[發明專利]一種盾構機刀盤驅動系統的驅動軸扭矩協調分配控制方法

有效

• 申請號: 201710507109.8
• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN107246271B
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 張正;劉之濤;蘇宏業;邵誠俊
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: E21D9/093
• 分類號: E21D9/093;E21D9/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種盾構機刀盤驅動系統的驅動軸扭矩協調分配控制方法，其包括了刀盤轉速控制層和驅動軸扭矩協調層雙層架構，刀盤轉速控制層是將刀盤驅動系統動態模型進行降階，并設計模型預測控制器，之后估計刀盤負載扭矩，求出驅動電機的基礎扭矩；驅動軸扭矩協調層是建立刀盤驅動系統驅動軸扭矩協調模型，選取期望的驅動軸扭矩協調量，建立驅動軸扭矩協調預測模型，并設計驅動軸扭矩協調預測控制器，求出各個驅動電機的扭矩協調量；基礎扭矩與扭矩協調量之和就是各個驅動電機的實際輸入扭矩。

2.如權利要求1所述的盾構機刀盤驅動系統的驅動軸扭矩協調分配控制方法，其中，所述的刀盤轉速控制層控制算法的設計步驟如下：

步驟一：建立刀盤驅動系統動態模型；

對于一個包括n個驅動電機的刀盤驅動系統，其動態特性描述為如下數學模型：

θ_g，i＝i_gθ_p，i (2)

T_p，i＝i_gT_g，i (3)

T_pm，i＝i_mT_mp，i (5)

其中θ_g，i是第i號驅動電機的轉角，θ_p，i是第i號小齒輪的轉角，θ_m是刀盤的轉角，I_g，i是第i號驅動電機轉動慣量，b_g，i是第i號驅動電機黏性阻尼系數，I_p，i是第i號小齒輪轉動慣量，b_p，i是第i號小齒輪黏性阻尼系數，I_m是刀盤轉動慣量，b_m是刀盤黏性阻尼系數，T_e，i是第i號驅動電機的輸入扭矩，T_g，i是第i號驅動電機作用在第i號減速器上的扭矩，T_p，i是第i號減速器作用在第i號小齒輪上的扭矩，T_mp，i是大齒圈作用于第i號小齒輪的嚙合扭矩，T_pm，i是第i號小齒輪作用在大齒圈上的嚙合扭矩，T_L為刀盤負載扭矩，i_g表示減速器的傳動比，i_m是小齒輪與大齒圈間的傳動比；

小齒輪與大齒圈之間的嚙合過程用一個死區非線性模型描述為：

k_t，i代表第i號小齒輪與大齒圈之間的嚙合剛度，c_t，i代表第i號小齒輪與大齒圈之間的嚙合阻尼，非線性函數的表達式為：

其中z＝θ_p，i-i_mθ_m，Δ_i代表第i號小齒輪與大齒圈間的齒隙；

步驟二：對步驟一中建立的刀盤驅動系統動態模型進行降階；

將齒輪轉速傳遞視為理想過程，認為k_t，i和c_t，i特別大，Δ_i＝0，這時θ_p，i＝i_mθ_m，忽略各個驅動子系統的動力學特性差異將其等效為一個整體，將公式(1)～(5)帶入公式(6)，將高階的刀盤驅動系統動態模型降階為一階慣性環節，數學形式為：

b_E為等效黏性阻尼系數，I_E為等效轉動慣量；

步驟三：設計控制刀盤轉速的模型預測控制器；

設定采樣周期T，并假定T足夠小，使在一個采樣周期內認為T_e保持不變，即可將連續時間的刀盤驅動降階模型公式(9)轉換成離散時間刀盤驅動降階模型，其數學形式為：

其中，k代表第k個時刻；

設定預測時域為P，控制時域M，設定的目標轉速為根據模型預測控制基本原理，優化問題描述為：

s.t. T_emin≤T_e(k+j)≤T_emax

ΔT_emin≤T_e(k+j)-T_e(k+j-1)≤ΔT_emax (13)

其中q_i和r_i分別為誤差權重和控制權重，代表k時刻預測的第(k+i)時刻輸出的刀盤的轉速，T_e(k+j)代表第(k+j)個時刻的驅動電機輸入扭矩；T_emin、T_emax根據通過測試得到，ΔT_emin、ΔT_emax分別代表從當前時刻到下一時刻驅動電機基礎扭矩變化的最小值和最大值，也通過測試得到；

步驟四：估計刀盤負載扭矩；

刀盤負載扭矩T_L是一個不可以直接測量的量，但根據刀盤驅動系統機理模型，得到T_L的估計值

步驟五：求解驅動電機基礎扭矩

使用步驟四估計出來的刀盤負載扭矩，代入到步驟三中模型預測控制器公式(13)，求解該公式(13)，可以得到一個最優序列，[T_e(k)，T_e(k+1)，...T_e(k+M-1)]，選擇T_e(k)作為驅動電機基礎扭矩

3.根據權利要求2所述的盾構機刀盤驅動系統的驅動軸扭矩協調分配控制方法，其中，所述的驅動軸扭矩協調層算法的設計步驟如下：

步驟一：建立刀盤驅動系統驅動軸扭矩協調模型；

為了調整各子驅動系統的運動情況，定義如下一組參照值：

其中，θ_dp，i代表第i號小齒輪的參照轉角，θ_dg，i代表第i號驅動電機的參照轉角，T_de，i代表第i號驅動電機的參照輸入轉矩；

進一步定義相應的協調量：

δθ_p，i＝θ_p，i-θ_dp，i (18)

δθ_g，i＝θ_g，i-θ_dg，i (19)

δT_e，i＝T_e，i-T_de，i (20)

因刀盤驅動系統在正常工作狀態下一直保持正轉，公式(8)中z≥Δ_i，因此公式(8)將其帶入公式(7)得到如下公式：

由于在刀盤轉速控制層已經考慮了負載干擾問題，這里的驅動軸扭矩協調不再考慮負載干擾，因此T_L＝0，基于刀盤驅動系統動態模型，將公式(18)～(21)帶入公式(1)～(6)，可得到如下關系：

δθ_g，i＝i_gδθ_p，i (23)

δT_p，i＝i_gδT_g，i (24)

聯立公式(22)～(25)，則刀盤驅動軸扭矩協調模型為：

步驟二：選取期望的驅動軸扭矩協調量

選取第i號驅動軸扭矩協調量期望值此時能夠保證各個驅動軸的扭矩實現均衡分配；

步驟三：建立驅動軸扭矩協調預測模型

定義狀態變量X(t)、輸入變量U(t)、輸出變量Y(t)分別為：

U(t)＝[δT_e，1(t)，...δT_e，n(t)，Δ₁，...Δ_n]′ (28)

Y(t)＝[δT_mp，1(t)...δT_mp，n(t)]′ (29)

將驅動軸扭矩協調模型公式(26)以狀態空間方程的形式表達：

在時間為T的采樣周期下，將模型(30)離散化，得到：

U(k)＝[δT_e，1(k)...δT_e，n(k)，Δ₁，...，Δ_n]′ (32)

Y(k)＝[δT_m，1(k)...δT_m，n(k)]′ (33)

X(k)表示離散后的狀態變量，U(k)表示離散后的輸入變量，Y(k)表示離散后的輸出變量，k表示時刻，A_d、B_d、C_d分別代表A、B、C離散后的量；

步驟四：設計驅動軸扭矩協調預測控制器；

選取期望的輸出變量根據模型預測控制基本原理，選取

預測時域P_T和控制時域M_T，則優化問題描述為：

s.t.U_min≤U(k+j)≤U_max

ΔU_min≤U(k+j)-U(k+j-1)≤ΔU_max

其中q_T，i和r_T，j分別為誤差權重和控制權重，根據實際情況選取，Y(k+i|k)代表k時刻預測k+i時刻的輸出，U_min、U_max、ΔU_min、ΔU_max都根據系統實際運行情況選取；

求解公式(35)，得到一個最優序列，[U(k)，U(k+1)，...U(k+M-1)]，其中U(k)中的δT_e，1(k)...δT_e，n(k)作為各驅動電機的輸入扭矩協調量。