[發(fā)明專利]一種基于粒子群優(yōu)化算法PSO的TBM減振控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711153618.1
• 申請(qǐng)日: 2017-11-20
• 公開（公告）號(hào): CN107918279B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉成良;陶建峰;李琳;覃程錦;李衛(wèi)星;郭雋俠;雷軍波;段賢強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 北京中政聯(lián)科專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11489
• 代理人: 陳超

一種基于粒子群優(yōu)化算法PSO的TBM減振控制方法，包括以下步驟：1)建立TBM集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型；2)TBM集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型中各剛度環(huán)節(jié)的建模；3)以TBM振動(dòng)烈度最低和TBM的掘進(jìn)比能最低為目標(biāo)，建立多目標(biāo)優(yōu)化減振控制模型；4)基于PSO算法對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化減振控制模型進(jìn)行求解，將實(shí)時(shí)測(cè)量的振動(dòng)參數(shù)與根據(jù)上述集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的理論振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)而調(diào)整多目標(biāo)優(yōu)化減振控制模型中與上述振動(dòng)參數(shù)相關(guān)的控制參數(shù)，通過最優(yōu)化迭代算法得到最優(yōu)的剛度參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)，基于最優(yōu)的剛度參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整TBM實(shí)際操作過程中的控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)TBM振動(dòng)的優(yōu)化控制，達(dá)到TBM在較低振動(dòng)水平條件下的高效掘進(jìn)的目標(biāo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及工程機(jī)械健康管理領(lǐng)域，特別涉及基于PSO優(yōu)化算法的硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)減振控制方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)介紹由全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，TBM)修建的隧道具有開挖洞壁的質(zhì)量好、高效、安全等特點(diǎn)，使其在巖石隧道建設(shè)中得到越來越多的應(yīng)用。由于TBM在掘進(jìn)過程中承受強(qiáng)沖擊載荷以及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境影響，機(jī)體產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，關(guān)鍵構(gòu)件易損傷，破巖效率低。為此，需研究TBM在較低振動(dòng)水平下高效掘進(jìn)的模型。

TBM的振動(dòng)問題得到了廣泛的關(guān)注，需研究包含多個(gè)彈性環(huán)節(jié)的整機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模方法，分析機(jī)構(gòu)固有特性及其主要影響因素，不同學(xué)者建立了TBM各子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究TBM的振動(dòng)特性并分析不同的振動(dòng)條件對(duì)TBM構(gòu)件的掘進(jìn)效率和構(gòu)件損傷的影響。TLING等結(jié)合刀盤動(dòng)力學(xué)模型提出了刀盤裂紋的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，該模型可優(yōu)化刀盤的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而延長(zhǎng)刀盤壽命。ZOU等建立了剛?cè)狁詈系腡BM的集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型，研究了TBM的基本振動(dòng)頻率和模態(tài)特性，并分析了不同參數(shù)對(duì)TBM動(dòng)力學(xué)特性的影響。謝啟江建立了TBM支撐和TBM的動(dòng)力學(xué)模型，分析了不確定地質(zhì)條件下TBM的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，并研究了不同的軟硬巖比例和地層分析界面的傾斜角度下TBM的動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣。

TBM推進(jìn)時(shí)，刀盤-圍巖的強(qiáng)相互作用可引起整機(jī)劇烈振動(dòng)，TBM的振動(dòng)將降低推進(jìn)效率并增加系統(tǒng)能耗。TBM的結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，設(shè)計(jì)參數(shù)較為成熟，難以實(shí)現(xiàn)通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到降低振動(dòng)的目標(biāo)。建立考慮界面支撐剛度和不同液壓系統(tǒng)剛度的TBM振動(dòng)模型，揭示TBM振動(dòng)能量傳遞規(guī)律，建立優(yōu)化控制模型，給出智能優(yōu)化控制方法是本專利的研究目的。基于振動(dòng)模型，以較低振動(dòng)水平和較高的掘進(jìn)效率為目標(biāo)，建立優(yōu)化控制模型，通過PSO算法求得最優(yōu)解，通過調(diào)整各可變的剛度，得到最優(yōu)的掘進(jìn)參數(shù)和各油缸的壓力輸出值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)TBM的低振動(dòng)-高效率的掘進(jìn)，降低構(gòu)件的損傷概率，提高能量利用率。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有TBM振動(dòng)大、掘進(jìn)效率低的問題，本發(fā)明專利建立考慮圍巖界面支撐剛度和推進(jìn)系統(tǒng)中不同液壓推進(jìn)剛度的TBM振動(dòng)模型，揭示TBM振動(dòng)能量傳遞規(guī)律，給出智能優(yōu)化控制方法。具體通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于粒子群優(yōu)化算法PSO的TBM減振控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

1)TBM集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型的建立

建立基于撐靴的支撐剛度、護(hù)盾的支護(hù)剛度、推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)剛度的TBM的機(jī)-液-巖耦合的集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型，該動(dòng)力學(xué)模型將TBM系統(tǒng)劃分為左、右撐靴系統(tǒng)、撐靴油缸系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和調(diào)向系統(tǒng)5個(gè)子系統(tǒng)；基于所述動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得出不同工作條件下的振動(dòng)參數(shù)；

2)TBM集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型中各剛度環(huán)節(jié)的建模

建立TBM撐靴的支撐剛度、護(hù)盾的支護(hù)剛度、推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)剛度模型，以得到各剛度參數(shù)；

3)多目標(biāo)優(yōu)化減振控制模型的建立

以TBM振動(dòng)烈度最低和掘進(jìn)效率最高為控制目標(biāo)，掘進(jìn)效率最高體現(xiàn)為動(dòng)態(tài)比能最小，比能即為單位破巖體積所消耗的能量；以各剛度參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)為控制參數(shù)，建立多目標(biāo)優(yōu)化減振控制模型，其中，掘進(jìn)參數(shù)由力參數(shù)表示；