[發明專利]一種基于驅動軸扭矩估計的盾構機刀盤驅動系統的控制方法

有效

• 申請號: 201711277987.1
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN108166985B
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 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: E21D9/08
• 分類號: E21D9/08;E21D9/093
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種基于驅動軸扭矩估計的盾構機刀盤驅動系統的控制方法，其特征在于，所述的刀盤驅動系統包括驅動電機、減速器、小齒輪、大齒圈，所述的控制方法包括以下步驟：

步驟一、建立包含齒隙的非線性的刀盤驅動系統數學模型；

步驟二、因刀盤驅動系統正常工況下需要保持刀盤的轉動方向一致，因此將步驟一的非線性模型轉化為線性化的模型，并對其進行簡化，得到刀盤驅動系統的狀態空間模型；

步驟三、把轉動角加速度引入到狀態變量中，建立刀盤驅動系統的增廣模型；

步驟四、根據刀盤驅動系統的動力學方程，設計驅動軸扭矩的估計算法；

步驟五、以刀盤轉速跟蹤誤差和驅動軸扭矩分配不均勻程度為性能指標，設計模型預測控制器，實現刀盤驅動系統的控制。

2.根據權利要求1所述的基于驅動軸扭矩估計的盾構機刀盤驅動系統的控制方法，其特征在于，步驟一中所述的包含齒隙非線性的刀盤驅動系統數學模型如下；

(1)驅動電機的電磁力矩與輸出力矩關系為：

式中，T_ei為第i號驅動電機的電磁力矩，J_mi為第i號驅動電機轉動慣量，b_mi為第i號驅動電機轉動阻尼系數，M_pmi為第i號驅動電機受到減速器的負載力矩，θ_mi為第i號驅動電機的轉動角度；

減速器的減速和力矩放大作用表示為：

θ_mi＝i_mpθ_pi (2)

i_mpM_pmi＝M_mpi (3)

式中，i_mp為減速器的傳動比，θ_pi為經第i號減速器減速后的轉動角度，也是對應小齒輪的轉動角度，M_mpi為第i號減速器的輸出力矩，也是對應的小齒輪的輸入力矩；

(2)小齒輪的轉動平衡方程為：

式中，J_pi為第i號小齒輪的轉動慣量，b_pi為第i號小齒輪的轉動阻尼系數，M_cpi為第i號小齒輪受到大齒圈的阻力矩；

(3)刀盤的轉動平衡方程為：

式中，J_c為刀盤以及大齒圈的轉動慣量，b_c為刀盤以及大齒圈的轉動阻尼系數，T_L為盾構掘進中刀盤旋轉所受到的阻力矩，M_pci為大齒圈受到第i號小齒輪的嚙合力矩,θ_c為刀盤的轉動角度，n為刀盤驅動系統的驅動電機個數；

根據齒輪傳動的性質有：

i_pcM_cpi＝M_pci (6)

式中，i_pc為小齒輪到大齒圈的傳動比；

(4)小齒輪與大齒圈間的嚙合過程可描述為：

x_cpi＝r_bpθ_pi-r_bcθ_c--e_cpi(t) (7)

式中，x_cpi為第i個齒輪副沿著嚙合線上動態相對位移，r_bp為小齒輪的基圓半徑，r_bc為大齒圈的基圓半徑，e_cpi(t)為第i號小齒輪與大齒圈嚙合時的當量累計嚙合誤差，k_cpi為第i號小齒輪與大齒圈之間的嚙合剛度，C_cpi為第i號小齒輪與大齒圈之間的嚙合阻尼，b_cpi為第i號小齒輪與大齒圈嚙合時存在的齒隙。