[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

本發明公開了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，首先建立包含齒隙非線性的刀盤驅動系統數學模型；接著對刀盤驅動系統數學模型進行線性化和簡化獲得狀態空間模型；然后通過把轉動角加速度引入到狀態變量中，建立刀盤驅動系統增廣模型；并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；最后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；并設計了狀態觀測器以實現對轉動角加速度的估計。本發明通過對驅動軸扭矩的估計，并結合模型預測控制器，同時實現了刀盤轉速控制與驅動軸扭矩均衡控制，并使系統具有更好的抗干擾能力和魯棒性。

技術領域

本發明盾構機刀盤驅動系統的控制領域，具體涉及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。

背景技術

盾構隧道掘進機是一種專門用于開挖地下隧道工程的掘進裝備，盾構隧道掘進機技術集成了計算機、新材料、自動化、信息化、系統科學、管理科學等多學科技術，具有掘進速度快、施工周期短、安全可靠性高、生態環境影響小等優點。盾構隧道掘進機刀盤驅動系統包括刀盤、齒輪傳動系統、驅動電機及控制系統，通常整個刀盤驅動系統需要多臺電機同時驅動刀盤旋轉。

盾構掘進機的掘進過程中，為了保證施工的安全高效進行，需要控制刀盤轉速穩定。但是盾構掘進機施工的地質條件具有很強的隨機性，刀盤驅動系統面臨大范圍的突變載荷，因此刀盤驅動系統的控制器要具有良好的載荷適應性。

由于刀盤驅動系統本質是一個多電機冗余驅動系統，刀盤負載扭矩通過大齒圈與小齒輪的嚙合分配到多根驅動軸上，在刀盤掘進面載荷劇烈波動的情況下，由于各個電機、齒輪傳動系統的差異，特別是小齒輪與大齒圈間嚙合齒隙的差異，引起驅動軸扭矩分配不均衡，部分驅動軸承受的扭矩過大，將會引起斷軸事故，影響隧道掘進施工的高效進行。因此需要協調控制各根驅動軸扭矩分配。

目前國內外刀盤驅動系統的控制多采用轉速或是轉矩的PID并行控制、主從控制，以及采用轉速差、電機扭矩差等方式的同步補償控制，還沒有基于驅動軸扭矩估計所設計的直接針對驅動軸扭矩均衡分配的控制算法。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供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，該方法通過建立刀盤驅動控制系統的增廣模型，并引入驅動軸扭矩估計方法和狀態觀測器，使得驅動軸扭矩分配更加均衡，減少使用加速度傳感器。具體技術方案如下：

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；

進一步地，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；