超大直徑(15米)泥水平衡盾構主要機構的控制系統(tǒng)研究.pdf

1、目前，對于大型泥水平衡盾構的自動控制與數(shù)字化統(tǒng)一管理是全球盾構界共同關注并急待解決的諸多問題之一，基于此，本文圍繞建立大型泥水平衡盾構的自動泥水氣壓平衡控制系統(tǒng)和自動姿態(tài)調節(jié)系統(tǒng)兩大主題展開了深入系統(tǒng)的研究。 本論文主要的研究工作和成果如下： 1．建立了考慮地基應力和孔隙水壓力的泥水平衡盾構開挖面泥水支護壓力的計算模型，并根據泥水平衡盾構在不同工況時開挖面前方土體的受力情況，得出了不同工況時盾構理論泥水支護壓力的確定方法

2、。 2．根據泥水平衡盾構不同于其它類型盾構的特殊的開挖面支護型態(tài)，分析了泥水平衡盾構在掘進時所需克服的各種阻力，建立了泥水平衡盾構總推力的精確計算方法。 3．通過深入分析，確定了泥水平衡系統(tǒng)中泥水回路和氣壓回路主要參數(shù)的取值原則，其中詳細地分析了對盾構開挖面平衡控制起關鍵作用的氣泡艙的初始體積、初始壓力、泥水的初始液位等參數(shù)的確定方法，分別從氣泡艙中壓力氣體吸收壓力沖擊、吸收壓力脈動以及氣泡艙壓縮空氣調節(jié)回路的動態(tài)特性出

3、發(fā)，得出了氣泡艙初始參數(shù)的確定原則與計算公式，并討論了其最佳取值范圍，為泥水氣壓平衡控制系統(tǒng)設計提供了理論依據。 4．深入分析了盾構泥水氣壓平衡控制系統(tǒng)所包含的兩個控制回路——泥水控制回路和氣壓控制回路之間的相互作用關系，提出了根據氣泡艙中泥水液位的不同，分別選擇氣泡艙單回路控制方式和泥水氣艙雙回路綜合控制方式的控制方法，并且根據泥水控制回路和氣壓控制回路間的相互作用關系首次提出了雙回路同時調節(jié)的廣義比例控制方法。 5．

4、在對盾構泥水平衡系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行了具體、深入的分析后，推導出了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，建立了該系統(tǒng)的數(shù)學模型，在此數(shù)學模型的基礎上并結合現(xiàn)行盾構泥水平衡控制中存在的不足，提出了泥水平衡計算機數(shù)字統(tǒng)一控制系統(tǒng)的設計理念，其中詳細設計了應用于氣泡艙壓縮空氣壓力控制的模糊自適應增量式數(shù)字PID控制器和應用于泥水液位調節(jié)系統(tǒng)的數(shù)字PID+前饋控制器，并開發(fā)了該計算機控制系統(tǒng)的調試軟件。 6．分別對所設計的控制器在單獨應用和合并綜合使用時進行

5、了計算機仿真，就不同的控制方法進行了仿真對比，得出了不同干擾對系統(tǒng)的影響情況，針對影響較大的干擾，提出了相應的控制對策，給出了根據不同的實際應用要求和場合所應選擇的最佳控制方式和自動切換方法。 7．首次建立了采用并聯(lián)機構運動學逆解的原理對盾構姿態(tài)進行自動控制的數(shù)學模型，并以此為基礎確定了盾構目標調整位姿的設定方法、推進液壓缸的編組方法、位置與姿態(tài)調整時的運動約束問題，并建立了具體的控制流程，為盾構姿態(tài)自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)打下了基礎