深隧衬砌管片力学试验的液压控制

目前上海面临排水防涝和地面源污染的建设问题，为了解决此状况需铺设深层排水管路，由于没有先例，必须先要做试验。

首先模拟管路埋设在50 m以下土层中，深度越深，衬砌管片外圈压力会越大；而当管路通水时，深度越深，衬砌管片内圈压力也会越大。

常用的过氧化试剂有过氧甲酸、过氧乙酸、间氯过氧苯甲酸等。过氧酸是一种酸性比母体酸若千倍的弱酸，造成这一现象的原因主要是过氧酸分子内极易形成能量稳定的五元环所致。不过这不代表安全，长链过氧酸室温为固体，较为稳定。而短链液体过氧酸，受热易分解和爆炸，应避光低温妥善保存。过氧酸常常被用作引发剂、氧化剂[15]和消毒剂。

根据试验需要将液压缸分成内外各9个区进行加载。共有196个液压缸，如图1所示。

  

图1 衬砌管片力学实验结构图

内圈分为9个区F1到F9，外圈分为9个区P1到P9，侧面1个区，圈上为液压缸无杆腔压力、下为油泵出口压力。左边为内圈设定压力，右边为外圈设定压力，如图2所示。

在每组液压缸伸出加载过程中，执行PID闭环控制，通过以下公式运算（逆向完全微分运算）：

闭环控制每次加载幅值不同，由于PID设置值是定值，参数设置为正常工作时设定。在非工作大幅度升压时，压力会超调。为了安全，当实际压力超出设定压力时，停止PID执行，直接给出1/2给定值；当实际压力小于设定压力时，继续进行PID控制，如图7所示。

反应依赖机制是如何帮助个体管理情绪呢？对于情绪困扰者而言，他人的支持行为可能提供一种安全信号，使得个体重新思考引发情绪的刺激性事件.个体会意识到并非独自面对负性事件，进而产生共同的心理资源，使压力性事件转变为威胁性更小的挑战事件.同时，个体对事件的认识也更加主观化、理智化和中性化.即便他人没有给予直接的社会支持，也可能使个体感觉对方已理解他的感受，而理解本身就是一种鼓励.除此之外，分享自我体验和看法也是关系的重要指标，能够增进双方关系的发展，而建立关系是人际交往的重要需求.也就是说，即便没有改变个体对刺激性事件的评估，也会影响个体的情绪及其对支持可得性的认知[11,16].

  

图2 压力闭环控制监视画面图

  

图3 PID闭环控制原理图

要让加载压力设定精准，必须通过闭环控制才能实现。将液压缸无缸腔压力传感器的压力值作为反馈信号，与设置值进行比较，通过比例溢流阀输出调整压力，使设定值与实际压力值一致，见图3所示。

 

比例常数：控制动作快慢，值较大时，输出值大于目标值较多。一般为大泵80%。小泵60%。积分常数：存在有偏差时，连续地变化MV（操作值）以消除偏差的动作，该动作可消除比例动作中产生的偏置。该值设置大稳定时间较长，该值设置小时会导致直接超设定值，非常危险。一般为大泵75，小泵100。微分常数：参数偏差时，将与偏差随时间的变化率成正比例的MV（操作值）施加到偏差中以消除偏差动作。在这里设零，设值会使系统稳定性变差，PID运算程序如图6所示。

图3为波浪作用下沉管周围海床的渐进液化。由图3可见，沉管近、远场海床显示了不同的渐进液化特性。远场的液化最先发生在海床面，并逐渐向下扩展。随着波浪持续作用，远场液化区域的发展最终由二维问题转变为仅随深度相关的一维问题。在波浪作用的40周后，远场海床液化深度达到4.8 m。近场处，沉管顶板和底板区域处海床最先发生液化，在此之后，液化区域沿着沉管周围逐渐扩展，除与海床面的液化区域逐渐连成一片外还不断向下扩展，沉管底板下部1.1 m深度海床也发生液化。

采样周期：受压力传感器的采样频率和可编程控制器的A/D、D/A转换时间，以及系统建压时间的影响。比大泵少16 ms，比小泵多40 ms。

  

图4 9组液压缸组成的液压系统原理图

在逆向动作中，与SV（设置值）相比，PV（测量值）减小时，使MV（操作值）增加。

5月25日，李克强总理和汪洋副总理针对当前防汛抗洪工作作出重要批示，要求国家防总继续加强对遭受暴雨洪水袭击地区的一线指导，加大防汛支持力度；针对华南、江南等地可能再度出现强降水的情况，科学研判，超前部署，做足做细做实预案，提高监测预警能力、调度避险能力、应急处置能力和工程修复能力，对防洪基础薄弱环节要尤为关注，并切实严防可能引发的次生灾害，确保群众生命和财产安全，确保安全度汛。5月26日上午，国家防总副总指挥、水利部部长陈雷主持会议，传达贯彻李克强总理和汪洋副总理重要批示精神，对防汛抗洪工作进行再安排再部署。

由于此系统对压力控制精度高且压力较高，油泵选用高压轴向柱塞泵，由于泵轴向柱塞有一个固有频率f=1 450×7/60=170 Hz，对PID闭环控制有一个干扰。所以在泵出口加上了一个10 L的蓄能器，用来消除固有频率的干扰，见图4所示。

  

图5 PID运算参数设定

参见图5，PID的参数设置如下：

其中，EVn为在当前采样周期的偏差（油压值的偏差），EVn-1为在上一个采样周期的偏差，SV为设置值（给定油压值），PVn为在当前采样周期的测定值（压力反馈值），PVn-1为在上一个采样周期的测定值，PVn-2为在两个采样周期之前采样周期的测定值，ΔMV为输出变化值（调整后输出压力值），MVn为当前操作值，Dn为当前微分项，TS为采样周期，Kp比例常数，TI为积分常数，TD为微分常数。

  

图6 PID运算程序

在内外圈同时加载时，由于合力达到平衡器前，会产生微小位移，这时某组液压缸会受到挤压，无杆腔压力会升高。还有一种情况时当管片变形时，使某组液压缸会受到挤压，无杆腔压力也会升高。这时必须将压力降低压力保持原设定值，需要闭环控制。

  

图7 PID运算安全限位设定

这样做就可以避免在快速上压时，实际压力超出设定压力。

在做闭环控制时还会遇到一个问题，当压力下降到蓄能器充气压力值时，压力会产生20 bar的振荡，这是试验装置所不允许的。原因是由于蓄能器释放太快造成的，为了让蓄能器均速释放，在蓄能器管道中装入节流栓，来控制流量，消除振荡。

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在启泵时由于每组启泵起始压力不相同，通过调整每组比例阀的起始电流值，来调整起始压力值。

经过以上工作，满足控制所需19路闭环控制，使各个压力等级控制误差在0.3 bar以内，从而达到试验要求。

参考文献

[1]李刚.水压机主缸油压PID闭环控制[J].钢管，2015,(5):79-82.

[2]张文庆.用PLC的软件实现PID闭环控制[J].自动化技术与应用，2003,(2):7-8.

[3]李艳杰，等.比例阀控液压缸位置PID闭环控制的PLC软件实现[D].沈阳理工大学学报，2013.

[4]王武荣.基于PID闭环控制的变压边力优化设计[J].上海交通大学学报，2007,(4):515-519.