CN109854261B

CN109854261B - 一种地下掘进装备的控制方法

Info

Publication number: CN109854261B
Application number: CN201910067966.XA
Authority: CN
Inventors: 张智焕; 马龙华
Original assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Current assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: CN109854261A

Abstract

本发明公开了一种地下掘进装备的控制方法，具体包括以下步骤：设置绕着刀头的预设掘进轴线按圆周运动间隔进行布置行走的液压缸；根据预设掘进轴线，获取各个液压缸的位移量对应的矩阵：然后根据滚动优化和反馈校正原理，获得地下掘进装备中液压缸的预测控制律模型公式，根据已知量最终获得控制量；然后将该控制量施加到地下掘进装备的各个液压缸的控制输入端中，并按照上述方法循环获得下一个地下掘进装备的控制量，让地下掘进装备沿着预设掘进轴线轨迹实时行走，直至该地下掘进装备到达预挖掘的终端为止。本发明获取各个液压缸的伸出量，并施加到每一个液压缸上，最终使得液压缸的伸出量符合预设值即时刻按照预设轴线行走，提高检测精度。

Description

一种地下掘进装备的控制方法

技术领域

本发明涉及一种掘进装备行走控制的技术领域，特别是一种地下掘进装备的控制方法。

背景技术

大型掘进装备，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，大型掘进装备的路径走向的准确度将直接影响到整个隧道工程的质量以及隧道最后的贯通性，因此必须严格按照隧道预设掘进轴线准确控制大型掘进装备的实时状态，因此为了解决这一问题，本申请人已经申请了专利号为201611044469.0，专利名称为大型掘进装备的姿态纠偏系统及方法，该方法中明确讲到将驱动刀盘向前掘进的液压缸绕着刀头的预设掘进轴线按上下左右位置进行分区均布设置，从说明书附图2中明确表明将其分别为4个区域，且同一个区域内对应的液压缸的驱动力大小是相同的，从而实现对刀头的驱动作用，以此来调节刀头的掘进走向，但是这样设置存在以下缺点：由于在平面上的各个液压缸的伸出不一致，且受力不均衡，导致在操作时有的液压缸伸出多，受力大，有的液压缸伸出少，受力小，甚至没有足够伸出到位，最终对刀盘不起作用，即受力为零，导致刀盘各个受力点没有按照预期设定值受力，最终导致在刀盘掘进时，不能更加精准的按照道预设掘进轴线线行走，导致最终的掘进路线存在偏差，因此如何解决上述问题尤为重要。

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使得液压缸的伸出量符合预设值即时刻按照预设轴线行走，提高检测精度，严格按照预设掘进轴线线行走，降低偏差的一种地下掘进装备的控制方法。

1、为了实现上述目的，本发明所设计的一种地下掘进装备的控制方法，具体包括以下步骤：

(一)设置绕着刀头的预设掘进轴线按圆周运动间隔进行布置行走的液压缸；

(二)根据预设掘进轴线，获取各个液压缸的位移量对应的矩阵：

y(k)＝[y₁ y₂ ··· y_b]^T (1-1)

(三)然后根据滚动优化和反馈校正原理，获得地下掘进装备中液压缸的预测控制律模型公式为：

Δu(k)＝P(Z^-1)y_r(k+N)-α(Z^-1)y(k)-β(Z^-1)Δu(k-1) (1-2)

上述公式中：

且由于多项式α(Z^-1)和β(Z^-1)的阶次分别是n_a和n_b-1，即获得

u(k)＝u(k-1)+Δu(k) (1-3)

(四)已知给定y(k)值、预测时域的N值、控制时域的N_u值和加权常数λ的值，并获取丢番图方程：

上述公式中，j＝1,2,....,N,最终获得：

E_j(Z^-1)＝e₀+e₁Z^-1+···+e_j-1Z^-j+1,e＝0；

G_j(Z^-1)＝g₀+g₁Z^-1+···+g_j-1Z^-j+1；

(五)然后通过丢番图方程求出E_j、F_j、G_j和H_j；

(六)计算矩阵G和(G^TG+λI)^-1；

(七)然后将步骤(五)和步骤(六)以及公式(1-1)获得的值带入公式(1-3)和公式(1-4)中最终获得控制量u＝[u₁ u₂···u_b]^T；

(一)然后将该控制量u＝[u₁ u₂···u_b]^T施加到地下掘进装备的各个液压缸的控制输入端中，并按照上述方法循环获得下一个地下掘进装备的控制量u＝[u₁ u₂···u_b]^T，让地下掘进装备沿着预设掘进轴线轨迹实时行走，直至该地下掘进装备到达预挖掘的终端为止。

本发明得到的一种地下掘进装备的控制方法，通过先预设掘进轴线，然后获取各个液压缸的伸出量使其符合预设值，并施加到每一个液压缸上，最终使得液压缸的伸出量符合预设值即时刻按照预设轴线行走，提高检测精度，严格按照预设掘进轴线线行走，降低偏差的一种控制方法。

附图说明

图1是本实施例中一种地下掘进装备中液压缸的分布示意图；

图2是本实施例中一种大型掘进装备的刀头的轨迹走向示意图。

图中：刀头1、大型掘进盾2、液压缸3、控制器4。

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。

实施例：

如图2所示，公开了一种简易的大型掘进装备的轨迹走向示意图，包括一个带有刀头1的大型掘进盾2，在大型掘进盾2的下端以一个圆形为基础平面，在该基础平面上按照圆周运动间隔分布有多个能够驱动刀头1向前掘进的液压缸3，该大型掘进装备还包括一个能够驱动每一个液压缸3的控制器4，该控制器4获得对应驱动液压缸的控制信号量后将实时控制量输送给对应的液压缸3。

如图1所示，公开了该地下掘进装备中液压缸的分布示意图，同时本实施例所提供的一种地下掘进装备的控制方法，具体包括以下步骤：

y(k)＝[y₁ y₂···y_b]^T (1-1)

Δu(k)＝P(Z^-1)y_r(k+N)-α(Z^-1)y(k)-β(Z^-1)Δu(k-1) (1-2)

上述公式中：

且由于多项式α(Z^-1)和β(Z^-1)的阶次分别是n_a和n_b-1，即获得

u(k)＝u(k-1)+Δu(k) (1-3)

1＝E_j(Z^-1)A(Z^-1)Δ+Z^-1F_j(Z^-1)

E_j(Z^-1)B_j(Z^-1)＝G_j(Z^-1)+Z^-jH_j(Z^-1) (1-4)

上述公式中，j＝1,2,....,N,最终获得：

E_j(Z^-1)＝e₀+e₁Z^-1+···+e_j-1Z^-j+1,e＝0；

G_j(Z^-1)＝g₀+g₁Z^-1+···+g_j-1Z^-j+1；

(五)然后通过丢番图方程求出E_j、F_j、G_j和H_j；

(六)计算矩阵G和(G^TG+λI)^-1；

(八)然后将该控制量u＝[u₁ u₂···u_b]^T施加到地下掘进装备的各个液压缸的控制输入端中，并按照上述方法循环获得下一个地下掘进装备的控制量u＝[u₁ u₂···u_b]^T，让地下掘进装备沿着预设掘进轴线轨迹实时行走，直至该地下掘进装备到达预挖掘的终端为止,

在步骤(三)中的具体推倒方法步骤如下：

①根据系统的历史数据和未来位移量的输入值预测未来所需的控制量输出值，最终构建广义预测控制线性地下掘进装的数学模型公式：

A(Z^-1)y(k)＝B(Z^-1)u(k-1)+C(Z^-1)ω(k)/Δ (1-5)

上述公式中，A(Z^-1)和B(Z^-1)是后移算子Z^-1的多项式，即为：

{u(k)}和{y(k)}分别表示地下掘进装备中液压缸的输入量和输出量，Δ＝1-Z^-1表示差分算子；

②规定设定值或参考序列y(k+j)(j＝1,2,...)是已知的，此时规定恒定控制y(k+j)一般设定为常数y_r，为了使得当前时刻的输出y(k)尽可能平稳地达到设定值y_r，控制的目的不是使输出直接跟踪设定值，通常选用如下的一阶梯滤波方程：

y_r(k)＝y(k)y_r(k+j)＝αy_r(k+j-1)+(1-α)y_r

j＝1,2,...

上述公式中0≤α＜1，

然后确保地下掘进装备的输出y(k+j)尽可以地靠近y_r(k+j)，并采用如下性能指标函数

上述公式中，

Δu(k+j)＝0,j＝N_u、···、N，表示在Nu步后控制量不再变化，N₀是最小预测时域，N是最大预测时域，Nu为控制时域，λ(j)是加权序列；

③定义λ(j)为常数，N₀＝1，最终求解

Δu(k)、Δu(k+1)、···Δu(k+N_u-1)，以此优化公式(1-6)得到最小值；

④最终根据预测理论，得到j步以后输出y(k+j)的最优预测值,

⑤然后使用步骤四的丢番图方程：

上述公式中，j＝1,2,....,N,最终获得：

E_j(Z^-1)＝e₀+e₁Z^-1+···+e_j-1Z^-j+1,e＝0；

G_j(Z^-1)＝g₀+g₁Z^-1+···+g_j-1Z^-j+1；

⑥在公式(1-5)两边同时乘以E_jΔ，并与公式(1-4)比较，获得采样时刻k后第j步的预测方程为：

Y(k+j)＝G_jΔu(k+j-1)+F_jy(k)+H_jΔu(k-1)+E_jω(k+j)

(1-7)，

⑦因为E_jω(k+j)均是k时刻以后的白噪声，则k+j时刻，输出y(k+j)的最优预测表示为：

则化解为

然后将公式(1-4)写成向量的形式：

y＝Gu+Fy(k)+HΔu(k-1)+E (1-8)

上述公式中：

y^T＝[y(k+1),···,y(k+N)]

F^T＝[F₁,···,F_N]

u^T＝[Δu(k),···,Δu(k+N_u-1)]

H^T＝[H₁,···H_N]

E^T＝[E₁ω(k+1),···E_Nω(k+N)]；

然后忽略了噪声的影响，得到

y＝Gu+Fy(k)+HΔu(k-1) (1-9)

定义：

然后根据以上定义，将公式(1-6)写成：

J＝E[(y-y_r)^T(y-y_r)+λu^Tu] (1-10)

并将公式(1-9)带入公式(1-10)中，另

获得J最小的控制律为：

u＝(G^TG+λI)^-1G^T[y_r-Fy(k)-HΔu(k-1)] (1-11)，

然后在每次控制律计算时，将控制律的第一个分量加入，即将(G^TG+λI)^-1G^T的第一行记作：P^T＝[p₁,···,P_N],并且定义：

然后根据滚动优化和反馈校正原理，获得地下掘进装备中液压缸的预测控制律模型公式为：

Δu(k)＝P(Z^-1)y_r(k+N)-α(Z^-1)y(k)-β(Z^-1)Δu(k-1) (1-2)

和u(k)＝u(k-1)+Δu(k)，以此解决u值。

本实施例通过先预设掘进轴线，然后获取各个液压缸的伸出量使其符合预设值，并施加到每一个液压缸上，最终使得液压缸的伸出量符合预设值即时刻按照预设轴线行走，提高检测精度，严格按照预设掘进轴线线行走，降低偏差的一种控制方法。

Claims

1.一种地下掘进装备的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

y(k)＝[y₁ y₂…y_b]^T (1-1)

Δu(k)＝P(Z^-1)y_r(k+N)-α(Z^-1)y(k)-β(Z^-1)Δu(k-1) (1-2)

上述公式中：

且由于多项式α(Z^-1)和β(Z^-1)的阶次分别是n_a和n_b-1，即获得

u(k)＝u(k-1)+Δu(k) (1-3)

1＝E_j(Z^-1)A(Z^-1)Δ+Z^-1F_j(Z^-1)

E_j(Z^-1)B_j(Z^-1)＝G_j(Z^-1)+Z^-jH_j(Z^-1) (1-4)

上述公式中，j＝1,2,....,N,最终获得：

E_j(Z^-1)＝e₀+e₁Z^-1+…+e_j-1Z^-j+1,e＝0；

G_j(Z^-1)＝g₀+g₁Z^-1+…+g_j-1Z^-j+1；

(五)然后通过丢番图方程求出E_j、F_j、G_j和H_j；

(六)计算矩阵G和(G^TG+λI)^-1；

(七)然后将步骤(五)和步骤(六)以及公式(1-1)获得的值带入公式(1-3)和公式(1-4)中最终获得控制量u＝[u₁ u₂…u_b]^T；然后将该控制量u＝[u₁ u₂…u_b]^T施加到地下掘进装备的各个液压缸的控制输入端中，并按照上述方法循环获得下一个地下掘进装备的控制量u＝[u₁ u₂…u_b]^T，让地下掘进装备沿着预设掘进轴线轨迹实时行走，直至该地下掘进装备到达预挖掘的终端为止。