土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的建模與控制.pdf

1、盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)的過(guò)程中，地面沉降控制一直以來(lái)都是盾構(gòu)施工的技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)，而避免地表沉降的最有效方式就是保證開(kāi)挖面的土壓平衡。為了實(shí)現(xiàn)土壓平衡，需要施工團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)確地控制密閉倉(cāng)土壓，使其與開(kāi)挖面的前方水土壓力相一致，保證開(kāi)挖面的受力均衡，使得地下水土原本的應(yīng)力場(chǎng)不致發(fā)生太大變化，從而避免地表出現(xiàn)塌陷等施工事故?？梢钥闯?，土壓平衡（Earth Pressure Balance，簡(jiǎn)稱(chēng)EPB）作為一種穩(wěn)定開(kāi)挖面的技術(shù)，是需要自動(dòng)控制系統(tǒng)的參與才能得

2、以實(shí)現(xiàn)的。因此，為了合理且完整地實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的土壓平衡控制，本文主要從建模與控制這兩個(gè)方面分別進(jìn)行研究。
　　模型建立部分，主要包括盾構(gòu)機(jī)的土壓平衡控制系統(tǒng)建模和EPB系統(tǒng)土壤參數(shù)建模這兩部分內(nèi)容。其中前者與控制器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相關(guān)，而后者則與控制的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)相關(guān)。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的土壓平衡控制系統(tǒng)模型而言，內(nèi)部主要由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓控制元件、液壓執(zhí)行元件等模型所組成，這些環(huán)節(jié)都包含著很多的非線性特征和不確定性特征，而在之前的研究中，基于機(jī)理

3、模型所得的控制律均未考慮過(guò)這些特性，故本文為了更為準(zhǔn)確地描述實(shí)際系統(tǒng)，建立了一個(gè)包含系統(tǒng)參數(shù)不確定性和多數(shù)量未建模不確定性的EPB非線性模型，其中主要考慮了土倉(cāng)壓力動(dòng)態(tài)、螺旋輸送機(jī)-液壓馬達(dá)動(dòng)態(tài)和液壓系統(tǒng)壓力動(dòng)態(tài)所組成的模型。對(duì)于EPB系統(tǒng)土壤參數(shù)模型而言，則主要解決了開(kāi)挖面前方土壓不能準(zhǔn)確測(cè)定與獲知的問(wèn)題，故本文通過(guò)一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)土壤參數(shù)進(jìn)行特征提取，建立了一個(gè)統(tǒng)計(jì)回歸模型，并且能夠進(jìn)行誤差很低的土壤參數(shù)回歸預(yù)測(cè)。
　　控

4、制算法部分，主要基于上述兩個(gè)模型，提出了一種自適應(yīng)控制算法，能夠解決EPB系統(tǒng)中特有的參數(shù)不確定性和多數(shù)量未建模不確定性問(wèn)題。其中，一種backstepping自適應(yīng)控制算法被提出，并實(shí)現(xiàn)了較為理想的控制效果。然而，由于該算法的虛擬輸入中存在著參數(shù)估計(jì)值未知以及偏導(dǎo)數(shù)不易計(jì)算這兩個(gè)問(wèn)題，故本文又對(duì)這一算法進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了基于調(diào)整函數(shù)的魯棒自適應(yīng)控制算法和基于虛擬輸入濾波的魯棒自適應(yīng)控制算法，很好地解決了最初提出的控制算法中存在的缺陷