盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法组成比例

本发明专利技术提供了一种盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，针对分区等效受力点在安装平面内沿圆周方向等间隔分布的盾构机，利用斜截圆筒数学模型，在各分区推力/油压矢量终点共面的条件下建立分区推力/油压约束公式，求解出公式中的未知量，得到分区推力或分区油压的均衡分配结果，最后通过换算关系对应得到分区油压或分区推力的均衡分配结果，使各分区的油压和推力满足目标总推力和目标纠偏力矩的要求，同时保障分区推力和分区油压分配的均衡性，减小对分区交界管片的弯折力矩，从而减少管片损伤，利于掘进施工中对管环的保护，分配过程准确高效，为盾构机姿态自动/智能控制打下技术基础。控制打下技术基础。控制打下技术基础。

【技术实现步骤摘要】
盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法


[0001]本专利技术涉及盾构机控制
，具体涉及一种盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法。

技术介绍

[0002]盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机，其基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘，并在掘进的过程中铺设支撑性管片。盾构机盾体圆周通常均匀装配有推进油缸，推进油缸活塞杆顶端的撑靴撑抵在管环端面，通过缓慢伸出活塞杆反向推动盾构机向掘进方向运动。在较为基础、常见的盾构机结构中，例如有同步掘进功能的盾构机等，其推进系统通常包括在周向上等间隔设置的多个可独立调节油压的分区，每分区内油缸组数量相等，按照工程需求，单组或者多组相邻的推进油缸组并联作为一个分区，由同一阀组统一控制油压，故同分区内各组油缸对应推力/油压相同，推进油缸通常每2根成组或单根成组，同组内推进油缸推力相同。
[0003]近年来，自动化、智能化技术在盾构装备及施工领域不断发展，其中最重要内容之一为盾构机掘进姿态自动控制。为实现盾构机姿态向目标姿态或计划线方向调整，可通过调节盾构机各推进油缸分区油压/推力，调整纠偏力矩强度和方向，进而达到盾构机姿态纠偏的目的。然而在满足相同总推力和纠偏力矩条件下，各分区油压/推力值组合结果数量众多。工程实践中，通常由司机根据经验和习惯进行调控，不同司机操作手法不同，导致相同前提下分区油压/推力值分配结果差异性大，无法对盾构机姿态自动/智能控制技术发展提供有益参考。
[0004]此外，油压和推力的分配还需要考虑到均衡性要求。无规律的分区油压/推力分配方式如图1(a)所示，油压/推力均衡分配情况见图1(b)。根据实际施工情况和业界共识，通常认为相邻分区油压/推力相差越小则对分区交界管片的弯折力矩越小，进而可减少管片损伤，故相同总推力及纠偏力矩的前提下，各分区的油压/推力越均衡越好，即分区油压/推力大小沿目标纠偏力矩方向变化梯度一致则分配结果最优。
[0005]对盾构机而言，其运动的自由度为3：俯仰、横摆、前后平移，但推进缸数量远远大于3，由此产生液压缸过驱动问题。为达到盾构运动力学指标，需要对冗余推进油缸推力或油压进行协调分配，该问题与在航空、航海、汽车等领域遇到的冗余性问题相似，称之为控制分配问题。现阶段对于控制分配问题的主要求解算法包括：
[0006](1)显式组合法：显式组合法使用预先设计的组合方式由多个执行结构配合产生各个单一的控制效应。这种方法易于工程实现，适用于组合方式明显且有限的过驱动系统，但不能有效处理约束，也不能对性能进行优化，当某一执行机构出现故障时，设计的组合方案将失效，没有自适应重分配的能力，且对冗余度较高的系统不适用。
[0007]该方法需预先设置组合方式以产生某个单一的控制作用，但针对盾构机推力分配这种情况，推力在可行范围内是连续的、纠偏力矩在范围内也是连续的，相应各个油缸推力变化也是稳定且连续的，利用“显式组合法”难以在可行域内实现设计无数种多油缸推力组
合方式，达到连续变化的目标推力和力矩。因此，显式组合法不适用于解决盾构机的分区推力分配问题。
[0008](2)串接链法：假设系统的执行机构是分级结构，串接链控制分配方法的核心思想是若前一级执行机构饱和则，快速让下一级执行机构动作，以补偿需要的控制量。串接链控制分配算法具有工程实现简单、分配速度快和使用可靠等特点。也有一个明显的缺点是很容易导致执行机构的饱和。
[0009]该方法容易导致先动作的部分执行机构(油缸)推力达到极限，这在盾构施工中是不可接受的。因此，串接链法不适用于解决盾构机的分区推力分配问题。
[0010](3)直接分配法：直接分配法有Duaham提出，是一种几何算法，其过程为：给定控制伪指令W，首先得到一个合适的控制输入*R使得伪控制输入W*＝LR*，在W方向上幅值最大。
[0011]Bodson将直接分配转化为求解最优化问题的形式，通过给定
ɑ
，R*，并求解：
[0012][0013]直接分配算法追求分配结果在期望方向上幅值最大，且需利用最优化问题求解方法进行求解，较为繁琐且不够精确。
[0014](4)广义逆分配法：广义逆的控制分配算法引入了最小范数的约束，可表示为可表示为
[0015][0016]该式的显式解为R＝L+W，其中L
+
＝L
T
(LL
T
)
‑1是L的伪逆矩阵。
[0017]该方法通过广义逆求解各执行机构的动作量，其追求执行机构综合输出最小，但对于盾构机推进油缸分布不均衡——力臂差异大的情况时，其可保证分配结果满足总推力和力矩要求，但无法保证分配结果均衡(最大分区油压可能与最小分区油压相邻)，这种分配结果对管片受力存在潜在风险。
[0018]传统的控制分配算法中，除了上面列举的几种，还有Burken提出的一种求解加权最优控制分配问题的固定点迭代算法，该算法类似于梯度搜索的迭代算法，具有全局收敛性，但是若给出的是不可达的指令时，算法可能较慢。Petersen和Bodson提出的一种用于求解二次规划的内点算法，该方法一致收敛并且最优解的相对距离可知。此外，还有求解小到中规模的二次规划问题的有效集算法等。内点算法和有效集算法都是将控制分配问题转化为二次规划问题，其目的都是求解符合目标函数及约束条件下的最优解。利用二次规划求解控制分配问题一般追求约束条件下目标函数最小，该处理方式可实现满足目标总推力和纠偏力矩的各分区推力分配，但不能保证分配结果均衡。

技术实现思路

[0019]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法。
[0020]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0021]一种盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，所述盾构机的推进系统包括等效受力点在安装平面内沿圆周方向等间隔分布的多个可独立调节油压的分区，每个分区由相同数量的油缸组组成，分区推力和分区油压矢量方向均垂直于所述安装平面，包括：
[0022]步骤S1，确定所述盾构机的分区数量n、每个分区的油缸组数量m、单组油缸的推力与油压的比例系数K、各分区等效受力点所在圆周的半径R，然后以圆周中心为原点建立空间直角坐标系O
‑
xyz，然后进一步确定所有分区相对于原点O的水平目标纠偏力矩M
x
、垂直目标纠偏力矩M
y
以及需要达到的目标总推力F
t
；
[0023]步骤S2：利用斜截圆筒数学模型，在各分区推力矢量终点共面的条件下建立分区推力约束公式：或者在各分区油压矢量终点共面的条件下建立分区油压约束公式:
[0024]式中，F
i
为第i个分区的分区推力，P
i
为第i个分区的分区油压，θ
i
为第i个分区中心对应的圆心角，α为斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴在安装平面内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，所述盾构机的推进系统包括等效受力点在安装平面内沿圆周方向等间隔分布的多个可独立调节油压的分区，每个分区由相同数量的油缸组组成，分区推力和分区油压矢量方向均垂直于所述安装平面，其特征在于，包括：步骤S1，确定所述盾构机的分区数量n、每个分区的油缸组数量m、单组油缸的推力与油压的比例系数K、各分区等效受力点所在圆周的半径R，然后以圆周中心为原点建立空间直角坐标系O
‑
xyz，然后进一步确定所有分区相对于原点O的水平目标纠偏力矩M
x
、垂直目标纠偏力矩M
y
以及需要达到的目标总推力F
t
；步骤S2：利用斜截圆筒数学模型，在各分区推力矢量终点共面的条件下建立分区推力约束公式：或者在各分区油压矢量终点共面的条件下建立分区油压约束公式:式中，F
i
为第i个分区的分区推力，P
i
为第i个分区的分区油压，θ
i
为第i个分区中心对应的圆心角，α为斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴在安装平面内投影的方向角，tanβ1为各分区推力矢量终点所在的目标平面的倾斜度，tanβ2为各分区油压矢量终点所在的目标平面的倾斜度；步骤S3：根据水平目标纠偏力矩M
x
、垂直目标纠偏力矩M
y
得到目标纠偏合力矩再通过斜截圆筒数学模型中椭圆形斜截面的长半轴在安装平面内投影的方向角与目标纠偏合力矩的方向角之间的对应关系得到步骤S4：结合各分区在
ɑ
方向的分区推力力矩之和等于目标纠偏合力矩的等量关系，即得到分区推力约束公式中的或者分区油压约束公式中的步骤S5：先将α和tanβ1代入分区推力约束公式中，得到关于θ
i
的分区推力计算式，再代入各分区对应的圆心角θ
i
计算n个分区的分区推力，通过分区推力换算得到对应的分区油压；或者，将α和tanβ2代入分区油压约束公式中，得到关于θ
i
的分区油压计算式，再代入各分区对应的圆心角θ
i
计算n个分区的分区油压，通过分区油压换算得到对应的分区推力，最终得到盾构机分区推力及油压均衡分配结果。2.根据权利要求1所述的盾构机智能掘进过程分区推力及油压均衡分配方法，其特征在于：步骤S1中，K＝F
max

【专利技术属性】
技术研发人员：缪袁泉，何彦行，宋伟浩，徐庆，张红升，穆太力普，
申请(专利权)人：中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：