[發(fā)明專利]一種微型盾構(gòu)機掘進姿態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)及調(diào)整方法

在審

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• 申請日: 2013-12-06
• 公開（公告）號: CN103603671A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周華安;周創(chuàng)輝;卿啟湘;王保田
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類號: E21D9/093
• 分類號: E21D9/093
• 代理公司: 長沙正奇專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 43113
• 代理人: 馬強

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微型盾構(gòu)機,特別是一種微型盾構(gòu)機掘進姿態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)及調(diào)整方法。

背景技術(shù)

目前普遍采用盾構(gòu)掘進機建設(shè)地下隧道工程，盾構(gòu)掘進機簡稱盾構(gòu)機，是一種在軟弱地質(zhì)中開挖地下隧道的專用機械。為了保證施工的質(zhì)量，盾構(gòu)機在盾構(gòu)過程中，向前行進的路線必須按照預(yù)先設(shè)定的正確軌跡。但在實際的前進過程中，盾構(gòu)機不可避免地會發(fā)生軌跡偏離的情況。當盾構(gòu)機發(fā)生盾構(gòu)軌跡偏離預(yù)訂軌跡的情況時，就需要糾偏系統(tǒng)對盾構(gòu)機施行糾偏。微型盾構(gòu)機，特別是直徑≤1.5m的超微型盾構(gòu)機挖掘的隧道半徑小，空間結(jié)構(gòu)有限，不便于采用環(huán)形管片拼裝，因而不能像一般的盾構(gòu)機那樣通過調(diào)節(jié)頂在環(huán)形管片上的推進油缸壓力進行姿態(tài)調(diào)整。目前微型盾構(gòu)機一般采用頂管掘進的作業(yè)方式，無法有效地調(diào)整姿態(tài)盾構(gòu)機掘進姿態(tài)。

在實際施工中對于盾構(gòu)機發(fā)生軌跡偏離的情況，傳統(tǒng)方法多采用的糾偏方式是人工操作，首先需要定位盾構(gòu)機，然后進行計數(shù)測量，最后再對盾構(gòu)機進行水平，垂直方向的糾偏。這種糾偏方式不僅操作繁瑣，糾正速度慢，精度不高，而且會加大施工量，降低施工效率。同時由于盾構(gòu)機是在隧洞中進行掘進，工作環(huán)境非常惡劣，如采用人工操作進行糾偏，存在著較大的安全隱患。障、地表塌陷等問題，嚴重影響了控制效率和精度，甚至引發(fā)安全問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種微型盾構(gòu)機掘進姿態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)及調(diào)整方法，自動調(diào)整盾構(gòu)機掘進過程中的運行軌跡，提高調(diào)整精度和調(diào)整效率，消除安全隱患。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種微型盾構(gòu)機掘進姿態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)，包括調(diào)節(jié)機構(gòu)；所述調(diào)節(jié)機構(gòu)包括基準板，所述基準板一側(cè)固定有多個調(diào)向油缸，所述調(diào)向油缸內(nèi)安裝有用于測量所述調(diào)向油缸活塞桿位移的位移傳感器；所述調(diào)向油缸的活塞桿連接有與微型盾構(gòu)機油缸接觸的調(diào)節(jié)塊；所述位移傳感器通過AD轉(zhuǎn)換電路與控制器連接；所述控制器通過控制所述調(diào)向油缸的油門大小調(diào)整所述微型盾構(gòu)機的掘進路線；所述AD轉(zhuǎn)換電路、控制器均與開關(guān)電源連接。

所述控制器還連接有用于顯示微型盾構(gòu)機實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的液晶顯示器。

所述基準板遠離所述調(diào)向油缸的一側(cè)固定有支撐桿，使調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固。

本發(fā)明還提供了一種利用上述控制系統(tǒng)調(diào)整微型盾構(gòu)機掘進姿態(tài)的方法，該方法為：

1）構(gòu)建下列模糊控制規(guī)則表：

其中，PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB分別表示正大、正中、正小、零、負小、負中、負大；Δkp、Δki、Δkd分別為PID控制器比例系數(shù)增益、積分系數(shù)增益、微分系數(shù)增益；

2）初始化PID控制器的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd，得到初始化后的比例系數(shù)kp₀、積分系數(shù)ki₀和微分系數(shù)kd₀；

3）采集位移傳感器檢測到的位移值，采用有限元模型或者顆粒模型，對所述位移值進行數(shù)值模擬，得到期望的位移值，將期望的位移值和設(shè)定的位移值進行比較，得到位移值的偏差e，利用偏差e計算偏差變化率ec；ec通過偏差e對時間的微分得到；

4）設(shè)定e、ec的模糊子集論域為e［－3，3］，ec［－3，3］，根據(jù)e、ec的值，通過最大隸屬度法判斷e、ec所屬的模糊子集；

5）根據(jù)e、ec的模糊子集，從所述模糊控制規(guī)則表中選取一條推理規(guī)則；

6）通過mamdani推理方法得到PID控制器的比例系數(shù)增益、積分系數(shù)增益、微分系數(shù)增益，并將比例系數(shù)增益、積分系數(shù)增益、微分系數(shù)增益與初始化后的比例系數(shù)kp₀、積分系數(shù)ki₀和微分系數(shù)kd₀相加，得到推理后的PID控制器參數(shù)；

7）采用最大隸屬度法逆模糊化推理后的PID控制器參數(shù)，得到當前迭代的PID控制器的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd；

8）將當前迭代的PID控制器的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd代入PID控制器；

9）將PID控制器的輸出輸入正弦脈寬調(diào)制器中進行調(diào)制，生成調(diào)向油缸油門大小的調(diào)節(jié)信號，通過調(diào)節(jié)調(diào)向油缸進油量控制調(diào)向油缸活塞桿移動距離；

10）用當前迭代的PID控制器的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd替代初始化后的比例系數(shù)kp₀、積分系數(shù)ki₀和微分系數(shù)kd₀，重復(fù)步驟3）～9），直到偏差e小于閾值，所述閾值為0.01～0.05。