盾構掘進過程中的自動軌跡跟蹤控制技術研究.pdf

1、盾構是一種隧道工程專用的大型高科技綜合施工設備,具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能。推進系統(tǒng)承擔著整個盾構的掘進任務,要求完成盾構的轉彎、曲線行進、糾偏以及姿態(tài)控制,使得盾構能沿著事先設定好的路線前進,是盾構的關鍵系統(tǒng)之一。由于龐大的盾構機是機、電、光、液多場強耦合的現(xiàn)代復雜機電系統(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鍵技術的有效手段,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。
　　 本論文以盾構推進電液控制系統(tǒng)為研究對象,其主要研究內容如下:
　　 第一章首先簡述了常見盾構法隧道施工的分類、組成、工作原理,而后介紹了國內外盾構模擬試驗臺研究概況,隨后介紹了兩套常見盾構推進電液控制系統(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,最后介紹了國內外盾構位姿控制研究概況,分析目前實際施工中位姿糾偏中存在的不足,并在此基礎上提出了本課題的研

3、究意義和內容;
　　 第二章通過方案論證抽象出盾構機液壓推進系統(tǒng)機構簡化模型,并以此模型為基礎,建立了雙缸系統(tǒng)在轉彎或糾偏過程中任一推進行程的運動學模型;隨后對盾構機可能出現(xiàn)的幾種基本位姿偏差的糾偏路徑進行了具體的最優(yōu)化設計,并結合之前建立的模型和“西子號”盾構機施工、結構參數(shù),列舉了幾種典型工況下位姿糾偏數(shù)值計算結果;
　　 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;隨后闡述了盾構掘進過程中的自動軌跡跟蹤控制器的設計及實現(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計。試

5、驗臺電氣控制系統(tǒng)的硬件設計主要包括電氣元器件選型,多路手動、程控切換電路;軟件設計主要包括PLC開關量控制信號的給定,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負載條件,驗證了盾構機在不同工作模式下