CN111734430A - 一种隧道掘进机转弯半径控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掘进机转弯半径控制方法，包括：检测掘进机的实际掘进曲线与拟定设计曲线之间的偏差e；根据偏差e的数值控制参与控制掘进机转弯过程中油缸的数量。本发明提供的隧道掘进机转弯半径控制方法可以根据偏差e控制参与控制掘进机转弯过程中油缸的数量，相比于现有技术中通过人工操作并判断，将判断依据进行了量化，能够实现隧道掘进机转弯半径的自动化控制，避免由于人为操作而出现的误差，提高了隧道掘进机转弯半径的控制精度；同时，节省了人力成本。本发明还公开了一种用于实施上述隧道掘进机转弯半径控制方法的控制系统。

Description

一种隧道掘进机转弯半径控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及隧道开挖技术领域，更具体地说，涉及一种隧道掘进机转弯半径控制方法。此外，本发明还涉及一种用于实施上述隧道掘进机转弯半径控制方法的控制系统。

背景技术

全断面硬岩隧道掘进机是集机、电、液、光、气等系统于一体的工厂化隧道施工装备，在隧道设计规划时，由于地势、河流等原因，难免会出一些转弯，转弯半径越小，对掘进机的空间结构设计和控制方法的要求越高，通常要求掘进机满足500m转弯半径，在一些情况下要求满足300m甚至更小的转弯半径。

目前，掘进机超小转弯半径控制主要以人工操作为主，根据导向系统的数据和经验进行间断性的调节，操作精度受操作人员能力、经验、身体状况、情绪等个人因素影响较大，施工质量难以保证；且在装备掘进过程中由于受到非均匀强载荷影响，造成实际掘进轨迹与规划轴线之间出现偏差，不同地质工况下偏差大小不尽相同，同时刀盘驱动系统、推进支撑系统、钢拱架系统等系统间存在强耦合，难以综合考虑多种施工安全约束，采用传统人工超小转弯半径控制方法趋于保守，无法对掘进轨迹做出有效的反应，且控制精度低，施工质量难以保证对于复杂的地质环境和高施工要求已经越来越不适用。

综上所述，如何提供一种可提高控制精度的隧道掘进机转弯半径控制方法，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种隧道掘进机转弯半径控制方法，可以替代人工进行掘进机转弯半径的控制，实现转弯半径控制的自动化，以便提高转弯半径的控制精度。

本发明的另一目的使提供一种用于实施上述隧道掘进机转弯半径控制方法的控制系统。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种隧道掘进机转弯半径控制方法，包括：

步骤S1，检测掘进机的实际掘进曲线与拟定设计曲线之间的偏差e；

步骤S2：判断所述偏差e是否小于或等于下偏差e₁，且大于零，若是，则控制主推进油缸工作，所述主推进油缸为用于为所述掘进机转弯提供动力的油缸；若否，则进入步骤S3；

步骤S3：判断所述偏差e是否小于或等于上偏差e₂，且大于所述下偏差e₁，若是，则控制所述主推进油缸和辅助推进油缸同时工作，所述辅助推进油缸为用于为所述掘进机转弯提供动力的油缸；若否，则进入步骤S4；

步骤S4：控制所述掘进机停止转向操作或对所述掘进机的转向参数进行调整。

优选的，所述控制所述掘进机停止转向操作，还包括：

控制警报设备发出警报。

优选的，所述主推进油缸所提供的主推力和所述辅助推进油缸所提供的辅助推力的方向相同。

优选的，所述判断所述偏差e是否小于或等于上偏差e₂，且大于所述下偏差e₁，若是，则控制所述主推进油缸和辅助推进油缸同时工作之后，包括：

步骤S31：根据所需转弯半径输入掘进行程S和偏转角速度，所述掘进行程S为所述掘进机的单次掘进行程，所述偏转角速度为单次所述掘进行程S所对应的偏转角度θ；

步骤S32：判断所述掘进行程S和所述偏转角速度是否满足所述掘进机的软约束，若是，则进入步骤S33，若否则返回步骤S31；

步骤S33：判断所述掘进行程S和所述偏转角速度是否满足所述掘进机的硬约束，若是，则按照所述掘进行程S和所述偏转角速度控制所述掘进机动作；若否，则返回步骤S31。

优选的，所述软约束包括所述主推进油缸和所述辅助推进油缸所提供的推力的大小以及方向。

优选的，所述硬约束包括所述掘进机的水平偏移量和所述掘进机中边刀的移动量。

一种控制系统，用于实施上述任一项所示的隧道掘进机转弯半径控制方法，包括：

导向系统，用于检测掘进机的实际掘进曲线与拟定设计曲线之间的偏差e；

控制装置，用于根据所述偏差e的数值控制参与控制所述掘进机转弯过程中的油缸的数量；

所述导向系统与所述控制装置连接。

优选的，所述控制装置包括：

判断模块，用于判断所述偏差e所属范围；

处理模块，用于在所述偏差e小于或等于下偏差e₁，且大于零时，控制主推进油缸工作；在所述偏差e小于或等于上偏差e₂，且大于所述下偏差e₁时，控制所述主推进油缸和辅助推进油缸同时工作；在所述偏差e大于上偏差e₂时，控制所述掘进机停止转向操作；

所述判断模块与所述处理模块连接。

优选的，所述控制装置还包括：

约束控制系统模型，用于模拟所述掘进机偏转过程；

模型判断处理器，用于判断所述约束控制系统模型按照所输入的掘进行程S和偏转角速度进行转向模拟时，是否能够同时满足所述掘进机的软约束和硬约束；

数据采集器，用于将输入的所述掘进行程S和所述偏转角速度传输至所述约束控制系统模型；

所述模型判断处理器与所述控制装置连接，所述数据采集器和所述模型判断处理器均与所述约束控制系统模型连接。

本发明提供的隧道掘进机转弯半径控制方法，包括：检测掘进机的实际掘进曲线与拟定设计曲线之间的偏差e；根据偏差e的数值控制参与控制掘进机转弯过程中油缸的数量。

本发明提供的隧道掘进机转弯半径控制方法可以根据偏差e控制参与控制掘进机转弯过程中油缸的数量，相比于现有技术中通过人工操作并判断，将判断依据进行了量化，能够实现隧道掘进机转弯半径的自动化控制，避免由于人为操作而出现的误差，提高了隧道掘进机转弯半径的控制精度；同时，节省了人力成本；此外，通过控制参与掘进机转弯过程的油缸的数量可以在转弯半径较小时提供较大的推力，有利于完成超小转弯半径的转弯。

此外，本发明还提供了一种用于实施上述隧道掘进机转弯半径控制方法的控制系统。

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使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的隧道掘进机转弯半径控制方法的具体实施例的流程示意图；

图2为掘进机转弯过程的示意图；

图3为掘进机的结构示意图。

图1-3中：

1为主推进油缸、2为辅助推进油缸、3为刀盘、S为掘进行程、θ为偏转角度、R为转弯半径。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种隧道掘进机转弯半径控制方法，可以实现隧道掘进机的转弯过程的自动控制，避免人工控制过程中因人为因素导致的误差。本发明的另一核心是提供一种用于实施上述隧道掘进机转弯半径控制方法的控制系统。

请参考图1-3，图1为本发明所提供的隧道掘进机转弯半径控制方法的具体实施例的流程示意图；图2为掘进机转弯过程的示意图；图3为掘进机的结构示意图。

本具体实施例提供的隧道掘进机转弯半径控制方法，包括：

步骤S1，检测掘进机的实际掘进曲线与拟定设计曲线之间的偏差e。

上述步骤S1中提到的偏差e为在实际掘进过程中实际的掘进曲线与拟定设计曲线之间的距离，由于拟定的设计曲线为具有一定弯曲弧度的曲线，实际掘进曲线由多个直线拼合折弯而成，因此对应实际掘进曲线中的单段直线，偏差e为此段直线与拟定设计曲线所对应位置处外切线之间的距离，具体如图2所示。

由于在实际转弯控制的过程中，转弯半径越小，所需的推力越大，但是单个油缸所提供的推力的大小是有限的，因此需要根据偏差e的数值对掘进机转弯过程中油缸的数量进行控制，当偏差e越大时，所需的推力越大，为了达到所需的推力，掘进机转弯过程中需要的油缸数量越多，当偏差e越小时，所需的推力越小，为了达到所需的推力，掘进机转弯过程中需要的油缸数量越少。

另外，掘进机中转弯过程中用于提供推力的油缸数量是有限的，因此当偏差e的数值过大时，即使所有的油缸都参与工作，也无法满足转弯过程的中对推力的需求，此时需停止转弯操作或调整作业方案。

本具体实施例提供的隧道掘进机转弯半径控制方法可以根据偏差e控制参与控制掘进机转弯半径的油缸的数量，相比于现有技术中通过人工操作并判断，将判断依据进行了量化，能够实现隧道掘进机转弯半径的自动化控制，避免由于人为操作而出现的误差，提高了隧道掘进机转弯半径的控制精度；同时，节省了人力成本；此外，通过控制参与掘进机转弯过程的油缸的数量可以在转弯半径较小时提供较大的推力，有利于完成超小转弯半径的转弯，此处提到的超小转弯半径为转弯半径R小于或等于300m的情况。

需要进行说明的是，在转弯控制的过程中，当油缸的数量足够多时，可以将偏差e设置为多个范围，当偏差e的数值对应不同的范围时，则控制不同数量的油缸参与工作；当然，油缸的数量至少为两个。

上述步骤S1之后，包括：

步骤S2，判断偏差e是否小于或等于下偏差e₁，且大于零，即偏差e是否在0<e≤e₁范围内，若是，则控制主推进油缸1工作，主推进油缸1为用于为掘进机转弯提供动力的油缸；若否，则进入步骤S3。

上述步骤S2中，下偏差e₁为人为设定的参考值，具体的数值需要根据实际情况进行确定，在此不做赘述。当偏差e小于或等于下偏差e₁，且大于零时，则说明掘进机处于较大转弯半径范围内，所需的转弯推力较小，因此只使用主推进油缸1就可以满足要求。

步骤S3，判断偏差e是否小于或等于上偏差e₂，且大于下偏差e₁，即偏差e是否在e₁<e≤e₂范围内，若是，则控制主推进油缸1和辅助推进油缸2同时工作，辅助推进油缸2为用于为掘进机转弯提供动力的油缸；若否，则进入步骤S4。

上述步骤S3中，上偏差e₂为人为设定的参考值，并且上偏差e₂大于下偏差e₁，当e小于或等于上偏差e₂，且大于下偏差e₁时，则说明掘进机处于较小转弯半径控制状态，对于实现转弯所需的推力较大，主推进油缸1提供的推力不足以完成转弯，因此可以控制主推进油缸1和辅助推进油缸2同时工作，并通过调节主推进油缸1和辅助推进油缸2的推力实现掘进机的转弯控制。

此外，由于偏差e=e₁或偏差e=e₂为临界值，因此当偏差e=e₁时，也可以控制主推进油缸1和辅助推进油缸2同时工作，当偏差e=e₂时，也可以控制掘进机停止转向操作或对掘进机的转向参数进行调整，具体根据实际情况确定。

步骤S4，控制掘进机停止转向操作或对掘进机的转向参数进行调整。

上述步骤S4中，当偏差e大于上偏差e₂时，则说明此时主推进油缸1与辅助推进油缸2已经不能满足掘进机转弯的需求，因此需要控制掘进机停止转向操作，或者是对掘进机的转向参数进行调整，此处提到的掘进机的转向参数包括转弯半径、单次的掘进行程以及单次掘进行程S所对应的偏转角度θ。

本具体实施例中提供的隧道掘进机转弯半径控制方法，将偏差e的范围划分为三部分进行参考，并在掘进机的转弯半径属于较大转弯半径时只控制主推进油缸1进行工作，当掘进机的转弯半径属于较小转弯半径时，控制主推进油缸1和辅助推进油缸2同时工作，使掘进机的转向控制具有针对性，以满足不同地质环境施工的需求，并且能够在偏差e过大时，直接控制掘进机停止转向操作或对掘进机的转向参数进行调整；可以有效避免事故的发生；并且在辅助推进油缸2的协助下，掘进机可以完成转弯半径小于或等于300m的转弯，实现超小转弯半径的控制。

在上述实施例的基础上，步骤S4包括：

步骤S41，控制警报设备发出警报。

上述步骤S41中提到的警报设备可以是蜂鸣器，也可以是警示灯，在偏差e过大时，可以是蜂鸣器蜂鸣警示，也可以是警示灯闪烁警示，具体根据实际情况确定，控制人员观察到警报之后，会快速做出反应，增加了人机安全性能。

可以使主推进油缸1所提供的主推力和辅助推进油缸2所提供的辅助推力的方向相同，在转弯控制的过程中，主推力与辅助推力的方向相同可以使推力的效率提高，将辅助推进油缸2的辅助推力的作用充分发挥，避免方向不一致而产生的推力损耗。

上述步骤S3中，当偏差e小于或等于上偏差e₂，且大于下偏差e₁时，控制主推进油缸1和辅助推进油缸2同时工作之后，包括：

步骤S31，根据所需转弯半径输入掘进行程S和偏转角速度，掘进行程S为掘进机的单次掘进行程，偏转角速度为单次掘进行程S所对应的偏转角度θ。

上述步骤S31中，掘进行程S如图2所示，掘进机在实际转弯的过程中，转弯半径R、掘进行程S和偏转角度θ之间的关系为：R=（S/2）/sin（θ/2）；因此可以根据所需的转弯半径R，确定掘进行程S和偏转角度θ，进而确定偏转角速度。

步骤S32，判断掘进行程S和偏转角速度是否满足掘进机的软约束，若是，则进入步骤S33，若否则返回步骤S31。

上述步骤S32中所提到的软约束包括主推进油缸1和辅助推进油缸2所提供的推力的大小以及方向，在实际工作的过程中，主推进油缸1和辅助推进油缸2所提供的推力的大小以及方向均需在合适的范围内，当主推进油缸1和辅助推进油缸2所提供的推力的大小或方向不符合要求时，可以进行调整。

偏转角速度影响掘进机的转角速度，在转弯过程中，偏转角速度越大，则会节省偏转时间，但是由于偏转角速度越大，所需的推力越大，因此所需的调整时间越长，并且偏转角速度过大时，还会使掘进机轴线的偏角超出限定值，因此偏转角速度的具体数值需要根据实际情况确定。

步骤S33，判断掘进行程S和偏转角速度是否满足掘进机的硬约束，若是，则按照掘进行程S和偏转角速度控制掘进机动作；若否，则返回步骤S31。

上述步骤S33中所提到的硬约束包括掘进机的水平偏移量和掘进机中边刀的移动量，边刀为刀盘3中边缘部位的刀具，掘进经的水平偏移量为在转弯过程中掘进机在垂直于原先掘进方向的偏移量，由于掘进机本身为刚形体，之所以考虑掘进机的水平偏移量和掘进机中边刀的移动量，是为了避免在掘进机转弯的过程中掘进机本身与隧道壁发生碰撞。

本具体实施例中提供的隧道掘进机转弯半径控制方法可以根据输入的掘进行程S和偏转角速度对掘进机的转弯情况进行模拟，并判断是否满足软约束与硬约束要求，直至得到合适的掘进行程S和偏转角速度，提高了掘进机转弯调向的平顺性，并且保证了设备和施工过程的安全，加快了施工进度。

除了上述隧道掘进机转弯半径控制方法，本发明还提供一种用于实施上述实施例公开的隧道掘进机转弯半径控制方法的控制系统，该控制系统包括：导向系统，用于检测掘进机的实际掘进曲线与拟定设计曲线之间的偏差e；控制装置，用于根据偏差e的数值控制参与控制掘进机转弯半径的油缸的数量；导向系统与控制装置连接。该控制系统的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

优选的，导向系统设置有用于获取掘进机实际掘进曲线的获取设备以及用于计算掘进机的实际掘进曲线与拟定设计曲线之间的偏差e的计算模块，且获取设备与计算模块连接，并将获取到的实际掘进曲线数据传送至计算模块。

在上述实施例的基础上，可以使控制装置包括：判断模块，用于判断偏差e所属范围；处理模块，用于在偏差e小于或等于下偏差e₁，且大于零时，控制主推进油缸1工作；在偏差e小于或等于上偏差e₂，且大于下偏差e₁时，控制主推进油缸1和辅助推进油缸2同时工作；在偏差e大于上偏差e₂时，控制掘进机停止转向操作；判断模块与处理模块连接。

需要进行说明的是处理模块与主推进油缸1及辅助推进油缸2均连接，以便控制主推进油缸1及辅助推进油缸2动作。

判断模块与处理模块的设置，将偏差e的范围划分为三部分进行参考，使掘进机的转向控制具有针对性，以满足不同地质环境施工的需求，并且能够在偏差e过大时，直接控制掘进机停止转向操作或对掘进机的转向参数进行调整；可以有效避免事故的发生。

在上述实施例的基础上，控制装置还包括：约束控制系统模型，用于模拟掘进机偏转过程；模型判断处理器，用于判断约束控制系统模型按照掘进行程S和偏转角速度进行转向模拟时，是否能够同时满足掘进机的软约束和硬约束；数据采集器，用于将输入的掘进行程S和偏转角速度传输至约束控制系统模型；模型判断处理器与控制装置连接，数据采集器和模型判断处理器均与约束控制系统模型连接。

约束控制系统模型为在控制装置中建立的、用于模拟实际转弯操作的掘进机的模型，可以有效模拟掘进机转弯过程中所受的推力的大小以及方向，并能够模拟掘进机转弯过程中整体与隧道壁之间的相对移动距离，可以通过多组掘进行程S和偏转角速度数据，对掘进机转弯的过程进行模拟，直至得到合适的掘进行程S和偏转角速度；提高了掘进机转弯调向的平顺性，并且保证了设备和施工过程的安全，加快了施工进度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。

以上对本发明所提供的隧道掘进机转弯半径控制方法及控制系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种隧道掘进机转弯半径控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1，检测掘进机的实际掘进曲线与拟定设计曲线之间的偏差e；

步骤S2：判断所述偏差e是否小于或等于下偏差e1，且大于零，若是，则控制主推进油缸（1）工作，所述主推进油缸（1）为用于为所述掘进机转弯提供动力的油缸；若否，则进入步骤S3；

步骤S3：判断所述偏差e是否小于或等于上偏差e2，且大于所述下偏差e1，若是，则控制所述主推进油缸（1）和辅助推进油缸（2）同时工作，所述辅助推进油缸（2）为用于为所述掘进机转弯提供动力的油缸；若否，则进入步骤S4；

步骤S4：控制所述掘进机停止转向操作或对所述掘进机的转向参数进行调整。

2.根据权利要求1所述的隧道掘进机转弯半径控制方法，其特征在于，所述控制所述掘进机停止转向操作，还包括：

控制警报设备发出警报。

3.根据权利要求1所述的隧道掘进机转弯半径控制方法，其特征在于，所述主推进油缸（1）所提供的主推力和所述辅助推进油缸（2）所提供的辅助推力的方向相同。

4.根据权利要求1所述的隧道掘进机转弯半径控制方法，其特征在于，所述判断所述偏差e是否小于或等于上偏差e2，且大于所述下偏差e1，若是，则控制所述主推进油缸（1）和辅助推进油缸（2）同时工作之后，包括：

步骤S31：根据所需转弯半径输入掘进行程S和偏转角速度，所述掘进行程S为所述掘进机的单次掘进行程，所述偏转角速度为单次所述掘进行程S所对应的偏转角度θ；

步骤S32：判断所述掘进行程S和所述偏转角速度是否满足所述掘进机的软约束，若是，则进入步骤S33，若否则返回步骤S31；

步骤S33：判断所述掘进行程S和所述偏转角速度是否满足所述掘进机的硬约束，若是，则按照所述掘进行程S和所述偏转角速度控制所述掘进机动作；若否，则返回步骤S31。

5.根据权利要求4所述的隧道掘进机转弯半径控制方法，其特征在于，所述软约束包括所述主推进油缸（1）和所述辅助推进油缸（2）所提供的推力的大小以及偏转角度θ。

6.根据权利要求4所述的隧道掘进机转弯半径控制方法，其特征在于，所述硬约束包括所述掘进机的水平偏移量和所述掘进机中边刀的移动量。

7.一种控制系统，其特征在于，用于实施上述权利要求1-6任一项所示的隧道掘进机转弯半径控制方法，包括：

导向系统，用于检测掘进机的实际掘进曲线与拟定设计曲线之间的偏差e；

控制装置，用于根据所述偏差e的数值控制参与控制所述掘进机转弯过程中油缸的数量；

所述导向系统与所述控制装置连接。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制装置包括：

判断模块，用于判断所述偏差e所属范围；

处理模块，用于在所述偏差e小于或等于下偏差e1，且大于零时，控制主推进油缸（1）工作；在所述偏差e小于或等于上偏差e2，且大于所述下偏差e1时，控制所述主推进油缸（1）和辅助推进油缸（2）同时工作；在所述偏差e大于上偏差e2时，控制所述掘进机停止转向操作；

所述判断模块与所述处理模块连接。

9.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制装置还包括：

约束控制系统模型，用于模拟所述掘进机偏转过程；

模型判断处理器，用于判断所述约束控制系统模型按照所输入的掘进行程S和偏转角速度进行转向模拟时，是否能够同时满足所述掘进机的软约束和硬约束；

数据采集器，用于将输入的所述掘进行程S和所述偏转角速度传输至所述约束控制系统模型；

所述模型判断处理器与所述控制装置连接，所述数据采集器和所述模型判断处理器均与所述约束控制系统模型连接。

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