專利名稱：盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置及其同步控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明本發(fā)明涉及地鐵隧道、海底隧道、礦山隧道、煤礦巷道、石油管道等地下隧道挖掘與施工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其同步控制方法。
背景技術(shù)：
盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)，簡(jiǎn)稱盾構(gòu)機(jī)，是ー種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是集機(jī)械、電器、液壓、測(cè)量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體、專用于地下隧道工程開(kāi)挖的技術(shù)密集型的重大工程裝備。與傳統(tǒng)的隧道掘進(jìn)技術(shù)相比，盾構(gòu)機(jī)的施工特點(diǎn)具有安全可靠性好、機(jī)械化程度高、破壞環(huán)境小、挖掘進(jìn)度快、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)方式和電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，無(wú)論何種驅(qū)動(dòng)方式的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，刀盤驅(qū)動(dòng)裝置都是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)最重的組成部分。盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)過(guò)程通過(guò)液壓馬達(dá)或者電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)的液壓推進(jìn)油缸，將盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤向前推進(jìn)。隨著液壓推進(jìn)油缸的向前推進(jìn)，同時(shí)刀盤持續(xù)旋轉(zhuǎn)，被切削下來(lái)的碴土充滿泥土倉(cāng)，螺旋輸送機(jī)將切削下來(lái)的渣土輸送到皮帶輸送機(jī)上，再由皮帶輸送機(jī)輸送至渣土車的土箱中，然后再通過(guò)豎井提升裝置運(yùn)送至地面。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置需要多臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行才能驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行隧道掘進(jìn)作業(yè)，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤存在多電機(jī)平均分擔(dān)挖掘負(fù)載問(wèn)題即刀盤多電機(jī)出力冋步控制問(wèn)題，也稱為刀盤多電機(jī)冋步控制問(wèn)題。如果刀盤多電機(jī)出力不冋步，會(huì)廣生諸多問(wèn)題。例如刀盤多電機(jī)出力不同步，勢(shì)必會(huì)使得某些驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于過(guò)載狀態(tài)，某些驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于輕載狀態(tài)。如果某個(gè)刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行，則會(huì)導(dǎo)致刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)載損壞，那么會(huì)使整個(gè)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出扭矩減小，多余的負(fù)載又分配到其它電機(jī)上，可能會(huì)使其它電機(jī)也導(dǎo)致過(guò)載損壞，產(chǎn)生電機(jī)損壞的“多米諾骨牌效應(yīng)”，從而影響損刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常工作。此外如果刀盤多電機(jī)的速度不同步,還會(huì)對(duì)刀盤的傳動(dòng)系統(tǒng)造成大的沖擊和振動(dòng)。刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的再生性負(fù)載問(wèn)題，即某一驅(qū)動(dòng)電機(jī)因響應(yīng)速度較慢，被其它驅(qū)動(dòng)電機(jī)當(dāng)作挖掘負(fù)載被其它驅(qū)動(dòng)電機(jī)推動(dòng)旋轉(zhuǎn)，那么該電機(jī)就會(huì)從カ矩輸出軸上吸收其它驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械能量，使該電機(jī)長(zhǎng)期始終處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)即非電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，則會(huì)導(dǎo)致刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出扭矩減小，并且電機(jī)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)的能量無(wú)法回饋，使得該電機(jī)大量發(fā)熱甚至燒毀。刀盤多電機(jī)出力同步控制特殊性刀盤多電機(jī)剛性耦合，刀盤多電機(jī)出力同步控制不僅要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間具有相同的輸出轉(zhuǎn)矩或者速度，并且要求在達(dá)到相同輸出轉(zhuǎn)矩或者速度過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能也不能相差較大，否則會(huì)引起刀盤速度脈動(dòng)，產(chǎn)生速度穩(wěn)態(tài)紋波，導(dǎo)致刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主傳動(dòng)齒輪箱和主動(dòng)傳軸承磨損嚴(yán)重，傳動(dòng)齒輪間的碰撞加劇。刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于這樣的工作狀態(tài)，會(huì)使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用壽命減小。刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)面臨這些實(shí)際問(wèn)題，會(huì)影響刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重情況下，直接會(huì)導(dǎo)致整個(gè)盾構(gòu)機(jī)停止工作，影響隧道或地鐵的建設(shè)進(jìn)程，造成不可估量的損失。目前這個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)核心技術(shù)被國(guó)外壟斷，我國(guó)大部分的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)依賴于國(guó)外進(jìn)ロ，國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)的制造企業(yè)大都依靠國(guó)外的核心技術(shù)作支撐。本發(fā)明解決了盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的出力同步控制難題，發(fā)明了電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置，刀盤多電機(jī)出力同步控制策略與控制器設(shè)計(jì)方法，同步誤差補(bǔ)償方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和能夠?qū)Χ嚯姍C(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行帶有動(dòng)態(tài)性能約束的多輸入多輸出最優(yōu)PID控制器的同步控制方法。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、多個(gè)減速機(jī)、主傳動(dòng)箱、圓形刀盤和循環(huán)油泵；主傳動(dòng)箱通過(guò)緊固螺栓與循環(huán)油泵連接，還與圓形刀盤通過(guò)主軸承同軸連接，所述主傳動(dòng)箱包括多個(gè)小齒輪和大齒輪，小齒輪與大齒輪間嚙合；多個(gè)減速機(jī)分別通過(guò)連接裝置與主傳動(dòng)箱內(nèi)的小齒輪同軸連接；驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)連接裝置與減速機(jī)同軸 連接。所述小齒輪均勻分布在大齒輪的圓周，小齒輪與大齒輪之間可以采用外嚙合均勻分布方式或者內(nèi)哨合均勻分布方式。所述連接裝置為法蘭或者連軸器。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤同步控制方法，其特征在于對(duì)多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行同步并行的PID閉環(huán)控制；多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參考輸入信號(hào)相同；對(duì)姆個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出信號(hào)米用同步誤差補(bǔ)償方法計(jì)算補(bǔ)償信號(hào)，并反饋到所對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入端；所述補(bǔ)償信號(hào)與最優(yōu)PID控制器輸出的控制信號(hào)相加輸入至對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 所述參考輸入信號(hào)為速度或者轉(zhuǎn)矩。所述同步誤差補(bǔ)償方法通過(guò)以下公式得到補(bǔ)償信號(hào)，所述補(bǔ)償信號(hào)包括刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速補(bǔ)償和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償
fl ^ A -
T e.H = A1 —y\T'ej +A2TIniZ1 +A =I1A1 >0,^ >0(i = 1,2,...,rt; N = 1,2,.
\N片J
Afl,N = — (I E..V - Te,N I + I FLv - Te,N 丨 + …+ | f1.N — Fe,N |)<1 (!(I)
ATe,N =-11 Te.N ~ Te,N | + | f e,N — Te'N 丨 H---- + | e,N — Te,N |l ,......,
//-1lJ
AJte.N = —--|| Te,N - Te.N | + | 7"e,N - Te,N 丨 + …+ | 7"e.N - Te,N ||
(1.V ハ
VN — \ —アVj +A2V^A1 +A2 = I1A1 >0,/t, >0(/ = 1,2，.. " N =1,2"..,)
AVn =-(l Vn — Fjv I + I f — Vn | H-----ト | Vn — Vn |)llJ(2)
AVl- =—Jf1-V1n 丨 +1 T1- -T1-1+--+I F2v -Fn |J........
AVnN =丄Il Vn -V1N I +1 Pm I ++1K -V1N11)
、 n-l IJ
其中JIv:代表第N次采樣時(shí)刻的刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)-1的轉(zhuǎn)矩代表第N次采樣時(shí)刻的刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)_i的平均轉(zhuǎn)矩；Afふ:代表第N次采樣時(shí)刻的刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)-1的所需要補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩；其中I代表第N次采樣時(shí)刻的刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)_i的轉(zhuǎn)速:代表第N次采樣時(shí)刻的刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)_i的平均轉(zhuǎn)速Al—'代表第N次采樣時(shí)刻的刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)-1的所需要補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)速；n:代表刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量或者小齒輪數(shù)量；\ !:代表平均力矩權(quán)重或者平均速度權(quán)重；、2 :代表采樣時(shí)刻的力矩權(quán)重或者速度權(quán)重。所述最優(yōu)PID控制器的第j條控制回路的比例參數(shù)！^，積分參數(shù)！^，微分參數(shù)kjd通過(guò)對(duì)以下公式進(jìn)行求解最優(yōu)化得出
權(quán)利要求
1.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、多個(gè)減速機(jī)、主傳動(dòng)箱、圓形刀盤和循環(huán)油泵；主傳動(dòng)箱通過(guò)緊固螺栓與循環(huán)油泵連接，還與圓形刀盤通過(guò)主軸承同軸連接，所述主傳動(dòng)箱包括多個(gè)小齒輪和大齒輪，小齒輪與大齒輪間嚙合；多個(gè)減速機(jī)分別通過(guò)連接裝置與主傳動(dòng)箱內(nèi)的小齒輪同軸連接；驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)連接裝置與減速機(jī)同軸連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述小齒輪均勻分布在大齒輪的圓周，小齒輪與大齒輪之間可以采用外嚙合均勻分布方式或者內(nèi)哨合均勻分布方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述連接裝置為法蘭或者連軸器。
4.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤同步控制方法，其特征在于對(duì)多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行同步并行的PID閉環(huán)控制；多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參考輸入信號(hào)相同； 對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出信號(hào)采用同步誤差補(bǔ)償方法計(jì)算補(bǔ)償信號(hào)，并反饋到所對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入端；所述補(bǔ)償信號(hào)與最優(yōu)PID控制器輸出的控制信號(hào)相加輸入至對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤同步控制方法，其特征在于所述參考輸入信號(hào)為速度或者轉(zhuǎn)矩。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤同步控制方法，其特征在于所述同步誤差補(bǔ)償方法通過(guò)以下公式得到補(bǔ)償信號(hào)，所述補(bǔ)償信號(hào)包括刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速補(bǔ)償和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤同步控制方法，其特征在于所述最優(yōu)PID 控制器的第j條控制回路的比例參數(shù)Ρ_ρ，積分參數(shù)k\，微分參數(shù)Pd通過(guò)對(duì)以下公式進(jìn)行求解最優(yōu)化得出
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤同步控制方法，其特征在于所述求解最優(yōu)化算法包括以下步驟1)選擇可行域內(nèi)的初始點(diǎn)(x(°)，S(°)，z(°)，y(°))、步長(zhǎng)系數(shù)C1e
、懲罰因子δ的初始值、最大迭代次數(shù)N ;其中，X為最優(yōu)PID控制器參數(shù)々^々^々^ ; y和ζ是拉格朗日乘子向量；2)求解海賽矩陣//(Xw’y(k) ’ zm) = V2ZXiw) + V2g(xm )ry(t> + V2h(x(k))Tz(k)；3)驗(yàn)證海賽矩陣是否正定如果是正定矩陣，那么則迭代終止；如果為否，那么則繼續(xù)求解迭代方向公式
全文摘要
本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置及其控制方法，驅(qū)動(dòng)裝置包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、多個(gè)減速機(jī)、主傳動(dòng)箱、圓形刀盤和循環(huán)油泵；盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤同步控制方法為對(duì)多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行同步并行的PID閉環(huán)控制；多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參考輸入信號(hào)相同；對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出信號(hào)采用同步誤差補(bǔ)償方法計(jì)算補(bǔ)償信號(hào)，并反饋到所對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入端；補(bǔ)償信號(hào)與最優(yōu)PID控制器輸出的控制信號(hào)相加輸入至對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本發(fā)明解決了盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤多電機(jī)同步出力運(yùn)行的技術(shù)難題；提高了盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的出力同步性能與跟蹤性能；保證刀盤多電機(jī)之間具有相同的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩或者速度，還能保證盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的動(dòng)態(tài)性能也盡可能相同。
文檔編號(hào)E21D9/08GK103016014SQ20121027227
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者李先宏, 于海斌, 苑明哲, 郁洋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所