盾構(gòu)掘進過程中的自動軌跡跟蹤控制技術(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,具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能。推進系統(tǒng)承擔(dān)著整個盾構(gòu)的掘進任務(wù),要求完成盾構(gòu)的轉(zhuǎn)彎、曲線行進、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,是盾構(gòu)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。由于龐大的盾構(gòu)機是機、電、光、液多場強耦合的現(xiàn)代復(fù)雜機電系統(tǒng),具有時變性、嚴重非線性、強耦合,大突變載荷、遠距離傳動等特點,因此綜合模擬試驗臺的研制是掌握全斷面掘進機關(guān)鍵技術(shù)的有效手段,它為

2、驗證各種新型理論的實用性,可行性、可靠性提供了一定的條件。
　　 本論文以盾構(gòu)推進電液控制系統(tǒng)為研究對象,其主要研究內(nèi)容如下:
　　 第一章首先簡述了常見盾構(gòu)法隧道施工的分類、組成、工作原理,而后介紹了國內(nèi)外盾構(gòu)模擬試驗臺研究概況,隨后介紹了兩套常見盾構(gòu)推進電液控制系統(tǒng)組成及原理,對其區(qū)別和各自優(yōu)缺點進行了比較分析,最后介紹了國內(nèi)外盾構(gòu)位姿控制研究概況,分析目前實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;
　　 第二章通過方案論證抽象出盾構(gòu)機液壓推進系統(tǒng)機構(gòu)簡化模型,并以此模型為基礎(chǔ),建立了雙缸系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎或糾偏過程中任一推進行程的運動學(xué)模型;隨后對盾構(gòu)機可能出現(xiàn)的幾種基本位姿偏差的糾偏路徑進行了具體的最優(yōu)化設(shè)計,并結(jié)合之前建立的模型和“西子號”盾構(gòu)機施工、結(jié)構(gòu)參數(shù),列舉了幾種典型工況下位姿糾偏數(shù)值計算結(jié)果;
　　 第三章首先闡述了推進系統(tǒng)液壓負載模擬方案選擇依據(jù)和推進系統(tǒng)試驗臺的工作原理,通過搭建推進系統(tǒng)A

4、MESim仿真模型,驗證了土層負載模型的有效性,并對推進壓力和推進速度控制特性進行了仿真研究;隨后闡述了盾構(gòu)掘進過程中的自動軌跡跟蹤控制器的設(shè)計及實現(xiàn)方法,并針對某種特定工況采用定值補償前饋加上PID反饋的串級控制的自動軌跡跟蹤控制效果進行了初步的仿真分析;
　　 第四章為了滿足整個系統(tǒng)程序控制,常用信號給定,模擬負載的實施,各種控制算法在模擬盾構(gòu)軌跡姿態(tài)控制等試驗的要求,對現(xiàn)有推進液壓系統(tǒng)模擬試驗臺電氣部分進行了軟硬件設(shè)計。試

5、驗臺電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括電氣元器件選型,多路手動、程控切換電路;軟件設(shè)計主要包括PLC開關(guān)量控制信號的給定,Lbview人機界面的開發(fā)以及測控程序的編寫,并利用Proteus和KeiluVision3對拉線編碼器雙向高速計數(shù)功能進行了仿真研究;
　　 第五章通過理論分析和試驗相結(jié)合的方法驗證了常用控制算法在推進壓力、推進速度控制方面的控制效果;進一步,通過列舉幾種常見施工工況及地質(zhì)負載條件,驗證了盾構(gòu)機在不同工作模式下