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盾构掘进过程中的自动轨迹跟踪控制技术研究

作　者: 段小明
导　师: 龚国芳；谢海波
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 盾构机推进系统机构建模路径规划电液比例控制推进力、推进速度控制自动轨迹跟踪控制串级控制
分类号: U455.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

盾构是一种隧道工程专用的大型高科技综合施工设备,具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。推进系统承担着整个盾构的掘进任务,要求完成盾构的转弯、曲线行进、纠偏以及姿态控制,使得盾构能沿着事先设定好的路线前进,是盾构的关键系统之一。由于庞大的盾构机是机、电、光、液多场强耦合的现代复杂机电系统,具有时变性、严重非线性、强耦合,大突变载荷、远距离传动等特点,因此综合模拟试验台的研制是掌握全断面掘进机关键技术的有效手段,它为验证各种新型理论的实用性,可行性、可靠性提供了一定的条件。本论文以盾构推进电液控制系统为研究对象,其主要研究内容如下：第一章首先简述了常见盾构法隧道施工的分类、组成、工作原理,而后介绍了国内外盾构模拟试验台研究概况,随后介绍了两套常见盾构推进电液控制系统组成及原理,对其区别和各自优缺点进行了比较分析,最后介绍了国内外盾构位姿控制研究概况,分析目前实际施工中位姿纠偏中存在的不足,并在此基础上提出了本课题的研究意义和内容；第二章通过方案论证抽象出盾构机液压推进系统机构简化模型,并以此模型为基础,建立了双缸系统在转弯或纠偏过程中任一推进行程的运动学模型；随后对盾构机可能出现的几种基本位姿偏差的纠偏路径进行了具体的最优化设计,并结合之前建立的模型和“西子号”盾构机施工、结构参数,列举了几种典型工况下位姿纠偏数值计算结果；第三章首先阐述了推进系统液压负载模拟方案选择依据和推进系统试验台的工作原理,通过搭建推进系统AMESim仿真模型,验证了土层负载模型的有效性,并对推进压力和推进速度控制特性进行了仿真研究；随后阐述了盾构掘进过程中的自动轨迹跟踪控制器的设计及实现方法,并针对某种特定工况采用定值补偿前馈加上PID反馈的串级控制的自动轨迹跟踪控制效果进行了初步的仿真分析；第四章为了满足整个系统程序控制,常用信号给定,模拟负载的实施,各种控制算法在模拟盾构轨迹姿态控制等试验的要求,对现有推进液压系统模拟试验台电气部分进行了软硬件设计。试验台电气控制系统的硬件设计主要包括电气元器件选型,多路手动、程控切换电路；软件设计主要包括PLC开关量控制信号的给定,Labview人机界面的开发以及测控程序的编写,并利用Proteus和Keil uVision3对拉线编码器双向高速计数功能进行了仿真研究；第五章通过理论分析和试验相结合的方法验证了常用控制算法在推进压力、推进速度控制方面的控制效果；进一步,通过列举几种常见施工工况及地质负载条件,验证了盾构机在不同工作模式下的多执行机构自动轨迹跟踪控制效果；实验结果表明,在常见的变化不是很剧烈的土层中,利用定值补偿前馈加变增益PID反馈串级控制方法进行自动轨迹跟踪控制时,具有超调量小,稳态误差小,调整时间短的特点,能够满足大部分隧道施工控制要求。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-27
  1.1 盾构机概述  12-13
  1.2 常见盾构法隧道施工技术  13-15
    1.2.1 土压平衡盾构(Earth Pressure Balance)  13-14
    1.2.2 泥水平衡盾构(Slurry Pressure balance shield)  14-15
  1.3 盾构模拟试验台国内外研究概况  15-19
    1.3.1 国外研究概况  15-17
    1.3.2 国内研究概况  17-19
  1.4 盾构推进系统电液控制技术  19-22
  1.5 盾构机位姿控制国内外研究概况  22-25
    1.5.1 国外研究概况  22-24
    1.5.2 国内研究概况  24-25
  1.6 课题研究意义及内容  25-27
    1.6.1 课题研究意义  25-26
    1.6.2 课题研究内容  26-27
第2章推进系统建模及掘进路径规划设计研究  27-42
  2.1 盾构推进系统机构建模分析  27-31
  2.2 盾构掘进过程轨迹规划特性研究  31-36
  2.3 轨迹跟踪控制路径规划的实现  36-38
  2.4 典型工况下转弯或纠偏的路径规划数值计算  38-42
第3章推进液压系统特性及自动轨迹跟踪控制研究  42-62
  3.1 盾构推进液压系统试验台组成  42-43
  3.2 推进系统试验台负载模拟方案  43-45
  3.3 推进系统试验台液压原理  45-47
  3.4 推进液压系统仿真模型  47-55
    3.4.1 推进端比例溢流阀模型  47-50
    3.4.2 负载端比例溢流阀仿真模型  50-51
    3.4.3 比例调速阀AMESim仿真模型  51-54
    3.4.4 液压缸仿真模型  54-55
  3.5 推进力仿真分析  55-57
  3.6 推进速度仿真分析  57-58
  3.7 推进单缸液压系统自动轨迹跟踪控制仿真分析  58-62
第4章推进模拟试验台电气控制系统软硬件设计  62-73
  4.1 推进系统试验台电气控制系统硬件设计  62-65
  4.2 试验台电气控制系统软件设计  65-73
    4.2.1 PLC数字量输出控制程序设计  65-66
    4.2.2 模拟量输入信号采集程序设计  66-68
    4.2.3 模拟量输出、数字量输出信号程序  68
    4.2.4 位移传感器数据采集  68-71
    4.2.5 主换向阀互锁程序  71
    4.2.6 同步控制程序  71-73
第5章自动轨迹跟踪控制试验研究  73-96
  5.1 推进力精确控制  73-80
    5.1.1 推进力开环控制  74
    5.1.2 推进力定值补偿控制  74-75
    5.1.3 推进力常规PID控制  75-78
    5.1.4 推进力模糊自适应PID控制  78-80
  5.2 推进速度精确控制  80-83
    5.2.1 推进速度定值补偿控制  80-82
    5.2.2 推进速度PID补偿控制  82-83
  5.3 自动轨迹跟踪特性研究  83-96
    5.3.1 调压推进模式下自动轨迹跟踪控制特性研究  83-92
    5.3.2 调速推进模式下自动轨迹跟踪控制特性研究  92-96
第6章结论与展望  96-98
  6.1 结论  96-97
  6.2 展望  97-98
参考文献  98-104
附录  104-106
致谢  106-107
作者简历及在学期间取得的科研成果  107

盾构掘进过程中的自动轨迹跟踪控制技术研究

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