CN107605499B - 掘进机土压平衡方法以及螺旋机控制装置 - Google Patents
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Abstract
掘进机土压平衡方法以及螺旋机控制装置，其中，该方法包括：在掘进启动阶段，获取掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率，根据掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率计算螺旋机的第一目标转速；调节螺旋机的实际转速并使得实际转速达到并维持在第一目标转速；在掘进阶段，获取掘进机的实际土仓压力，根据预设土仓压力阈值以及实际土仓压力确定螺旋机的闭环调节目标转速，根据闭环调节目标转速和第一目标转速对螺旋机的实际转速进行调节，以使得实际土仓压力趋近或等于预设土仓压力阈值。本方法能够更加高效、准确地保持掘进机土仓压力的平衡，从而避免出现诸如地表下沉、坍塌、隆起以及开裂等问题。
Description
技术领域
本发明涉及掘进机技术领域，具体地说，涉及掘进机土压平衡方法以及螺旋机控制装置。
背景技术
现有的土压平衡盾构机在工作过程中，会将盾构千斤顶的推力通过承压隔板传递到土仓内的泥土浆上，从而由泥土浆的压力作用于开挖面，以抵消开挖面出的地下水压和土压，这样也就可以形成平衡从而保证开挖面的稳定。
具体地，现有的土压平衡盾构机所使用的土压平衡方法是通过安装在盾构机土仓隔壁上的土压计来对掘进过程中的土压进行长时监控，随后将检测到的土压值与管理土压值对比来计算得到二者的差值，最后再由盾构机操作员来基于上述差值来根据自身经验手动调节螺旋机转速以控制出渣量，从而控制土压来达到土压平衡的效果。
然而，现有的这种土压平衡方法在实施过程中需要依赖于盾构机操作人员的个人经验和感性思维，无法做到对螺旋机转速的准确调节，这样也就时常会导致地表下沉、坍塌、隆起或是开裂等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种掘进机土压平衡方法，所述方法包括：
步骤一、在掘进启动阶段，获取掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率，根据所述掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率计算螺旋机的第一目标转速；
步骤二、调节所述螺旋机的实际转速并使得实际转速达到并维持在所述第一目标转速；
步骤三、在掘进阶段，获取所述掘进机的实际土仓压力，根据预设土仓压力阈值以及所述实际土仓压力确定所述螺旋机的闭环调节目标转速，根据所述闭环调节目标转速和第一目标转速对所述螺旋机的实际转速进行调节，以使得所述实际土仓压力趋近或等于预设土仓压力阈值。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，通过对所述闭环调节目标转速和第一目标转速进行加权求和，计算得到所述螺旋机的第二目标转速，根据所述第二目标转速对所述螺旋机的实际转速进行调节。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，根据如下表达式计算所述螺旋机的第二目标转速：
n2＝n1×r+n0×(1-r)，其中0≤r≤1
其中，n2表示螺旋机的第二目标转速，n1表示螺旋机的闭环调节目标转速，n0表示螺旋机的第一目标转速，r表示加权系数。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，利用PID算法根据预设土仓压力阈值以及所述实际土仓压力确定所述螺旋机的闭环调节目标转速。
根据本发明的一个实施例，在所述掘进启动阶段，还判断本次掘进过程是否为当前工况下的首次掘进过程，如果是，则获取开挖直径、掘进速度、膨胀率以及实际土仓压力，并根据开挖直径、掘进速度、膨胀率以及实际土仓压力对闭环调节过程中的PID控制参数进行优化。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤一中，基于开挖直径、掘进速度、膨胀率与螺旋机转速之间的拟合曲线，根据所述掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率计算所述螺旋机的第一目标转速。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤一中，根据获取到的掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率计算所述掘进机的理论出渣量，基于螺旋机转速与出渣量的拟合曲线，根据所述理论出渣量确定所述螺旋机的第一目标转速。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤一中，还判断本次掘进过程的过程参数与所存储的前一掘进过程的过程参数是否相等，其中，如果相等，则在所述步骤二中根据前一掘进过程的过程参数对所述螺旋机的转速进行开环调节。
根据本发明的一个实施例，如果所述本次掘进过程的过程参数与所存储的前一掘进过程的过程参数不相等，则根据所述掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率计算所述螺旋机的第一目标转速。
本发明还提供了一种螺旋机控制装置，所述装置采用如上任一项所述的方法控制所述螺旋机的转速，以实现掘进机的土压平衡。
相较于现有的掘进机土压平衡方法，本发明所提供的方法通过开环控制方式与闭环控制方式的结合能够更加高效、准确地保持掘进机土仓压力的平衡，从而避免出现诸如地表下沉、坍塌、隆起以及开裂等问题。
同时，本方法在保证土仓压力有效平衡的前提下，还能够有效减少土压平衡过程中的人工干预，这样不仅能够减少掘进机工作过程中的人力消耗，还能够进一步保证设备、施工人员以及现场地质环境的安全。
此外，本方法利用转动的闭环调节器来对适应掘进机的不同工况，这样能够有效减小外部随机因素的影响，进而提高掘进机的掘进效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是根据本发明一个实施例的掘进机的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的掘进机土压平衡方法的实现流程示意图；
图3是根据本发明另一个实施例的掘进机土压平衡方法的实现流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
针对现有掘进机土压平衡方法所存在的容易导致地表下沉、坍塌、隆起以及开裂的问题，本发明提供了一种新的掘进机土压平衡方法以及应用该方法进行掘进机的土压平衡的螺旋机控制装置，该方法使得螺旋机控制装置能够实时地控制螺旋机转速来调节排土量(即出渣量)，从而实现掘进机实际掘进过程中其实际土仓压力在事先设定的范围内，从而避免出现诸如地表下沉、坍塌、隆起以及开裂等问题。
图1示出了本实施例所提供的掘进机的结构示意图。如图1所示，本实施例中，螺旋机控制装置101与螺旋机102以及螺旋机转速测量装置103连接。其中，螺旋机转速测量装置103设置在螺旋机102上，其能够对螺旋机的转速进行测量，从而可以将得到的螺旋机实际转速数据传输至螺旋机控制装置101。同时，螺旋机控制装置101还与土仓压力测量装置105连接，土仓压力测量装置105能够测量刀盘104中的土仓压力，并将得到的实际土仓压力数据传输至螺旋机控制装置101。螺旋机控制装置101能够根据接收到的实际土仓压力数据以及螺旋机实际转速数据来对螺旋机103的转速进行控制，进而实现对掘进机出渣量的控制，从而保证掘进机土仓压力的自动平衡。
本实施例中，螺旋机控制装置101优选地采用如图2所示的掘进机土压平衡方法来实现掘进机土仓压力的自动平衡。如图2所示，本实施例中，该掘进机土压平衡方法首先会在步骤S201中在掘进启动阶段来获取掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率(即切削下的渣土由于加入泡沫等其它改良剂引起自身的膨胀系数)，随后在步骤S202中根据获取到的掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率来计算螺旋机的第一目标转速。
对于掘进机来说，为了维持设定的土压，不同的掘进速度(即推进速度)、不同的刀盘转速所对应的螺旋机的转速也不一致。具体地，本实施例中，该方法在步骤S202中优选地基于开挖直径、掘进速度、膨胀率与螺旋机转速之间的拟合曲线来根据步骤S201中获取到的的掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率确定出螺旋机的第一目标转速。
需要指出的是，在本发明的其它实施例中，该方法在步骤S202中还可以采用其它合理方式来确定螺旋机的第一目标转速，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，该方法还可以首先根据步骤S201中所获取到的掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率来计算出此时掘进机的理论出渣量，随后再基于螺旋机转速与出渣量之间的拟合曲线来根据上述理论出渣量确定出螺旋机的第一目标转速。
本实施例中，上述在计算螺旋机第一目标转速的过程中所使用到的拟合曲线是根据实际工况预先设定地，本发明并不对上述拟合曲线的具体构建过程进行限定。
在得到螺旋机的第一目标转速后，该方法会在步骤S203中采用开环调节的方式来调节螺旋机的实际转速，使得螺旋机的实际转速达到并维持在上述第一目标转速。本实施例中，在掘进启动阶段，为了能够使得螺旋机的实际转速更快地逼近调节稳定区域(即逼近第一目标转速)，该方法优选地采用了开环调节的方式。
为了更加准确地实现掘进机的土压平衡，本实施例中，该方法还会基于闭环控制的方式来进一步调节螺旋机的转速。具体地，本实施例中，当螺旋机的转速达到第一目标转速并稳定工作一定时长(具体时长可以根据实际工况进行配置)后，该方法会利用闭环控制的方式来确定出螺旋机的闭环调节目标转速。具体地，如图2所示，该方法会在步骤S204中获取掘进机的实际土仓压力，并在步骤S205中根据预设土仓压力阈值以及步骤S204中所获取到的实际土仓压力来确定出螺旋机的闭环调节目标转速。
具体地，本实施例中，该方法在步骤S204中首先会根据预设土仓压力阈值以及实际土仓压力来计算得到二者的差值，即土仓压力差值。随后，该方法会优选地利用PID闭环调节算法来根据上述土仓压力差值确定出螺旋机的闭环调节目标转速。
土仓压力的闭环调节过程是一个大滞后和大惯性的过程，本实施例中，该方法利用专用闭环调节器来作为闭环调节过程的调节器，其能够利用硬件PID模块的自适应学习能力，来在不同的工况下自动调节比例、积分以及微分参数，从而得到一个最优的PID控制参数。相较于现有的通用的PID控制方式，本实施例所提供的方法能够有效减少复杂的工地参数调试过程并大大提升控制器数学模型的适应能力，从而保证了盾构机自动掘进功能的可用性。
在得到螺旋机的闭环调节目标转速后，该方法会在步骤S206中根据上述闭环调节目标转速以及开环调节过程中所得到的第一目标转速来对螺旋机的实际转速进行调节，从而使得掘进机的实际土仓压力能够趋近或等于预设土仓压力阈值。
具体地，本实施例中，该方法在步骤S206优选地通过对螺旋机的第一目标转速和闭环调节目标转速进行加权求和来得到螺旋机的第二目标转速，再利用螺旋机的第二目标转速对其实际转速进行调节(例如使得螺旋机的实际转速等于上述第二目标转速)来使得掘进机的实际土仓压力能够趋近或等于预设土仓压力阈值，从而实现掘进机掘进过程中土压的自动平衡。
本实施例中，该方法优选地根据如下表达式来计算螺旋机的第二目标转速：
n2＝n1×r+n0×(1-r)，其中0≤r≤1
其中，n2表示螺旋机的第二目标转速，n1表示螺旋机的闭环调节目标转速，n0表示螺旋机的第一目标转速，r表示加权系数。
本实施例中，上述加权系数r优选地配置为30％，即第一目标转速在所得到的第二目标转速中所占比例为70％，闭环调节目标转速在所得到的第二目标转速中所占比例为30％。当然，在本发明的其它实施例中，根据实际需要，上述加权系数r的具体取值还可以配置为其它合理值，本发明不限于此。例如，在本发明的部分实施例中，加权系数r的取值还可以在[20％，50％]区间内选取(例如25％、35％或40％等)。
需要指出的是，在本发明的其它实施例中，该方法还可以在步骤S206中采用其它合理方式来根据闭环调节目标转速和第一目标转速度对螺旋机的实际转速进行调节，来使得掘进机的实际土仓压力能够趋近或等于预设土仓压力阈值，本发明同样不限于此。
图3输出了本发明另一个实施例所提供的掘进机土压平衡方法的实现流程示意图。
如图3所示，在该实施例中中，该掘进机土压平衡方法会在步骤S301中判断本次掘进过程是否为当前工况下的首次掘进过程。其中，如果本次掘进过程为当前工况下的首次掘进过程，那么为了使得后续闭环调节过程所得到的螺旋机的闭环调节目标转速更加准确、可靠，该方法会在步骤S302中启动刀盘并开启推进，在此过程中，该方法会获取掘进机工作过程中的相关过程参数(例如掘进速度、刀盘速度以及掘进参数等)并根据上述过程参数来对闭环调节过程中的PID控制参数进行优化。本实施例中，该方法在步骤S302中优选地采用数据拟合的方式来对PID控制参数进行优化。当然，在本发明的其它实施例中，该方法还可以采用其它合理方式来进行PID控制参数的优化，本发明不限于此。
而如果本次掘进过程不是当前工况下的首次掘进过程，那么该方法则会在步骤S303中启动刀盘，开启推进，并在步骤S304中获取掘进机工作过程中的开挖直径、掘进速度以及膨胀率等过程参数。
在获取到上述过程参数后，该方法会在步骤S305中进一步判断本次掘进过程的过程参数与所存储的前一掘进过程的过程参数是否相等。其中，如果二者相等，那么该方法则会在步骤S308中直接根据前一掘进过程的过程参数对螺旋机的转速进行开环调节。例如，如果当前启动的过程参数与停机前的掘进过程的过程参数一致，那么该方法则会直径使用停机前的相关过程参数(例如螺旋机的转速)来作为本次掘进过程中螺旋机的开环调节的目标转速。
而如果本次掘进过程的过程参数与所存储的前一掘进过程的过程参数不相等，那么该方法则会在步骤S306中根据本次掘进过程的开挖直径、掘进速度以及膨胀率来计算得到螺旋机的第一目标转速并在步骤S307中调节螺旋机的实际转速并使得其实际转速达到并维持在上述第一目标转速。
随后，该方法会进入闭环调节过程，具体地，该方法会在步骤S309中获取掘进机的实际土仓压力，并在步骤S310中根据预设土仓压力阈值以及上述步骤S309中所得到的实际土仓压力确定螺旋机的闭环调节目标转速。在得到上述闭环调节目标转速后，该方法也就可以在步骤S311中根据上述闭环调节目标转速以及第一目标转速对螺旋机的实际转速进行调节，来使得掘进机的实际土仓压力能够趋近或等于预设土仓压力阈值，从而实现掘进机掘进过程中土压的自动平衡
需要指出的是，本实施例中步骤S306至步骤S311的具体实现原理以及实现过程与上述步骤S202至步骤S206的具体实现原理以及实现过程相同，故在此不再对上述步骤S306至步骤S311的相关内容进行赘述。
从上述描述中可以看出，相较于现有的掘进机土压平衡方法，本发明所提供的方法通过开环控制方式与闭环控制方式的结合能够更加高效、准确地保持掘进机土仓压力的平衡，从而避免出现诸如地表下沉、坍塌、隆起以及开裂等问题。
同时，本方法在保证土仓压力有效平衡的前提下，还能够有效减少土压平衡过程中的人工干预，这样不仅能够减少掘进机工作过程中的人力消耗，还能够进一步保证设备、施工人员以及现场地质环境的安全。
此外，本方法利用转动的闭环调节器来对适应掘进机的不同工况，这样能够有效减小外部随机因素的影响，进而提高掘进机的掘进效率。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。
Claims (10)
1.一种掘进机土压平衡方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、在掘进启动阶段，获取掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率，根据所述掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率计算螺旋机的第一目标转速；
步骤二、调节所述螺旋机的实际转速并使得实际转速达到并维持在所述第一目标转速；
步骤三、在掘进阶段，获取所述掘进机的实际土仓压力，根据预设土仓压力阈值以及所述实际土仓压力确定所述螺旋机的闭环调节目标转速，根据所述闭环调节目标转速和第一目标转速对所述螺旋机的实际转速进行调节，以使得所述实际土仓压力趋近或等于预设土仓压力阈值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，通过对所述闭环调节目标转速和第一目标转速进行加权求和，计算得到所述螺旋机的第二目标转速，根据所述第二目标转速对所述螺旋机的实际转速进行调节。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，根据如下表达式计算所述螺旋机的第二目标转速：
n2＝n1×r+n0×(1-r)，其中0≤r≤1
其中，n2表示螺旋机的第二目标转速，n1表示螺旋机的闭环调节目标转速，n0表示螺旋机的第一目标转速，r表示加权系数。
4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，利用PID算法根据预设土仓压力阈值以及所述实际土仓压力确定所述螺旋机的闭环调节目标转速。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述掘进启动阶段，还判断本次掘进过程是否为当前工况下的首次掘进过程，如果是，则获取开挖直径、掘进速度、膨胀率以及实际土仓压力，并根据开挖直径、掘进速度、膨胀率以及实际土仓压力对闭环调节过程中的PID控制参数进行优化。
6.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，基于开挖直径、掘进速度、膨胀率与螺旋机转速之间的拟合曲线，根据所述掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率计算所述螺旋机的第一目标转速。
7.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，根据获取到的掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率计算所述掘进机的理论出渣量，基于螺旋机转速与出渣量的拟合曲线，根据所述理论出渣量确定所述螺旋机的第一目标转速。
8.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，还判断本次掘进过程的过程参数与所存储的前一掘进过程的过程参数是否相等，其中，如果相等，则在所述步骤二中根据前一掘进过程的过程参数对所述螺旋机的转速进行开环调节。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，如果所述本次掘进过程的过程参数与所存储的前一掘进过程的过程参数不相等，则根据所述掘进机的开挖直径、掘进速度以及膨胀率计算所述螺旋机的第一目标转速。
10.一种螺旋机控制装置，其特征在于，所述装置采用如权利要求1～9中任一项所述的方法控制所述螺旋机的转速，以实现掘进机的土压平衡。
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