专利名称：全断面大型掘进装备的动态协调控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于隧道掘进自动化控制技术领域，涉及一种多场耦合作用下掘进 装备的动态协调控制系统。
技术背景目前，掘进装备的掘进安全、效率、可靠性及地质适应性等问题仍是尚未 解决的国际性重大技术难题。而密封舱压力失衡是地表塌陷等灾难性事故发生 的主要成因，密封舱压力平衡控制不仅与掘进过程中的应力场、温度场、渗流 场等多场耦合作用密切相关，而且还受到舱内多相介质组分、掘进与排碴速度 等因素的影响，由于尚未揭示出碴土组分及其力学特性对密封舱压力的影响规 律，导致难以通过推进、出土和刀盘等多子系统综合协调控制来实现密封舱压 力平衡。因此，多场耦合作用下密封舱压力动态平衡控制是大型掘进装备研究 中的前沿课题，也是影响地面变形的关键技术。现有研究主要存在以下问题变组分介质及流动特性对密封舱压力的影响 规律不清；多场耦合作用下的密封舱动态压力场分析及压力失衡特征分析没有 研究；掘进参数与密封舱压力场状态参数的映射关系缺乏理论上的研究，多以 经验公式表达；复杂地层掘进过程密封舱压力协调控制的理论研究尚未见报道。 因此，在实际操作中，调整密封舱压力主要依据经验或掘进试验，当实际检测 到密封舱的土压力值大于理论土压力设定值时，就可降低推进速度或提高螺旋 输送机转速；反之，可提高推进速度或降低螺旋输送机的转速；如果两者相等， 则可继续前进；当检测到盾体的运行位姿有偏差时，操作人员凭经验调节推进
液压缸的压力和推进速度来纠正盾体的位姿偏差。如此反复的人工操作，严重 影响了掘进的效果和效率。目前对于密封舱压力平衡控制以及盾体的位姿纠偏控制，多数是通过操作 人员凭经验单一调整推进系统、刀盘系统或排渣系统的运行参数实现的，而没 有将三个子系统作为一个整体来考虑的协调控制技术。对于密封舱压力的平衡 控制，学者们提出了很多方法，其中有通过调节螺旋输送机的转速，改变排 渣量，或通过调整推进油缸的推力或刀盘的转速来改变进土量(胡国良，龚国 芳，杨华勇.盾构掘进机土压平衡的实现.浙江大学学报(工学版),2006，40(5),874-877);通过调节泡沫添加剂或压縮空气注入量等来控制压力 平衡沐伟，郭涛，魏康林.盾构用气泡的性能及对开挖土体改良效果影响.地下空间 与工程学报，2006, 2(4): 571-577)。对于盾构机姿态的控制主要有以下方法盾构 操作者根据姿态测量系统检测到的盾构姿态参数，分析实际轴线与设计轴线的 偏差，协调控制各分组液压缸的压力，完成掘进姿态的调整；建立施工数据库， 给出不同地质条件下千斤顶的参考推力，操作者根据实际的施工状况，调用数 据库，根据提供的数据参考值，实时调整盾构姿态(周奇才,吴玮.地质条件与盾构 姿态控制的关系研究.建筑机械化,2006，27(外37-39)。综上所述，现有的掘进装备控制系统主要有下述特点1. 在掘进过程中，主要采用监测的方法来判断密封舱的压力，利用压力传 感器实时反馈压力的变化情况，然后通过人工调整的方式，改变螺旋输送机的 转速、液压缸的推进速度、刀盘的转速、泡沫添加剂或压縮空气的注入量等， 保持密封舱压力平衡；2. 掘进装备的导向纠偏主要由操作人员根据当前盾构机的位姿情况，随时 调整推进液压缸的压力，进行姿态调整，但纠偏效果往往取决于操作人员的经验。从上述特点中可以看出，现有的隧道掘进装备控制系统，都是各子系统相 互独立工作，然后根据实际的掘进情况，操作人员凭经验改变各子系统的运行 参数来控制密封舱压力平衡并纠正盾体的位姿偏差，而没有采用各子系统协调 控制的策略解决上述问题。因此，严重影响了掘进的效果和精度。 发明内容本发明旨在提供一种全断面大型掘进装备的动态协调控制系统，解决了多 场耦合作用下掘进装备的多系统协调控制问题。本发明包括协调控制系统、推进系统、刀盘系统、排渣系统、位姿测量 系统、密封舱压力梯度分布模型。其中，协调控制系统在上位机监控系统中， 能够根据位姿测量参数、地表沉降参数、地质参数、推进参数、压力场分布参 数的实时变化情况，采用预测函数控制以及模糊控制方法，分别给出各个子系 统最佳的运行控制策略，实时修正推进、刀盘、排渣系统运行参数的设定值。 上位机监控系统与掘进机回路控制系统相连接，回路控制系统与推进系统、刀 盘系统、排渣系统、位姿测量系统、管片拼装系统等以现场总线方式相连接， 实现实时信息通信。其中，协调控制系统由推进协调控制模块、刀盘协调控制模块、排渣协调 控制模块构成推进协调控制模块根据地质参数对推进速度、推进压力参数进行设定，盾 构推力的设定值可按照下式计算<formula>formula see original document page 5</formula>其中，《为盾构机所受的压力， 〃为土与钢间的摩擦系数，A为水平土压力， c为土的粘结力，^为管片重量，^为坡度，^为滚动摩擦系数，"为盾尾台 车的重量，而推进速度则由具体的工况进行设定。然后根据压力场分布参数、地质参数以及地表沉降参数的实时变化情况，采用模糊控制策赂，并且根据地质情况将模糊集取值定义为{PB PM PS O NS NM NB}，然后根据参数的隶属范 围，对预先设定的参数值进行实时修正。刀盘协调控制模块根据地质参数对刀盘的转速以及正反转控制进行设定， 其中转速要根据地质情况进行设定，然后根据位姿测量参数、压力场分布参数 的实时变化情况，采用模糊控制策略，并且根据地质情况将模糊集取值定义为 {PBPMPSONSNMNB},然后根据参数的隶属范围，实时修正推进系统的参 数设定值。排渣协调控制模块根据推进系统、刀盘系统的参数设定值对排渣速度进行 设定，为了保持密封舱的压力平衡，推进速度与排渣速度必须满足下面的协调 方程其中，K为推进速度，"^排渣速度，j为盾构正面横断面面积，"^f开挖面 的压力变化，A为切割土体的压縮模量。采用神经网络学习算法，并且是单隐 层、多输入、单输出的网络结构，以密封舱压力场内的五个检测点压力值、推 进速度、切口水压、土质比重为输入，通过一定量的样本反复的训练学习，自适应的修改权值，最后得到密封舱压力输出值。艮P:其中，^为权值矩阵，力为输入矢量，即^^W^《AgK。4P]，《为阀值， 一般取为[-l， l]。然后与设定的标准压力值A进行比较得出压力变化值<formula>formula see original document page 7</formula>然后根据其实时变化情况，排渣协调控制模块实时的修正排渣速度 的设定值，使整个掘进过程中密封舱内的压力值尽可能的接近预先设定的压力参考轨迹，保持密封舱压力平衡。本发明将推进、刀盘、排渣三个子系统作为一个有机整体来考虑，提出了 一种多场耦合作用下掘进装备的动态协调控制系统。将地质参数、位姿测量参 数、密封舱压力场分布参数、推进参数等输入到协调控制系统中，根据这些参 数由推进、刀盘、排渣三个协调控制模块分别对各子系统的初始运行参数进行 设置，再根据各参数的变化，各协调控制模块给出相应的控制策略，实时修正 各子系统运行参数的设定值。本发明的效果益处是能够协调控制推进、刀盘、排渣三个子系统，达到密 封舱压力平衡及盾体导向纠偏的目的，使整个掘进过程安全、高效。
图1是掘进机控制系统的原理图。图2是掘进机控制系统组成框图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。如图1所示，本发明包括协调控制系统、推进系统、刀盘系统、排渣系 统、位姿测量系统、密封舱压力梯度分布模型。其中，协调控制系统在上位机 监控系统中，由推进协调控制模块、刀盘协调控制模块、排渣协调控制模块并 行构成，并且如图2所示，上位机监控系统与掘进机回路控制系统相连接，回 路控制系统与推进系统、刀盘系统、排渣系统、管片拼装系统、位姿测量系统 等以现场总线方式相连接，实现实时信息通信。具体是这样实现的在图2所示的掘进机控制系统中，上位机监控系统能
够实现对整个系统的协调控制以及人机交互的各种功能，其中，上位机监控系 统中的协调控制系统由推进协调控制模块、刀盘协调控制模块和排渣协调控制 模块构成，三个模块根据地质情况分别对推进、刀盘、排渣三个子系统进行初 始参数设置，再由图2中的掘进机回路控制系统将各参数的实时变化信息反馈 给协调控制系统，然后协调控制系统根据参数变化情况给出相应的控制策略， 实时修正系统的参数设定值，并且协调控制推进、刀盘、排渣三个子系统，达 到密封舱压力平衡及盾体导向纠偏的目的。
权利要求
1.一种全断面大型掘进装备的动态协调控制系统，包括协调控制系统、推进系统、刀盘系统、排渣系统、位姿测量系统、密封舱压力梯度分布模型，其特征在于协调控制系统根据各参数的实时变化情况，采用预测函数控制以及模糊控制方法，分别给出各个子系统最佳的运行控制策略，实时修正推进、刀盘、排渣系统运行参数的设定值。
2. 如权利要求1所述的全断面大型掘进装备的动态协调控制系统，其特征 在于协调控制系统由推进协调控制模块、刀盘协调控制模块、排渣协调控制模 块构成(1) 刀盘协调控制模块根据地质情况对刀盘系统的转速以及正反转控制进 行预先设定，然后根据压力场分布参数、地质参数以及地表沉降参数的实时变 化情况，采用模糊控制策略，对预先设定的参数值进行实时修正；(2) 推进协调控制模块根据地质参数对推进速度、推进压力参数进行设定， 然后根据位姿测量参数、压力场分布参数的实时变化情况，采用模糊控制策略， 实时修正推进系统的参数设定值；(3) 排渣协调控制模块根据推进系统、刀盘系统的参数设定值对排渣速度进 行设定，然后根据压力场分布参数以及地表沉降参数的实时变化情况，采用预 测函数控制方法，实时修正排渣速度的设定值。
3. 如权利要求1所述的全断面大型掘进装备的动态协调控制系统，其特征 在于为了保持密封舱的压力平衡，推进速度与排渣速度必须满足下面的协调方 程<formula>formula see original document page 2</formula>其中，^为推进速度，77排渣速度，j为盾构正面横断面面积，A/^开挖面的压力变化，A为切割土体的压縮模量，然后根据压力场分布参数以及地表沉降参数的实时变化情况，排渣协调控制模块采用了预 测函数控制方法，通过在线滚动优化和误差补偿，修正排渣速度的设定值。
全文摘要
本发明提出了一种全断面大型掘进装备的动态协调控制系统，属于隧道掘进自动化控制技术领域，本发明解决了多场耦合作用下掘进装备的多系统协调控制问题。本发明包括协调控制系统、推进系统、刀盘系统、排渣系统、位姿测量系统、密封舱压力梯度分布模型。其特征在于协调控制系统根据各参数的实时变化情况，采用预测函数控制以及模糊控制方法，分别给出各个子系统最佳的运行控制策略，实时修正推进、刀盘、排渣系统运行参数的设定值。本发明的效果益处是能够协调控制推进、刀盘、排渣三个子系统，达到密封舱压力平衡及盾体导向纠偏的目的，使整个掘进过程安全、高效。
文档编号E21D9/06GK101210495SQ20071015931
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月25日 优先权日2007年12月25日
发明者刘宣宇, 彤 宋, 诚 邵 申请人:大连理工大学