专利名称：盾构掘进机刀盘驱动装置及其同步控制方法
技术领域：
本发明本发明涉及地铁隧道、海底隧道、矿山隧道、煤矿巷道、石油管道等地下隧道挖掘与施工技术领域，尤其是涉及电机驱动方式的盾构掘进机刀盘驱动系统及其同步控制方法。
背景技术：
盾构隧道掘进机，简称盾构机，是ー种隧道掘进的专用工程机械，盾构掘进机是集机械、电器、液压、測量、控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型的重大工程装备。与传统的隧道掘进技术相比，盾构机的施工特点具有安全可靠性好、机械化程度高、破坏环境小、挖掘进度快、施工成本低等优点。盾构掘进机刀盘驱动方式主要有液压驱动方式和电机驱动方式，无论何种驱动方式的盾构掘进机，刀盘驱动装置都是盾构掘进机最重的组成部分。盾构机的掘进过程通过液压马达或者电机驱动刀盘旋转，同时启动盾构机的液压推进油缸，将盾构掘进机刀盘向前推进。随着液压推进油缸的向前推进，同时刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，螺旋输送机将切削下来的渣土输送到皮带输送机上，再由皮带输送机输送至渣土车的土箱中，然后再通过竖井提升装置运送至地面。电机驱动方式的盾构掘进机刀盘驱动装置需要多台电机同时运行才能驱动刀盘旋转并进行隧道掘进作业，盾构掘进机刀盘存在多电机平均分担挖掘负载问题即刀盘多电机出力冋步控制问题，也称为刀盘多电机冋步控制问题。如果刀盘多电机出力不冋步，会广生诸多问题。例如刀盘多电机出力不同步，势必会使得某些驱动电机处于过载状态，某些驱动电机处于轻载状态。如果某个刀盘驱动电机长期过载运行，则会导致刀盘驱动电机过载损坏，那么会使整个刀盘驱动系统的输出扭矩减小，多余的负载又分配到其它电机上，可能会使其它电机也导致过载损坏，产生电机损坏的“多米诺骨牌效应”，从而影响损刀盘驱动系统的正常工作。此外如果刀盘多电机的速度不同步,还会对刀盘的传动系统造成大的冲击和振动。刀盘驱动电机之间的再生性负载问题，即某一驱动电机因响应速度较慢，被其它驱动电机当作挖掘负载被其它驱动电机推动旋转，那么该电机就会从カ矩输出轴上吸收其它驱动电机的机械能量，使该电机长期始终处于发电机状态即非电动机工作状态，则会导致刀盘驱动系统的输出扭矩减小，并且电机发电运行状态的能量无法回馈，使得该电机大量发热甚至烧毁。刀盘多电机出力同步控制特殊性刀盘多电机刚性耦合，刀盘多电机出力同步控制不仅要求驱动电机之间具有相同的输出转矩或者速度，并且要求在达到相同输出转矩或者速度过程中，驱动电机之间的动态响应性能也不能相差较大，否则会引起刀盘速度脉动，产生速度稳态纹波，导致刀盘驱动系统的主传动齿轮箱和主动传轴承磨损严重，传动齿轮间的碰撞加剧。刀盘驱动系统长期处于这样的工作状态，会使驱动系统使用寿命减小。刀盘驱动系统面临这些实际问题，会影响刀盘驱动系统的正常工作，严重情况下，直接会导致整个盾构机停止工作，影响隧道或地铁的建设进程，造成不可估量的损失。目前这个盾构掘进机核心技术被国外垄断，我国大部分的盾构掘进机依赖于国外进ロ，国内盾构机的制造企业大都依靠国外的核心技术作支撑。本发明解决了盾构掘进机刀盘驱动系统的出力同步控制难题，发明了电机驱动方式的盾构掘进机刀盘驱动装置，刀盘多电机出力同步控制策略与控制器设计方法，同步误差补偿方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种盾构掘进机的多电机驱动装置和能够对多电机驱动装置进行带有动态性能约束的多输入多输出最优PID控制器的同步控制方法。本发明为实现上述目的所采用的技术方案是盾构掘进机刀盘驱动装置，其特征在于包括多个驱动电机、多个减速机、主传动箱、圆形刀盘和循环油泵；主传动箱通过紧固螺栓与循环油泵连接，还与圆形刀盘通过主轴承同轴连接，所述主传动箱包括多个小齿轮和大齿轮，小齿轮与大齿轮间啮合；多个减速机分别通过连接装置与主传动箱内的小齿轮同轴连接；驱动电机通过连接装置与減速机同轴 连接。所述小齿轮均匀分布在大齿轮的圆周，小齿轮与大齿轮之间可以采用外啮合均匀分布方式或者内哨合均勻分布方式。所述连接装置为法兰或者连轴器。盾构掘进机刀盘同步控制方法，其特征在于对多个驱动电机进行同步并行的PID闭环控制；多个驱动电机的參考输入信号相同；对姆个驱动电机的输出信号米用同步误差补偿方法计算补偿信号，并反馈到所对应驱动电机的输入端；所述补偿信号与最优PID控制器输出的控制信号相加输入至对应驱动电机。 所述參考输入信号为速度或者转矩。所述同步误差补偿方法通过以下公式得到补偿信号，所述补偿信号包括刀盘驱动电机的转速补偿和转矩补偿
fl ^ A -
T e.H = A1 —y\T'ej +A2TIniZ1 +A =I1A1 >0,^ >0(i = 1,2,...,rt; N = 1,2,.
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其中JIv:代表第N次采样时刻的刀盘驱动电机-1的转矩代表第N次采样时刻的刀盘驱动电机_i的平均转矩；Afふ:代表第N次采样时刻的刀盘驱动电机-1的所需要补偿的转矩；其中I代表第N次采样时刻的刀盘驱动电机_i的转速:代表第N次采样时刻的刀盘驱动电机_i的平均转速Al—'代表第N次采样时刻的刀盘驱动电机-1的所需要补偿的转速；n:代表刀盘驱动电机的数量或者小齿轮数量；\ !:代表平均力矩权重或者平均速度权重；、2 :代表采样时刻的力矩权重或者速度权重。所述最优PID控制器的第j条控制回路的比例參数！^，积分參数！^，微分參数kjd通过对以下公式进行求解最优化得出
权利要求
1.盾构掘进机刀盘驱动装置，其特征在于包括多个驱动电机、多个减速机、主传动箱、圆形刀盘和循环油泵；主传动箱通过紧固螺栓与循环油泵连接，还与圆形刀盘通过主轴承同轴连接，所述主传动箱包括多个小齿轮和大齿轮，小齿轮与大齿轮间啮合；多个减速机分别通过连接装置与主传动箱内的小齿轮同轴连接；驱动电机通过连接装置与减速机同轴连接。
2.根据权利要求1所述的盾构掘进机刀盘驱动装置，其特征在于所述小齿轮均匀分布在大齿轮的圆周，小齿轮与大齿轮之间可以采用外啮合均匀分布方式或者内哨合均勻分布方式。
3.根据权利要求1所述的盾构掘进机刀盘驱动装置，其特征在于所述连接装置为法兰或者连轴器。
4.盾构掘进机刀盘同步控制方法，其特征在于对多个驱动电机进行同步并行的PID闭环控制；多个驱动电机的参考输入信号相同； 对每个驱动电机的输出信号采用同步误差补偿方法计算补偿信号，并反馈到所对应驱动电机的输入端；所述补偿信号与最优PID控制器输出的控制信号相加输入至对应驱动电机。
5.根据权利要求4所述的盾构掘进机刀盘同步控制方法，其特征在于所述参考输入信号为速度或者转矩。
6.根据权利要求4所述的盾构掘进机刀盘同步控制方法，其特征在于所述同步误差补偿方法通过以下公式得到补偿信号，所述补偿信号包括刀盘驱动电机的转速补偿和转矩补偿
7.根据权利要求4所述的盾构掘进机刀盘同步控制方法，其特征在于所述最优PID 控制器的第j条控制回路的比例参数Ρ_ρ，积分参数k\，微分参数Pd通过对以下公式进行求解最优化得出
8.根据权利要求7所述的盾构掘进机刀盘同步控制方法，其特征在于所述求解最优化算法包括以下步骤1)选择可行域内的初始点(x(°)，S(°)，z(°)，y(°))、步长系数C1e
、惩罚因子δ的初始值、最大迭代次数N ;其中，X为最优PID控制器参数々^々^々^ ; y和ζ是拉格朗日乘子向量；2)求解海赛矩阵//(Xw’y(k) ’ zm) = V2ZXiw) + V2g(xm )ry(t> + V2h(x(k))Tz(k)；3)验证海赛矩阵是否正定如果是正定矩阵，那么则迭代终止；如果为否，那么则继续求解迭代方向公式
全文摘要
本发明涉及一种盾构掘进机刀盘驱动装置及其控制方法，驱动装置包括多个驱动电机、多个减速机、主传动箱、圆形刀盘和循环油泵；盾构掘进机刀盘同步控制方法为对多个驱动电机进行同步并行的PID闭环控制；多个驱动电机的参考输入信号相同；对每个驱动电机的输出信号采用同步误差补偿方法计算补偿信号，并反馈到所对应驱动电机的输入端；补偿信号与最优PID控制器输出的控制信号相加输入至对应驱动电机。本发明解决了盾构掘进机刀盘多电机同步出力运行的技术难题；提高了盾构掘进机刀盘驱动系统的出力同步性能与跟踪性能；保证刀盘多电机之间具有相同的稳态转矩或者速度，还能保证盾构掘进机刀盘多个驱动电机之间的动态性能也尽可能相同。
文档编号E21D9/08GK103016014SQ20121027227
公开日2013年4月3日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者李先宏, 于海斌, 苑明哲, 郁洋 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所