上述因素，盾构机一般都有螺旋机增量比率和积分时间参数的设定，通过螺旋机增量比率来抵消上述因素。这两个参数能决定在设定目标土压下，螺旋机转速跟踪的速度和幅度。螺旋机增量比率控制相当于我们理论上所讲的PI控制。增量比率过大、积分时间过长，会使螺旋机转速变化过快、幅度过大，而引起系统工作的不稳定；增量比率过小、积分时间过短，会使螺旋机转速跟不上土压变化过程，实际土压与目标土压很难达到一致。所以，我们在实际使用过程中，一定要根据各方面因素，把这两个参数设置到最佳值。 比例控制 　　如图所示，当土压上升时提高螺旋机的转速，相反，当土压下降时则降低螺旋机的转速。土压的变化较大时螺旋机的转速变化也大，这就叫比例控制。 　　决定比例控制的变量比例的参数是“螺旋机控制参数”的“比例放大”。加大“比例放大”时，相对于土压的变动，螺旋机转速变化也增大。相反，减小“比例放大”时，相对于土压的变动，螺旋机转速变化也减小。 积分控制 　　螺旋机控制中积分控制是指对实际土压和目标土压的偏差进行积分计算后再进行修正的控制。修正控制如下图，是在积分时间（T）后变化<