盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的自動(dòng)軌跡跟蹤控制技術(shù)研究.pdf

1、盾構(gòu)是一種隧道工程專用的大型高科技綜合施工設(shè)備,具有開(kāi)挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能。推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)著整個(gè)盾構(gòu)的掘進(jìn)任務(wù),要求完成盾構(gòu)的轉(zhuǎn)彎、曲線行進(jìn)、糾偏以及姿態(tài)控制,使得盾構(gòu)能沿著事先設(shè)定好的路線前進(jìn),是盾構(gòu)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。由于龐大的盾構(gòu)機(jī)是機(jī)、電、光、液多場(chǎng)強(qiáng)耦合的現(xiàn)代復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng),具有時(shí)變性、嚴(yán)重非線性、強(qiáng)耦合,大突變載荷、遠(yuǎn)距離傳動(dòng)等特點(diǎn),因此綜合模擬試驗(yàn)臺(tái)的研制是掌握全斷面掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的有效手段,它為

2、驗(yàn)證各種新型理論的實(shí)用性,可行性、可靠性提供了一定的條件。
　　 本論文以盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)為研究對(duì)象,其主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 第一章首先簡(jiǎn)述了常見(jiàn)盾構(gòu)法隧道施工的分類、組成、工作原理,而后介紹了國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)模擬試驗(yàn)臺(tái)研究概況,隨后介紹了兩套常見(jiàn)盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)組成及原理,對(duì)其區(qū)別和各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析,最后介紹了國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)位姿控制研究概況,分析目前實(shí)際施工中位姿糾偏中存在的不足,并在此基礎(chǔ)上提出了本課題的研

3、究意義和內(nèi)容;
　　 第二章通過(guò)方案論證抽象出盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型,并以此模型為基礎(chǔ),建立了雙缸系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎或糾偏過(guò)程中任一推進(jìn)行程的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;隨后對(duì)盾構(gòu)機(jī)可能出現(xiàn)的幾種基本位姿偏差的糾偏路徑進(jìn)行了具體的最優(yōu)化設(shè)計(jì),并結(jié)合之前建立的模型和“西子號(hào)”盾構(gòu)機(jī)施工、結(jié)構(gòu)參數(shù),列舉了幾種典型工況下位姿糾偏數(shù)值計(jì)算結(jié)果;
　　 第三章首先闡述了推進(jìn)系統(tǒng)液壓負(fù)載模擬方案選擇依據(jù)和推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的工作原理,通過(guò)搭建推進(jìn)系統(tǒng)A

4、MESim仿真模型,驗(yàn)證了土層負(fù)載模型的有效性,并對(duì)推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度控制特性進(jìn)行了仿真研究;隨后闡述了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的自動(dòng)軌跡跟蹤控制器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法,并針對(duì)某種特定工況采用定值補(bǔ)償前饋加上PID反饋的串級(jí)控制的自動(dòng)軌跡跟蹤控制效果進(jìn)行了初步的仿真分析;
　　 第四章為了滿足整個(gè)系統(tǒng)程序控制,常用信號(hào)給定,模擬負(fù)載的實(shí)施,各種控制算法在模擬盾構(gòu)軌跡姿態(tài)控制等試驗(yàn)的要求,對(duì)現(xiàn)有推進(jìn)液壓系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)電氣部分進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)。試

5、驗(yàn)臺(tái)電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括電氣元器件選型,多路手動(dòng)、程控切換電路;軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)的給定,Lbview人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)以及測(cè)控程序的編寫,并利用Proteus和KeiluVision3對(duì)拉線編碼器雙向高速計(jì)數(shù)功能進(jìn)行了仿真研究;
　　 第五章通過(guò)理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法驗(yàn)證了常用控制算法在推進(jìn)壓力、推進(jìn)速度控制方面的控制效果;進(jìn)一步,通過(guò)列舉幾種常見(jiàn)施工工況及地質(zhì)負(fù)載條件,驗(yàn)證了盾構(gòu)機(jī)在不同工作模式下