長(zhǎng)大坡度隧道掘進(jìn)機(jī)電液推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是一種專用于隧道施工的掘進(jìn)裝備，可以實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)過程的開挖、支護(hù)、排渣等自動(dòng)化作業(yè)。目前，針對(duì)普通平面隧道施工用的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)基本成熟。但是在長(zhǎng)大坡度隧道施工中，由于穿越地層深度跨度廣，埋深變化大，地質(zhì)條件更為復(fù)雜，對(duì)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)性能提出了更高要求，普通平面隧道掘進(jìn)機(jī)難以勝任。本文將針對(duì)長(zhǎng)大坡度隧道施工對(duì)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的特殊需求，通過理論分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法展開研究，具體內(nèi)容

2、如下:
　　第一章，介紹了隧道掘進(jìn)機(jī)工作原理及國(guó)內(nèi)外隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)展概況，分析了隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)電液控制原理、姿態(tài)控制算法的研究現(xiàn)狀，提出了長(zhǎng)大坡度隧道施工對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)的特殊需求，指出傳統(tǒng)的平面隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)在長(zhǎng)大坡度隧道施工中存在的問題。在此基礎(chǔ)上，對(duì)泵控差動(dòng)液壓缸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理、變量泵的動(dòng)態(tài)特性及泵控系統(tǒng)閉環(huán)控制方法進(jìn)行了綜述，并提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)大坡度隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的電液控制原理，

3、指出變量泵為系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。對(duì)斜盤式軸向柱塞變量泵動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，建立了錐形缸體中柱塞的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程，得到了柱塞腔中的壓力動(dòng)態(tài)分布，并分析了斜盤平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩與斜盤傾角、斜盤傾角角速度，變量泵負(fù)載壓力、變量泵輸入軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，對(duì)變量泵動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行簡(jiǎn)化，便于控制器設(shè)計(jì)。
　　第三章，對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)啟停過程中的壓力匹配控制動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，指出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中存在切換特性、非最小相位特性以及較強(qiáng)的時(shí)

4、變干擾，均對(duì)控制器設(shè)計(jì)造成不利影響。針對(duì)壓力動(dòng)態(tài)中的時(shí)變干擾，采用干擾觀測(cè)器對(duì)時(shí)變干擾進(jìn)行估計(jì)，將干擾估計(jì)值作為前饋以減小系統(tǒng)中的不確定性，并可保證干擾估計(jì)誤差的有界性。針對(duì)壓力動(dòng)態(tài)中的非最小相位特性，采用輸出重定義方法對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)變換，使得變換后的系統(tǒng)相對(duì)重定義輸出為最小相位，并設(shè)計(jì)了重定義輸出的參考軌跡，保證了壓力瞬態(tài)跟蹤性能。針對(duì)壓力動(dòng)態(tài)中的切換特性，采用共同Lyapunov函數(shù)法進(jìn)行反饋控制器的設(shè)計(jì)，由于被控系統(tǒng)及前饋控制器

5、的切換條件不同，誤差動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出四個(gè)子系統(tǒng)，采用共同Lyapunov函數(shù)法證明了控制器的穩(wěn)定性。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了上述控制算法的性能。
　　第四章，建立隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的壓力動(dòng)態(tài)模型，指出系統(tǒng)中存在較強(qiáng)的參數(shù)不確定性，此外，系統(tǒng)中還存在較強(qiáng)的飽和非線性現(xiàn)象。為保證系統(tǒng)在飽和輸入及參數(shù)不確定性下的動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性，在控制器中引入指令濾波反步控制器，將虛擬控制作為二階濾波器的輸入信號(hào)，將輸出的濾波信號(hào)作為實(shí)際控制輸入，可保

6、證濾波后的控制指令不會(huì)超過預(yù)設(shè)的幅值及速度限制，同時(shí)通過特殊構(gòu)造的控制率，使得閉環(huán)系統(tǒng)在執(zhí)行器飽和時(shí)仍可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此外亦可實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬控制及其導(dǎo)數(shù)信號(hào)的逼近，避免了對(duì)虛擬控制信號(hào)的解析求導(dǎo)過程，解決了backstepping方法中因?qū)μ摂M控制量求導(dǎo)而導(dǎo)致的“微分爆炸”現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，采用復(fù)合自適應(yīng)方法，同時(shí)利用系統(tǒng)中的跟蹤誤差及預(yù)測(cè)誤差對(duì)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)來達(dá)到快速自適應(yīng)的能力。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了上述控制算法的性能。

7、>　　第五章，針對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的速度控制，提出一種級(jí)聯(lián)控制策略，外環(huán)為速度控制器，內(nèi)環(huán)為壓力控制器，兩者之間互相獨(dú)立，這樣在速度控制器設(shè)計(jì)過程中可以忽略液壓缸壓力動(dòng)態(tài)，將其當(dāng)成理想的力產(chǎn)生器。為解決推進(jìn)系統(tǒng)速度控制中負(fù)載力不可測(cè)的問題，提出采用干擾力觀測(cè)器代替力傳感器，并將干擾力觀測(cè)值用于前饋控制，該觀測(cè)器可保證干擾誤差有界。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了上述控制算法的性能。
　　第六章，分析了現(xiàn)有推進(jìn)系統(tǒng)分區(qū)方法，以減小管片損傷為目