超大直徑(15米)泥水平衡盾構(gòu)主要機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)研究.pdf

1、目前，對(duì)于大型泥水平衡盾構(gòu)的自動(dòng)控制與數(shù)字化統(tǒng)一管理是全球盾構(gòu)界共同關(guān)注并急待解決的諸多問題之一，基于此，本文圍繞建立大型泥水平衡盾構(gòu)的自動(dòng)泥水氣壓平衡控制系統(tǒng)和自動(dòng)姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩大主題展開了深入系統(tǒng)的研究。 本論文主要的研究工作和成果如下： 1．建立了考慮地基應(yīng)力和孔隙水壓力的泥水平衡盾構(gòu)開挖面泥水支護(hù)壓力的計(jì)算模型，并根據(jù)泥水平衡盾構(gòu)在不同工況時(shí)開挖面前方土體的受力情況，得出了不同工況時(shí)盾構(gòu)理論泥水支護(hù)壓力的確定方法

2、。 2．根據(jù)泥水平衡盾構(gòu)不同于其它類型盾構(gòu)的特殊的開挖面支護(hù)型態(tài)，分析了泥水平衡盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)所需克服的各種阻力，建立了泥水平衡盾構(gòu)總推力的精確計(jì)算方法。 3．通過深入分析，確定了泥水平衡系統(tǒng)中泥水回路和氣壓回路主要參數(shù)的取值原則，其中詳細(xì)地分析了對(duì)盾構(gòu)開挖面平衡控制起關(guān)鍵作用的氣泡艙的初始體積、初始?jí)毫?、泥水的初始液位等參?shù)的確定方法，分別從氣泡艙中壓力氣體吸收壓力沖擊、吸收壓力脈動(dòng)以及氣泡艙壓縮空氣調(diào)節(jié)回路的動(dòng)態(tài)特性出

3、發(fā)，得出了氣泡艙初始參數(shù)的確定原則與計(jì)算公式，并討論了其最佳取值范圍，為泥水氣壓平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 4．深入分析了盾構(gòu)泥水氣壓平衡控制系統(tǒng)所包含的兩個(gè)控制回路——泥水控制回路和氣壓控制回路之間的相互作用關(guān)系，提出了根據(jù)氣泡艙中泥水液位的不同，分別選擇氣泡艙單回路控制方式和泥水氣艙雙回路綜合控制方式的控制方法，并且根據(jù)泥水控制回路和氣壓控制回路間的相互作用關(guān)系首次提出了雙回路同時(shí)調(diào)節(jié)的廣義比例控制方法。 5．

4、在對(duì)盾構(gòu)泥水平衡系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了具體、深入的分析后，推導(dǎo)出了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，建立了該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上并結(jié)合現(xiàn)行盾構(gòu)泥水平衡控制中存在的不足，提出了泥水平衡計(jì)算機(jī)數(shù)字統(tǒng)一控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，其中詳細(xì)設(shè)計(jì)了應(yīng)用于氣泡艙壓縮空氣壓力控制的模糊自適應(yīng)增量式數(shù)字PID控制器和應(yīng)用于泥水液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)字PID+前饋控制器，并開發(fā)了該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試軟件。 6．分別對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器在單獨(dú)應(yīng)用和合并綜合使用時(shí)進(jìn)行

5、了計(jì)算機(jī)仿真，就不同的控制方法進(jìn)行了仿真對(duì)比，得出了不同干擾對(duì)系統(tǒng)的影響情況，針對(duì)影響較大的干擾，提出了相應(yīng)的控制對(duì)策，給出了根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用要求和場(chǎng)合所應(yīng)選擇的最佳控制方式和自動(dòng)切換方法。 7．首次建立了采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的原理對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)確定了盾構(gòu)目標(biāo)調(diào)整位姿的設(shè)定方法、推進(jìn)液壓缸的編組方法、位置與姿態(tài)調(diào)整時(shí)的運(yùn)動(dòng)約束問題，并建立了具體的控制流程，為盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)