一种盾构机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种盾构机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法，通过对刀盘驱动系统采用刀盘转速控制层和驱动轴扭矩协调层双层架构，在刀盘转速控制层中输出各个驱动电机的基础扭矩，实现刀盘转速的稳定控制；在驱动轴扭矩协调层中输出驱动电机的扭矩协调量，实现小齿轮啮合力矩的均衡分配。本发明专利技术针对刀盘转速稳定和驱动轴扭矩均衡分配问题，分别设计控制器，提高了刀盘驱动系统对突变载荷的适应性，解决了刀盘驱动系统动力学特性差异和啮合齿隙差异引起的驱动轴扭矩不均衡分配问题。

Control method for torque coordination distribution of driving shaft of cutterhead drive system of shield machine

The drive shaft torque coordination control method of the invention discloses a shield cutter driving system, the cutterhead driving system adopts the cutter speed control layer and the drive shaft torque coordination layer structure in the cutter speed control layer in the output of each driving torque of the motor base, realize stable control of cutter speed; in drive torque motor drive shaft torque output quantity coordination coordination layer, to achieve a balanced distribution of small gear torque. The invention relates to a cutter speed stability and drive shaft torque equilibrium problem, respectively, to design the controller improves the cutter driving system of mutation load adaptability, solve the cutter drive shaft torque drive system dynamics and the difference of meshing clearance caused by the difference of unbalanced assignment problem.

【技术实现步骤摘要】
一种盾构机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法
本专利技术设计地铁隧道、海底隧道、矿山隧道、煤矿巷道、石油管道等地下隧道挖掘与施工
，尤其是涉及采用多电机驱动方式的盾构隧道掘进机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法。
技术介绍
盾构隧道掘进机是一种专门用于开挖地下隧道工程的掘进装备，盾构隧道掘进机技术集成了计算机、新材料、自动化、信息化、系统科学、管理科学等多学科技术，具有掘进速度快、施工周期短、安全可靠性高、生态环境影响小等优点。盾构隧道掘进机刀盘驱动系统包括刀盘、齿轮传动系统、驱动电机及控制系统，通常整个刀盘驱动系统需要多台电机同时驱动刀盘旋转。盾构掘进机的掘进过程中，为了保证施工的安全高效进行，需要控制刀盘转速稳定。但是盾构掘进机施工的地质条件具有很强的随机性，刀盘驱动系统面临大范围的突变载荷，因此刀盘驱动系统的控制器要具有良好的载荷适应性。由于刀盘驱动系统本质是一个多电机冗余驱动系统，刀盘负载扭矩通过大齿圈与小齿轮的啮合分配到多根驱动轴上，在刀盘掘进面载荷剧烈波动的情况下，由于各个电机、齿轮传动系统的差异，特别是小齿轮与大齿圈间啮合齿隙的差异，引起驱动轴扭矩分配本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种盾构机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法，其包括了刀盘转速控制层和驱动轴扭矩协调层双层架构，刀盘转速控制层是将刀盘驱动系统动态模型进行降阶，并设计模型预测控制器，之后估计刀盘负载扭矩，求出驱动电机的基础扭矩；驱动轴扭矩协调层是建立刀盘驱动系统驱动轴扭矩协调模型，选取期望的驱动轴扭矩协调量，建立驱动轴扭矩协调预测模型，并设计驱动轴扭矩协调预测控制器，求出各个驱动电机的扭矩协调量；基础扭矩与扭矩协调量之和就是各个驱动电机的实际输入扭矩。

【技术特征摘要】
1.一种盾构机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法，其包括了刀盘转速控制层和驱动轴扭矩协调层双层架构，刀盘转速控制层是将刀盘驱动系统动态模型进行降阶，并设计模型预测控制器，之后估计刀盘负载扭矩，求出驱动电机的基础扭矩；驱动轴扭矩协调层是建立刀盘驱动系统驱动轴扭矩协调模型，选取期望的驱动轴扭矩协调量，建立驱动轴扭矩协调预测模型，并设计驱动轴扭矩协调预测控制器，求出各个驱动电机的扭矩协调量；基础扭矩与扭矩协调量之和就是各个驱动电机的实际输入扭矩。2.如权利要求1所述的盾构机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法，其中，所述的刀盘转速控制层控制算法的设计步骤如下：步骤一：建立刀盘驱动系统动态模型；对于一个包括n个驱动电机的刀盘驱动系统，其动态特性描述为如下数学模型：θg，i＝igθp，i(2)Tp，i＝igTg，i(3)Tpm，i＝imTmp，i(5)其中θg，i是第i号驱动电机的转角，θp，i是第i号小齿轮的转角，θm是刀盘的转角，Ig，i是第i号驱动电机转动惯量，bg，i是第i号驱动电机黏性阻尼系数，Ip，i是第i号小齿轮转动惯量，bp，i是第i号小齿轮黏性阻尼系数，Im是驱动电机转动惯量，bm是驱动电机黏性阻尼系数，Te，i是第i号驱动电机的输入扭矩，Tg，i是第i号驱动电机作用在第i号减速器上的扭矩，Tp，i是第i号减速器作用在第i号小齿轮上的扭矩，Tmp，i是大齿圈作用于第i号小齿轮的啮合扭矩，Tpm，i是第i号小齿轮作用在大齿圈上的啮合扭矩，TL为负载扭矩，ig表示减速器的传动比，im是小齿轮与大齿圈间的传动比。小齿轮与大齿圈之间的啮合过程用一个死区非线性模型描述为：kt，i代表第i号小齿轮与大齿圈之间的啮合刚度，ct，i代表第i号小齿轮与大齿圈之间的啮合阻尼，非线性函数的表达式为：其中z＝θp，i-imθm，Δi代表第i号小齿轮与大齿圈间的齿隙；步骤二：对步骤一中建立的刀盘驱动系统动态模型进行降阶；将齿轮转速传递视为理想过程，认为kt，i和ct，i特别大，Δi＝0，这时θp，i＝imθm，忽略各个驱动子系统的动力学特性差异将其等效为一个整体，将公式(1)～(5)带入公式(6)，将高阶的刀盘驱动模型降阶为一阶惯性环节，数学形式为：1bE为等效黏性阻尼系数，IE为等效转动惯量；步骤三：设计控制刀盘转速的模型预测控制器；设定采样周期T，并假定T足够小，使在一个采样周期内认为Te保持不变，即可将连续时间的刀盘驱动降阶模型(9)转换成离散时间刀盘驱动降阶模型，其数学形式为：其中，k代表第k个时刻；设定预测时域为P，控制时域M，设定的目标转速为根据模型预测控制基本原理，优化问题描述为：其中qi和ri分别为误差权重和控制权重。代表k时刻预测的第(k+i)时刻输出的刀盘的转速，Te(k+j)代表第(k+j)个时刻的驱动电机输入扭矩；Temin、Temax根据通过测试得到，ΔTemin、ΔTemax分别代表从当前时刻到下一时刻驱动电机基础扭矩变化的最小值和最大值，也通过测试得到；步骤四：估计刀盘负载扭矩；刀盘负载扭矩TL是一个不可以直接测量的量，但根据刀盘驱动系统机理模型，得到TL的估计值步骤五：求解驱动电机基础扭矩使用步骤四估计出来的刀盘负载扭矩，代入到步骤三中模型预测控制器(13)，求解该(13)，可以得到一个最优序列，[Te(k)，Te(k+1)，...Te(k+M-1)]，选择Te(k)作为驱动电机基础扭矩3.根据权利要求1或2所述的盾构机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法，其中，所述的驱动轴扭矩协调层算法的设计步骤如下：步骤一：建立刀盘驱动系统驱动轴扭矩协调模型；为了调整各子驱动系统的运动情况，定义如下一组参照值：

【专利技术属性】
技术研发人员：张正，刘之涛，苏宏业，邵诚俊，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33