CN106703823A - 大型掘进装备的姿态纠偏系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型掘进装备的姿态纠偏系统，包括至少四组的用以驱动大型掘进装备的刀头向前掘进，且绕着刀头的预设掘进轴线按上下左右位置进行分区均布的液压单元；一个对大型掘进装备的位置和姿态进行实时监测，并判断大型掘进装备的刀头实时位置相对于预设掘进轴线的相对偏差，进而计算出当前上下分区液压单元压力差Δpz以及左右分区液压单元压力差Δpy的自动测量单元；以及，一个通过实时分析地质数据进而计算得到液压单元的当前预置压力值p0的地质探测单元；同时，本发明中还提供了一种姿态纠偏方法。其解决了“大型掘进装备机掘进过程中的姿态及运行轨迹自行纠偏”的技术问题，具备姿态纠偏控制稳定、姿态纠偏调整精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及大型掘进装备的姿态纠偏控制技术领域，特别是一种大型掘进装备的姿态纠偏系统，以及一种大型掘进装备的姿态纠偏方法。
背景技术
大型掘进装备，全称为“盾构隧道掘进机”，是一种用于隧道掘进的工程机械。大型掘进装备集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多种技术。大型掘进装备已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
在地下作业的过程中，大型掘进装备的运动轨迹将基本形成地下隧道的实际轴线，要求实际轴线尽量接近或吻合隧道设计轴线（DTA），以保证隧道工程的质量。因此，大型掘进装备的姿态准确与否将直接影响到这个隧道工程的质量以及隧道的最后贯通，必须严格按照隧道设计轴线准确控制大型掘进装备的实时姿态。如果大型掘进装备的姿态与隧道设计轴线出现偏差，则需要及时对大型掘进装备的姿态进行纠偏。
目前实际施工用的大型掘进装备都是由操作人员根据测量结果，采用手工方式进行纠偏操作。为了提高施工效率和实现恶劣环境下无人值守施工操作，需要一种大型掘进装备自动纠偏方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种大型掘进装备的姿态纠偏系统，以及上述大型掘进装备的姿态纠偏系统的姿态纠偏方法。
为了实现上述目的，本发明所设计的一种大型掘进装备的姿态纠偏系统，其包括：
至少四组的用以驱动大型掘进装备的刀头向前掘进，且绕着刀头的预设掘进轴线按上下左右位置进行分区均布的液压单元；
一个对大型掘进装备的位置和姿态进行实时监测，并判断大型掘进装备的刀头实时位置相对于预设掘进轴线的相对偏差，进而计算出当前上下分区液压单元压力差Δpz以及左右分区液压单元压力差Δpy的自动测量单元；
以及，一个通过实时分析地质数据进而计算得到液压单元的当前预置压力值p0的地质探测单元；上述地质探测单元可以包括地质探测雷达、地表压力传感器等等。
其中，上述自动测量单元计算出刀头实时位置相对于预设掘进轴线的垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、水平偏差ey、水平偏差变化率èy、垂直俯仰角偏差eθz、垂直俯仰角偏差变化率èθz、水平方位角偏差eθy和水平方位角偏差变化率èθy，自动测量单元根据垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、垂直俯仰角偏差eθz以及垂直俯仰角偏差变化率èθz通过模糊控制算法得到上下分区液压单元压力差Δpz，同步的通过水平偏差ey、水平偏差变化率èy、水平方位角偏差eθy以及水平方位角偏差变化率èθy得到左右分区液压单元压力差Δpy；
每组上述液压单元均由向整个液压单元提供液体压力的液压泵、将液压泵的液体压力能转换为机械能的液压缸，调节液压泵的液体压力的比例调节阀、实时监测液压缸的缸内液体压力值的压力传感器，控制比例调节阀的PID控制器以及减法器；其中，上分区液压单元中的减法器接收地质探测单元传输的预置压力值p0、自动测量单元传输的上下分区液压单元压力差Δpz以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpz与P内的差值P差，其对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀；左分区液压单元中的减法器接收地质探测单元传输的预置压力值p0、自动测量单元传输的左右分区液压单元压力差Δpy以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpy与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀；下分区液压单元中的减法器接收地质探测单元传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀；右分区液压单元中的减法器接收地质探测单元传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀。
作为优选，上述上分区液压单元包括三组相互独立的液压系统，上述下分区液压单元包括七组相互独立的液压系统，上述左分区液压单元与右分区液压单元均包括五组相互独立的液压系统，且上述上分区液压单元、下分区液压单元、左分区液压单元以及右分区液压单元中液压系统的液压缸共同呈环状排布，且每个分区液压单元中相邻两组液压系统的液压缸的间距保持一致；
其中，当大型掘进装备的刀头在垂直方向上发生偏置时，上述上分区液压单元中居中液压系统的上下分区液压单元压力差为Δpz，其两侧液压系统的上下分区液压单元压力差均为k1*Δpz，且k1为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L1除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L2；上述下分区液压单元中居中液压系统的预置压力值为p0，其两侧液压系统的预置压力值均为k2* p0，且k2为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L3除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L4，再外侧液压系统的预置压力值则为2k2* p0，最外侧液压系统的预置压力值则为3k2* p0；上述左分区液压单元中居中液压系统的左右分区液压单元压力差为Δpy，其上方的单侧液压系统的左右分区液压单元压力差为k3*Δpy，且k3为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L5除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L6，再外侧液压系统的左右分区液压单元压力差则为2k3*Δpy，前述左分区液压单元中居中液压系统下方的单侧液压系统的左右分区液压单元压力差为k4*Δpy，且k4为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L7除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L8，再外侧液压系统的左右分区液压单元压力差则为2k4* p0；上述右分区液压单元中居中液压系统的预置压力值为p0，其上方的单侧液压系统的预置压力值为k5* p0，且k5为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L9除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L10，再外侧液压系统的预置压力值则为2k5* p0，前述右分区液压单元中居中液压系统下方的单侧液压系统的预置压力值为k6* p0，且k6为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L11除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L12，再外侧液压系统的预置压力值则为2k6* p0；
当大型掘进装备的刀头在左右方向上发生偏置时，上述上分区液压单元中居中液压系统的上下分区液压单元压力差为Δpz，其左侧液压系统的上下分区液压单元压力差为k7*Δpz，且k7为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L13除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L14，其右侧液压系统的上下分区液压单元压力差均为k8*Δpz，且k8为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L15除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L16；上述下分区液压单元中居中液压系统的预置压力值为p0，其左侧液压系统的预置压力值均为k9* p0，且k9为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L17除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L18，其外侧液压系统的预置压力值则为2k9* p0，最外侧液压系统的预置压力值则为3k9*p0，前述下分区液压单元中居中液压系统的右侧液压系统的预置压力值均为k10* p0，且k10为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L19除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L20，其外侧液压系统的预置压力值则为2k10* p0，最外侧液压系统的预置压力值则为3k10*p0；上述左分区液压单元中居中液压系统的左右分区液压单元压力差为Δpy，其两侧液压系统的左右分区液压单元压力差均为k11* p0，且k11为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L21除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L22，再外侧液压系统的左右分区液压单元压力差则为2k11* p0；上述右分区液压单元中居中液压系统的预置压力值为p0，其两侧液压系统的预置压力值均为k12* p0，且k12为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L23除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L24，再外侧液压系统的左右分区液压单元压力差则为2k12* p0。
上述优选技术方案中考虑到大型掘进装备的刀头的自重因素，因此其左分区液压单元与右分区液压单元的液压系统数量要多于上分区液压单元；同理的，下分区液压单元的液压系统数量又要多于左分区液压单元以及右分区液压单元。该优选技术方案中所提供的大型掘进装备的姿态纠偏控制稳定，姿态纠偏调整精度高。
本发明中还提供了一种大型掘进装备的姿态纠偏方法，其特征是包括以下步骤：
a、自动测量单元对大型掘进装备的位置和姿态进行实时监测，并判断大型掘进装备的刀头实时位置相对于预设掘进轴线的相对偏差，进而计算出当前上下分区液压单元压力差Δpz以及左右分区液压单元压力差Δpy的步骤；
b、地质探测单元通过实时分析地质数据进而计算得到液压单元的当前预置压力值p0的步骤；
c、自动测量单元计算出刀头实时位置相对于预设掘进轴线的垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、水平偏差ey、水平偏差变化率èy、垂直俯仰角偏差eθz、垂直俯仰角偏差变化率èθz、水平方位角偏差eθy和水平方位角偏差变化率èθy，自动测量单元根据垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、垂直俯仰角偏差eθz以及垂直俯仰角偏差变化率èθz通过模糊控制算法得到上下分区液压单元压力差Δpz，同步的通过水平偏差ey、水平偏差变化率èy、水平方位角偏差eθy以及水平方位角偏差变化率èθy得到左右分区液压单元压力差Δpy的步骤；
d、上分区液压单元中的减法器接收地质探测单元传输的预置压力值p0、自动测量单元传输的上下分区液压单元压力差Δpz以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpz与P内的差值P差，其对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤；同步的，左分区液压单元中的减法器接收地质探测单元传输的预置压力值p0、自动测量单元传输的左右分区液压单元压力差Δpy以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpy与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤；同步的，下分区液压单元中的减法器接收地质探测单元传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤；同步的，右分区液压单元中的减法器接收地质探测单元传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤。
上述自动测量单元根据垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、水平偏差ey、水平偏差变化率èy、垂直俯仰角偏差eθz、垂直俯仰角偏差变化率èθz、水平方位角偏差eθy及水平方位角偏差变化率èθy计算上下分区液压单元压力差Δpz和左右分区液压单元压力差Δpy，其采用模糊控制算法。上述模糊控制算法是一种本领域及相关领域技术人员的公知常识，其大致工作原理如下：把由各传感器测出的精确量转换成为适于模糊运算的模糊量，然后将这些量在模糊控制器中加以运算，最后再将运算结果中的模糊量转换为精确量，以便对各执行器进行具体的操作控制。但是，上述模糊控制算法结合至本发明中要根据大型掘进装备最大纠偏角度（即大型掘进装备最小转弯半经）来定控制量【-ezmax, ezmax】、【-eymax, eymax】、【-èzmax, èzmax】、【-èymax, èymax】、【-eθzmax, eθzmax】、【-èθzmax, èθzmax】、【-eθymax, eθymax】及【-èθymax,èθymax】的最大限幅值。
本发明得到的一种大型掘进装备的姿态纠偏系统，其系统简单，姿态纠偏控制稳定；本发明的姿态纠偏方法能自动稳定地调节大型掘进装备掘进过程中的运行轨迹，调整精度高，调整效率高，同时能够减少人工参与纠偏操作，消除了安全隐患。
附图说明
图1是本发明中所提供一种大型掘进装备的姿态纠偏系统的示意图；
图2是本发明所提供一种大型掘进装备中刀头上液压单元分布示意图。
图中：自动测量单元1、地质探测单元2、上分区液压单元3、下分区液压单元4、左分区液压单元5、右分区液压单元6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本实施例中所提供的一种大型掘进装备的姿态纠偏系统，其包括：
四组用以驱动大型掘进装备的刀头向前掘进，且绕着刀头的预设掘进轴线按上下左右位置进行分区均布的液压单元；
一个对大型掘进装备的位置和姿态进行实时监测，并判断大型掘进装备的刀头实时位置相对于预设掘进轴线的相对偏差，进而计算出当前上下分区液压单元压力差Δpz以及左右分区液压单元压力差Δpy的自动测量单元1；
以及，一个通过实时分析地质数据进而计算得到液压单元的当前预置压力值p0的地质探测单元2；
其中，上述自动测量单元1计算出刀头实时位置相对于预设掘进轴线的垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、水平偏差ey、水平偏差变化率èy、垂直俯仰角偏差eθz、垂直俯仰角偏差变化率èθz、水平方位角偏差eθy和水平方位角偏差变化率èθy，自动测量单元1根据垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、垂直俯仰角偏差eθz以及垂直俯仰角偏差变化率èθz通过模糊控制算法得到上下分区液压单元压力差Δpz，同步的通过水平偏差ey、水平偏差变化率èy、水平方位角偏差eθy以及水平方位角偏差变化率èθy得到左右分区液压单元压力差Δpy；
每组上述液压单元均由向整个液压单元提供液体压力的液压泵、将液压泵的液体压力能转换为机械能的液压缸，调节液压泵的液体压力的比例调节阀、实时监测液压缸的缸内液体压力值的压力传感器，控制比例调节阀的PID控制器以及减法器；其中，上分区液压单元3中的减法器接收地质探测单元2传输的预置压力值p0、自动测量单元1传输的上下分区液压单元压力差Δpz以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpz与P内的差值P差，其对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀；左分区液压单元5中的减法器接收地质探测单元2传输的预置压力值p0、自动测量单元1传输的左右分区液压单元压力差Δpy以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpy与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀；下分区液压单元4中的减法器接收地质探测单元2传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀；右分区液压单元6中的减法器接收地质探测单元2传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀。
本实施例所提供一种大型掘进装备的姿态纠偏系统，其结构中上述上分区液压单元包括三组相互独立的液压系统，上述下分区液压单元包括七组相互独立的液压系统，上述左分区液压单元与右分区液压单元均包括五组相互独立的液压系统，且上述上分区液压单元、下分区液压单元、左分区液压单元以及右分区液压单元中液压系统的液压缸共同呈环状排布，且每个分区液压单元中相邻两组液压系统的液压缸的间距保持一致；
其中，上述上分区液压单元中居中液压系统的上下分区液压单元压力差为Δpz，其两侧液压系统的上下分区液压单元压力差均为k1*Δpz，且k1为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L1除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L2；上述下分区液压单元中居中液压系统的预置压力值为p0，其两侧液压系统的预置压力值均为k2* p0，且k2为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L3除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L4，再外侧液压系统的预置压力值则为2k2* p0，最外侧液压系统的预置压力值则为3k2* p0；上述左分区液压单元中居中液压系统的左右分区液压单元压力差为Δpy，其两侧液压系统的左右分区液压单元压力差均为k3*Δpy，且k3为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L5除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L6，再外侧液压系统的左右分区液压单元压力差则为2k3* p0；上述右分区液压单元中居中液压系统的预置压力值为p0，其两侧液压系统的预置压力值均为k4*Δpy，且k4为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L7除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L8，再外侧液压系统的预置压力值则为2k4* p0。
如图2所示，上述上分区液压单元3包括三组相互独立的液压系统，上述下分区液压单元4包括七组相互独立的液压系统，上述左分区液压单元5与右分区液压单元6均包括五组相互独立的液压系统，且上述上分区液压单元3、下分区液压单元4、左分区液压单元5以及右分区液压单元6中液压系统的液压缸共同呈环状排布，且每个分区液压单元中相邻两组液压系统的液压缸的间距保持一致；
其中，当大型掘进装备的刀头在垂直方向上发生偏置时，上述上分区液压单元3中居中液压系统的上下分区液压单元4压力差为Δpz，其两侧液压系统的上下分区液压单元4压力差均为k1*Δpz，且k1为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L1除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L2；上述下分区液压单元4中居中液压系统的预置压力值为p0，其两侧液压系统的预置压力值均为k2* p0，且k2为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L3除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L4，再外侧液压系统的预置压力值则为2k2* p0，最外侧液压系统的预置压力值则为3k2* p0；上述左分区液压单元5中居中液压系统的左右分区液压单元6压力差为Δpy，其上方的单侧液压系统的左右分区液压单元6压力差为k3*Δpy，且k3为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L5除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L6，再外侧液压系统的左右分区液压单元6压力差则为2k3*Δpy，前述左分区液压单元5中居中液压系统下方的单侧液压系统的左右分区液压单元6压力差为k4*Δpy，且k4为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L7除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L8，再外侧液压系统的左右分区液压单元6压力差则为2k4* p0；上述右分区液压单元6中居中液压系统的预置压力值为p0，其上方的单侧液压系统的预置压力值为k5* p0，且k5为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L9除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L10，再外侧液压系统的预置压力值则为2k5* p0，前述右分区液压单元6中居中液压系统下方的单侧液压系统的预置压力值为k6* p0，且k6为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L11除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L12，再外侧液压系统的预置压力值则为2k6* p0；
当大型掘进装备的刀头在左右方向上发生偏置时，上述上分区液压单元3中居中液压系统的上下分区液压单元4压力差为Δpz，其左侧液压系统的上下分区液压单元4压力差为k7*Δpz，且k7为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L13除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L14，其右侧液压系统的上下分区液压单元4压力差均为k8*Δpz，且k8为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L15除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L16；上述下分区液压单元4中居中液压系统的预置压力值为p0，其左侧液压系统的预置压力值均为k9*p0，且k9为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L17除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L18，其外侧液压系统的预置压力值则为2k9* p0，最外侧液压系统的预置压力值则为3k9* p0，前述下分区液压单元4中居中液压系统的右侧液压系统的预置压力值均为k10* p0，且k10为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L19除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L20，其外侧液压系统的预置压力值则为2k10* p0，最外侧液压系统的预置压力值则为3k10* p0；上述左分区液压单元5中居中液压系统的左右分区液压单元6压力差为Δpy，其两侧液压系统的左右分区液压单元6压力差均为k11* p0，且k11为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L21除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L22，再外侧液压系统的左右分区液压单元6压力差则为2k11* p0；上述右分区液压单元6中居中液压系统的预置压力值为p0，其两侧液压系统的预置压力值均为k12* p0，且k12为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L23除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L24，再外侧液压系统的左右分区液压单元6压力差则为2k12* p0。
本发明中还提供了一种大型掘进装备的姿态纠偏方法，其特征是包括以下步骤：
a、自动测量单元1对大型掘进装备的位置和姿态进行实时监测，并判断大型掘进装备的刀头实时位置相对于预设掘进轴线的相对偏差，进而计算出当前上下分区液压单元压力差Δpz以及左右分区液压单元压力差Δpy的步骤；
b、地质探测单元2通过实时分析地质数据进而计算得到液压单元的当前预置压力值p0的步骤；
c、自动测量单元1计算出刀头实时位置相对于预设掘进轴线的垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、水平偏差ey、水平偏差变化率èy、垂直俯仰角偏差eθz、垂直俯仰角偏差变化率èθz、水平方位角偏差eθy和水平方位角偏差变化率èθy，自动测量单元1根据垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、垂直俯仰角偏差eθz以及垂直俯仰角偏差变化率èθz通过模糊控制算法得到上下分区液压单元压力差Δpz，同步的通过水平偏差ey、水平偏差变化率èy、水平方位角偏差eθy以及水平方位角偏差变化率èθy得到左右分区液压单元压力差Δpy的步骤；
d、上分区液压单元3中的减法器接收地质探测单元2传输的预置压力值p0、自动测量单元1传输的上下分区液压单元压力差Δpz以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpz与P内的差值P差，其对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤；同步的，左分区液压单元5中的减法器接收地质探测单元2传输的预置压力值p0、自动测量单元1传输的左右分区液压单元压力差Δpy以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpy与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤；同步的，下分区液压单元4中的减法器接收地质探测单元2传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤；同步的，右分区液压单元6中的减法器接收地质探测单元2传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤。
Claims (3)
1.一种大型掘进装备的姿态纠偏系统，其特征是包括：
至少四组的用以驱动大型掘进装备的刀头向前掘进，且绕着刀头的预设掘进轴线按上下左右位置进行分区均布的液压单元；
一个对大型掘进装备的位置和姿态进行实时监测，并判断大型掘进装备的刀头实时位置相对于预设掘进轴线的相对偏差，进而计算出当前上下分区液压单元压力差Δpz以及左右分区液压单元压力差Δpy的自动测量单元（1）；
以及，一个通过实时分析地质数据进而计算得到液压单元的当前预置压力值p0的地质探测单元（2）；
其中，上述自动测量单元（1）计算出刀头实时位置相对于预设掘进轴线的垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、水平偏差ey、水平偏差变化率èy、垂直俯仰角偏差eθz、垂直俯仰角偏差变化率èθz、水平方位角偏差eθy和水平方位角偏差变化率èθy，自动测量单元（1）根据垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、垂直俯仰角偏差eθz以及垂直俯仰角偏差变化率èθz通过模糊控制算法得到上下分区液压单元压力差Δpz，同步的通过水平偏差ey、水平偏差变化率èy、水平方位角偏差eθy以及水平方位角偏差变化率èθy得到左右分区液压单元压力差Δpy；
每组上述液压单元均由向整个液压单元提供液体压力的液压泵、将液压泵的液体压力能转换为机械能的液压缸，调节液压泵的液体压力的比例调节阀、实时监测液压缸的缸内液体压力值的压力传感器，控制比例调节阀的PID控制器以及减法器；其中，上分区液压单元（3）中的减法器接收地质探测单元（2）传输的预置压力值p0、自动测量单元（1）传输的上下分区液压单元压力差Δpz以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpz与P内的差值P差，其对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀；左分区液压单元（5）中的减法器接收地质探测单元（2）传输的预置压力值p0、自动测量单元（1）传输的左右分区液压单元压力差Δpy以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpy与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀；下分区液压单元（4）中的减法器接收地质探测单元（2）传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀；右分区液压单元（6）中的减法器接收地质探测单元（2）传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀。
2.根据权利要求1所述的一种大型掘进装备的姿态纠偏系统，其特征是上述上分区液压单元包括三组相互独立的液压系统，上述下分区液压单元包括七组相互独立的液压系统，上述左分区液压单元与右分区液压单元均包括五组相互独立的液压系统，且上述上分区液压单元、下分区液压单元、左分区液压单元以及右分区液压单元中液压系统的液压缸共同呈环状排布，且每个分区液压单元中相邻两组液压系统的液压缸的间距保持一致；
其中，当大型掘进装备的刀头在垂直方向上发生偏置时，上述上分区液压单元中居中液压系统的上下分区液压单元压力差为Δpz，其两侧液压系统的上下分区液压单元压力差均为k1*Δpz，且k1为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L1除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L2；上述下分区液压单元中居中液压系统的预置压力值为p0，其两侧液压系统的预置压力值均为k2* p0，且k2为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L3除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L4，再外侧液压系统的预置压力值则为2k2* p0，最外侧液压系统的预置压力值则为3k2* p0；上述左分区液压单元中居中液压系统的左右分区液压单元压力差为Δpy，其上方的单侧液压系统的左右分区液压单元压力差为k3*Δpy，且k3为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L5除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L6，再外侧液压系统的左右分区液压单元压力差则为2k3*Δpy，前述左分区液压单元中居中液压系统下方的单侧液压系统的左右分区液压单元压力差为k4*Δpy，且k4为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L7除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L8，再外侧液压系统的左右分区液压单元压力差则为2k4* p0；上述右分区液压单元中居中液压系统的预置压力值为p0，其上方的单侧液压系统的预置压力值为k5* p0，且k5为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L9除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L10，再外侧液压系统的预置压力值则为2k5* p0，前述右分区液压单元中居中液压系统下方的单侧液压系统的预置压力值为k6* p0，且k6为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L11除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L12，再外侧液压系统的预置压力值则为2k6* p0；
当大型掘进装备的刀头在左右方向上发生偏置时，上述上分区液压单元中居中液压系统的上下分区液压单元压力差为Δpz，其左侧液压系统的上下分区液压单元压力差为k7*Δpz，且k7为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L13除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L14，其右侧液压系统的上下分区液压单元压力差均为k8*Δpz，且k8为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L15除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L16；上述下分区液压单元中居中液压系统的预置压力值为p0，其左侧液压系统的预置压力值均为k9* p0，且k9为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L17除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L18，其外侧液压系统的预置压力值则为2k9* p0，最外侧液压系统的预置压力值则为3k9*p0，前述下分区液压单元中居中液压系统的右侧液压系统的预置压力值均为k10* p0，且k10为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L19除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L20，其外侧液压系统的预置压力值则为2k10* p0，最外侧液压系统的预置压力值则为3k10*p0；上述左分区液压单元中居中液压系统的左右分区液压单元压力差为Δpy，其两侧液压系统的左右分区液压单元压力差均为k11* p0，且k11为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L21除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L22，再外侧液压系统的左右分区液压单元压力差则为2k11* p0；上述右分区液压单元中居中液压系统的预置压力值为p0，其两侧液压系统的预置压力值均为k12* p0，且k12为前述位于单侧的液压系统中液压缸伸出长度L23除以居中的液压系统中液压缸伸出长度L24，再外侧液压系统的左右分区液压单元压力差则为2k12* p0。
3.一种如权利要求1所述大型掘进装备的姿态纠偏系统的姿态纠偏方法，其特征是包括以下步骤：
a、自动测量单元（1）对大型掘进装备的位置和姿态进行实时监测，并判断大型掘进装备的刀头实时位置相对于预设掘进轴线的相对偏差，进而计算出当前上下分区液压单元压力差Δpz以及左右分区液压单元压力差Δpy的步骤；
b、地质探测单元（2）通过实时分析地质数据进而计算得到液压单元的当前预置压力值p0的步骤；
c、自动测量单元（1）计算出刀头实时位置相对于预设掘进轴线的垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、水平偏差ey、水平偏差变化率èy、垂直俯仰角偏差eθz、垂直俯仰角偏差变化率èθz、水平方位角偏差eθy和水平方位角偏差变化率èθy，自动测量单元（1）根据垂直偏差ez、垂直偏差变化率èz、垂直俯仰角偏差eθz以及垂直俯仰角偏差变化率èθz通过模糊控制算法得到上下分区液压单元压力差Δpz，同步的通过水平偏差ey、水平偏差变化率èy、水平方位角偏差eθy以及水平方位角偏差变化率èθy得到左右分区液压单元压力差Δpy的步骤；
d、上分区液压单元（3）中的减法器接收地质探测单元（2）传输的预置压力值p0、自动测量单元（1）传输的上下分区液压单元压力差Δpz以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpz与P内的差值P差，其对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤；同步的，左分区液压单元（5）中的减法器接收地质探测单元（2）传输的预置压力值p0、自动测量单元（1）传输的左右分区液压单元压力差Δpy以及压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0+Δpy与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤；同步的，下分区液压单元（4）中的减法器接收地质探测单元（2）传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤；同步的，右分区液压单元（6）中的减法器接收地质探测单元（2）传输的预置压力值p0与压力传感器传输的缸内液体压力值P内，计算p0与P内的差值P差，对应PID控制器根据前述差值P差进而控制比例调节阀的步骤。
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