專利名稱：全斷面大型掘進(jìn)裝備的動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于隧道掘進(jìn)自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多場耦合作用下掘進(jìn)裝備的 動態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，掘進(jìn)裝備的掘進(jìn)安全、效率、可靠性及地質(zhì)適應(yīng)性等問題仍是尚未解決的國 際性重大技術(shù)難題。而密封艙壓力失衡是地表塌陷等災(zāi)難性事故發(fā)生的主要成因，密封艙 壓力平衡控制不僅與掘進(jìn)過程中的應(yīng)力場、溫度場、滲流場等多場耦合作用密切相關(guān)，而且 還受到艙內(nèi)多相介質(zhì)組分、掘進(jìn)與排碴速度等因素的影響，由于尚未揭示出碴土組分及其 力學(xué)特性對密封艙壓力的影響規(guī)律，導(dǎo)致難以通過推進(jìn)、出土和刀盤等多子系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào) 控制來實(shí)現(xiàn)密封艙壓力平衡。因此，多場耦合作用下密封艙壓力動態(tài)平衡控制是大型掘進(jìn) 裝備研究中的前沿課題，也是影響地面變形的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)有研究主要存在以下問題變組分介質(zhì)及流動特性對密封艙壓力影響的作用規(guī) 律不清；多場耦合作用下的密封艙動態(tài)壓力場分析及壓力失衡特征分析沒有研究；掘進(jìn)參 數(shù)與密封艙壓力場狀態(tài)參數(shù)的映射關(guān)系缺乏理論上的研究，多以經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)；復(fù)雜地層 掘進(jìn)過程密封艙壓力協(xié)調(diào)控制的理論研究尚未見報(bào)道。因此，在實(shí)際操作中，調(diào)整密封艙壓 力主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或掘進(jìn)試驗(yàn)，當(dāng)實(shí)際檢測到密封艙的土壓力值大于理論土壓力設(shè)定值時(shí)， 就降低推進(jìn)速度或提高螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速；反之，可提高推進(jìn)速度或降低螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速； 如果兩者相等，則可繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)檢測到盾體的運(yùn)行位姿有偏差時(shí)，操作人員憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)推 進(jìn)液壓缸的壓力和推進(jìn)速度來糾正盾體的位姿偏差。如此反復(fù)的人工操作，嚴(yán)重影響了掘 進(jìn)的效果和效率。目前對于密封艙壓力平衡控制，多數(shù)是通過操作人員憑經(jīng)驗(yàn)單一調(diào)節(jié)推進(jìn)系統(tǒng)、 刀盤系統(tǒng)或排渣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)的，而沒有將三個(gè)子系統(tǒng)作為一個(gè)整體來考慮的協(xié) 調(diào)控制技術(shù)?，F(xiàn)有的方法如采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立盾構(gòu)掘進(jìn)過程的開挖面土壓平衡控 制系統(tǒng)，給出最優(yōu)的推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速(Yeh，I-Cheng. Application of neural networks to automatic soil pressure balance controlfor shield tunneling. Automation in Construction，1997，5 (5) 421-426)；通過人工調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，改 變排渣量，或通過調(diào)整推進(jìn)油缸的推力或刀盤的轉(zhuǎn)速來改變進(jìn)土量(胡國良，龔國芳，楊華 勇.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)土壓平衡的實(shí)現(xiàn).浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2006，40 (5)，874-877)；通過 調(diào)節(jié)泡沫添加劑或壓縮空氣注入量等來控制壓力平衡(朱偉，郭濤，魏康林.盾構(gòu)用氣泡的 性能及對開挖土體改良效果影響.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2 (4) :571-577)。綜上所述，現(xiàn)有的掘進(jìn)裝備控制系統(tǒng)主要有下述特點(diǎn)1.在掘進(jìn)過程中，主要采用監(jiān)測的方法來判斷密封艙壓力的變化情況，然后通過 人工調(diào)整的方式，改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速、液壓缸的推進(jìn)速度、刀盤的轉(zhuǎn)速、泡沫添加劑或 壓縮空氣的注入量等，保持密封艙壓力平衡，但控制效果往往取決于操作人員的經(jīng)驗(yàn)；2.控制過程中各個(gè)子系統(tǒng)是單獨(dú)工作的，并沒有使各個(gè)子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)配合工作進(jìn)行土壓平衡控制。從上述特點(diǎn)中可以看出，現(xiàn)有的隧道掘進(jìn)裝備控制系統(tǒng)，都是各子系統(tǒng)相互獨(dú)立 工作，根據(jù)實(shí)際的掘進(jìn)工況，操作人員憑經(jīng)驗(yàn)改變各子系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)來控制密封艙壓力 平衡，而沒有采用各子系統(tǒng)的自動協(xié)調(diào)控制策略解決上述問題。因此，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)的效 果和精度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種全斷面大型掘進(jìn)裝備的動態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，解決了多場耦合 作用下掘進(jìn)裝備的多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制問題。本發(fā)明包括密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型、推進(jìn)速度設(shè)定值模型、刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定 值模型、排渣速度設(shè)定值模型。該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，能夠根據(jù)密封艙壓 力的實(shí)時(shí)變化情況，利用密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型、推進(jìn)速度設(shè)定值模型、刀盤轉(zhuǎn)速設(shè) 定值模型、排渣速度設(shè)定值模型，分別給出各個(gè)子系統(tǒng)最佳的控制參數(shù)設(shè)定值，實(shí)時(shí)修正推 進(jìn)、刀盤、排渣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)的自動協(xié)調(diào)控制。對于該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，首先建立密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型，由密封艙中壓力 觀測值(Xi(t)，yi(t))，計(jì)算出壓力分布px{t) = ^l·—-^PyiO = 2/、
Σα ⑴ Σι^ω所以可得掘進(jìn)機(jī)密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型如下
ko = (px(0, Py(O)在密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，按照下面的方法給出掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速 度、刀盤轉(zhuǎn)速、螺旋輸送機(jī)排渣速度的設(shè)定值模型(1)推進(jìn)速度設(shè)定值模型首先將推進(jìn)系統(tǒng)的液壓缸按圓周分成上下左右四個(gè)區(qū)，其對應(yīng)的推進(jìn)速度分別 為Vj {t) = a]Px{t) + b]Py{t\ y=l,...,4其中參數(shù)(aj，bj)由最小二乘方法給出；(2)刀盤旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值模型VD(t) = apx(t)+bpy(t)其中參數(shù)(a，b)由最小二乘方法給出；(3)螺旋輸送機(jī)排渣速度設(shè)定值模型排渣速度的確定根據(jù)下面的協(xié)調(diào)方程Vt0 (0 / Vl (O = A(1 - APf (0 / Es)其中，滬⑴為排漁速度，平均推進(jìn)速度KorO) =⑴,J^Oy =1，A為
盾構(gòu)正面橫斷面面積，APfU)開挖面的壓力變化，并且APf(t) = cpx (t)+dpy (t)
其中參數(shù)(c，d)將由最小二乘方法給出，Es為切割土體的壓縮模量。通過實(shí)時(shí)修 正排渣速度的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)了保證密封艙壓力平衡的推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)與排渣系統(tǒng)的動 態(tài)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制。本發(fā)明的效果益處是將推進(jìn)、刀盤、排渣三個(gè)子系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)整體來考慮，提 出了一種多場耦合作用下掘進(jìn)裝備的動態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。將地質(zhì)參數(shù)、密封艙壓力場分布 參數(shù)、推進(jìn)參數(shù)等輸入到協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，根據(jù)這些參數(shù)由推進(jìn)、刀盤、排渣三個(gè)協(xié)調(diào)控制 模塊分別對各子系統(tǒng)的初始運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，再根據(jù)各參數(shù)的變化，各協(xié)調(diào)控制模塊給 出相應(yīng)的控制策略，實(shí)時(shí)修正各子系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定值。本發(fā)明能夠協(xié)調(diào)控制推進(jìn)、刀盤、排渣三個(gè)子系統(tǒng)，達(dá)到密封艙壓力動態(tài)平衡的控 制目的，使整個(gè)掘進(jìn)過程安全、高效。
圖1是掘進(jìn)機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的原理圖。圖2是推進(jìn)液壓缸的分組方式圖。圖3是掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場連接示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。如圖1所示，本發(fā)明包括密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型、推進(jìn)速度設(shè)定值模型、 刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定值模型、排渣速度設(shè)定值模型，構(gòu)成協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)位于 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。整個(gè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場硬件連接方式如圖3所示，采用上、下位機(jī)的結(jié)構(gòu) 形式，上位機(jī)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位機(jī)為各功能模塊采用PLC控制器，上位機(jī)與PLC控制 器通過以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，PLC控制器上設(shè)有CC-Link主站，采用CAN總線技術(shù) 與CC-Link從站進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，在CAN總線上傳輸數(shù)據(jù)遵循CANopen協(xié)議，各CC-Link從站 與刀盤控制系統(tǒng)、推進(jìn)控制系統(tǒng)、排渣控制系統(tǒng)等相連接。具體是這樣實(shí)現(xiàn)的首先在上位機(jī)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中計(jì)算密封艙壓力分布的實(shí)時(shí) 動態(tài)模型。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集的密封艙壓力Pi (t)輸送給上位機(jī)，每個(gè)壓力傳感器監(jiān) 測到的Pi(t)是水平方向的壓力，即Xi(t) = 1(0，而豎直方向71(0按照下式計(jì)算yi(t) =PiWA0(ι)其中，k0是土體的側(cè)壓力系數(shù)，根據(jù)土質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行取值。所以由密封艙中壓力值(Xi(t)，yi(t))，計(jì)算出壓力分布PM = ^l·—-^PyiO = 2/、進(jìn)而可得出掘進(jìn)機(jī)密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型為
ko = (px(0, Py(O)(2)其次，基于上述的壓力分布模型，在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，再根據(jù)推進(jìn)速度設(shè)定值模 型、刀盤旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值模型、螺旋輸送機(jī)排渣速度設(shè)定值模型分別求出推進(jìn)速度V/(t)、
5^⑴、刀盤轉(zhuǎn)速VD(t)、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速fa)(1)推進(jìn)速度設(shè)定值首先將推進(jìn)系統(tǒng)的液壓缸按圓周分成上下左右四個(gè)區(qū)(如附圖2)，其對應(yīng)的推進(jìn) 速度分別為Vj{t) = a]Px{t) + b]Py{t\ y=l,...,4(3)其中參數(shù)(aj，bp根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)V/(t) Vj⑴以及壓力分布模型由最小 二乘擬合的方法給出。特別地，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)直線行進(jìn)時(shí)四個(gè)分區(qū)的液壓缸的推進(jìn)速度是一樣的，此時(shí)模型 變?yōu)閂T(t) = apx(t)+bpy(t)(4)(2)刀盤旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值基于密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型，按照VD(t) = apx(t)+bpy(t)(5)計(jì)算出刀盤旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值Vd (t)，其中參數(shù)(a，b)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)以及壓力 分布模型>(0由最小二乘擬合的方法給出；(3)螺旋輸送機(jī)排渣速度設(shè)定值首先根據(jù) = (6)計(jì)算出平均推進(jìn)速度V。T(t)，Γ/⑴，然后根據(jù)APf(t) = cpx (t)+dpy (t)(7)計(jì)算出密封艙內(nèi)的壓力變化APf (t)，再根據(jù)協(xié)調(diào)方程
V^(t)/VL(t) = A(\-APf(t)/Es)
(8)
計(jì)算出螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速浐(0，其中參數(shù)(C，d)由最小二乘擬合的方法計(jì)算。
最后，上位機(jī)中的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將上述修正的設(shè)定值V/(t)、η(t)、Vd(t)、Vl(t) 傳輸給PLC控制器，進(jìn)而協(xié)調(diào)控制推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)與排渣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了密封艙壓力的動 態(tài)平衡控制。
權(quán)利要求
一種全斷面大型掘進(jìn)裝備的動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法，包括密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型、推進(jìn)速度設(shè)定值模型、刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定值模型和排渣速度設(shè)定值模型，在密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，給出掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)速度設(shè)定值模型、刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定值模型和排渣速度設(shè)定值模型，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的自動實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制；其特征在于如下步驟，步驟1按下式給出掘進(jìn)機(jī)密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型 <mrow><mover> <mi>p</mi> <mi>I</mi></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>p</mi><mi>x</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <msub><mi>p</mi><mi>y</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，(xi(t)，yi(t))為密封艙中壓力觀測值；步驟2按步驟1所述的密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型給出掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、螺旋輸送機(jī)排渣速度的設(shè)定值模型(1)推進(jìn)速度設(shè)定值模型推進(jìn)系統(tǒng)的液壓缸按圓周分成上下左右四個(gè)區(qū)，其對應(yīng)的推進(jìn)速度分別為 <mrow><msubsup> <mi>V</mi> <mi>j</mi> <mi>T</mi></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>a</mi> <mi>j</mi></msub><msub> <mi>p</mi> <mi>x</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>b</mi> <mi>j</mi></msub><msub> <mi>p</mi> <mi>y</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>j＝1，...，4其中參數(shù)(aj，bj)由最小二乘方法給出；(2)刀盤旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值模型VD(t)＝apx(t)+bpy(t)其中參數(shù)(a，b)由最小二乘方法給出；(3)螺旋輸送機(jī)排渣速度設(shè)定值模型排渣速度的確定根據(jù)下面的協(xié)調(diào)方程 <mrow><msubsup> <mi>V</mi> <mi>o</mi> <mi>T</mi></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msup> <mi>V</mi> <mi>L</mi></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>A</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>Δ</mi> <msub><mi>P</mi><mi>f</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <msub><mi>E</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，VL(t)為排渣速度，平均推進(jìn)速度A為盾構(gòu)正面橫斷面面積，ΔPf(t)開挖面的壓力變化，并且ΔPf(t)＝cpx(t)+dpy(t)其中參數(shù)(c，d)由最小二乘方法給出，Es為切割土體的壓縮模量；通過實(shí)時(shí)修正排渣速度的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)了保證密封艙壓力平衡的推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)與排渣系統(tǒng)的動態(tài)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制。FDA0000021723410000012.tif,FDA0000021723410000013.tif,FDA0000021723410000016.tif,FDA0000021723410000017.tif
全文摘要
本發(fā)明提出了一種全斷面大型掘進(jìn)裝備的動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法，屬于隧道掘進(jìn)自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明解決了多場耦合作用下掘進(jìn)裝備的多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制問題。本發(fā)明包括密封艙壓力分布實(shí)時(shí)動態(tài)模型、推進(jìn)速度設(shè)定值模型、刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定值模型、排渣速度設(shè)定值模型，其特征在于系統(tǒng)根據(jù)掘進(jìn)機(jī)密封艙壓力的變化情況，自動地實(shí)時(shí)修正掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度、刀盤旋轉(zhuǎn)速度、螺旋輸送機(jī)排渣速度的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的自動實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制。本發(fā)明的效果是能夠協(xié)調(diào)控制推進(jìn)、刀盤、排渣三個(gè)子系統(tǒng)，達(dá)到密封艙壓力動態(tài)平衡的控制目的，使整個(gè)掘進(jìn)過程安全、高效。
文檔編號E21D9/00GK101922294SQ20101018216
公開日2010年12月22日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者劉宣宇, 宋彤, 邵誠 申請人:大連理工大學(xué)