土壓平衡盾構掘進機的建模與控制.pdf

1、盾構機在掘進的過程中，地面沉降控制一直以來都是盾構施工的技術重點和難點，而避免地表沉降的最有效方式就是保證開挖面的土壓平衡。為了實現(xiàn)土壓平衡，需要施工團隊準確地控制密閉倉土壓，使其與開挖面的前方水土壓力相一致，保證開挖面的受力均衡，使得地下水土原本的應力場不致發(fā)生太大變化，從而避免地表出現(xiàn)塌陷等施工事故。可以看出，土壓平衡（Earth Pressure Balance，簡稱EPB）作為一種穩(wěn)定開挖面的技術，是需要自動控制系統(tǒng)的參與才能得

2、以實現(xiàn)的。因此，為了合理且完整地實現(xiàn)盾構機的土壓平衡控制，本文主要從建模與控制這兩個方面分別進行研究。
　　模型建立部分，主要包括盾構機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計結(jié)構相關，而后者則與控制的準確實現(xiàn)相關。對于盾構機的土壓平衡控制系統(tǒng)模型而言，內(nèi)部主要由液壓傳動系統(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，基于機理

3、模型所得的控制律均未考慮過這些特性，故本文為了更為準確地描述實際系統(tǒng)，建立了一個包含系統(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壓力動態(tài)、螺旋輸送機-液壓馬達動態(tài)和液壓系統(tǒng)壓力動態(tài)所組成的模型。對于EPB系統(tǒng)土壤參數(shù)模型而言，則主要解決了開挖面前方土壓不能準確測定與獲知的問題，故本文通過一個機器學習模型，對土壤參數(shù)進行特征提取，建立了一個統(tǒng)計回歸模型，并且能夠進行誤差很低的土壤參數(shù)回歸預測。
　　控

4、制算法部分，主要基于上述兩個模型，提出了一種自適應控制算法，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題。其中，一種backstepping自適應控制算法被提出，并實現(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)估計值未知以及偏導數(shù)不易計算這兩個問題，故本文又對這一算法進行了優(yōu)化，并提出了基于調(diào)整函數(shù)的魯棒自適應控制算法和基于虛擬輸入濾波的魯棒自適應控制算法，很好地解決了最初提出的控制算法中存在的缺陷