CN112593959A - 基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法，它包括将盾构机的液压推力结构简化为四根均布在盾构机盾体后的液压缸，并使用位置控制器控制液压缸的驱动力，使用位置传感器监测盾构机盾体的掘进距离和转动角度、力传感器监测盾构机盾体受到的土石阻力，将液压推力结构简化后，盾构机控制参数被划分至两个相互垂直的平面上进行计算，每个平面上均包括一对对称布置在盾体后的液压缸，并通过构建柔性控制器，将用户的目标位姿转换为对液压控制杆的控制参数，实现对液压缸的柔顺控制。本发明得到的基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法，能够平稳顺滑地完成掘进作业，有利于隧道掘进的工程效率和安全。

Description

基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法

技术领域

本发明涉及一种机械控制方法，特别是一种基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法。

背景技术

随着城市面积扩张和城市人口的大幅增长，各省各市均大力修建地铁以满足居民的日常出行需要，在地铁修建中，现有施工单位，均使用盾构机进行隧洞的修建，对于暗挖施工，盾构机的前进精度决定了隧洞的工程质量，尤其是两端开洞，在地下进行接驳的隧洞，盾构机的前进精度对两端是否能成功连通有很大影响；此外，传统的PID控制方式，在启动瞬间或地质状态突变的情况下，盾构机的控制参数容易发生超调现象，导致盾构机盾体与地下土石发生短时间、较大力量的冲击，容易导致盾体损伤，减少盾构机的使用寿命。

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控制精度高、控制出力平滑的基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法。

为了实现上述目的，本发明所设计的基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法，它包括将盾构机的液压推力结构简化为四根均布在盾构机盾体后的液压缸，并使用位置控制器控制液压缸的驱动力，使用位置传感器监测盾构机盾体的掘进距离和转动角度，同时使用力传感器监测盾构机盾体受到的土石阻力，将液压推力结构简化后，盾构机的目标位姿及控制参数可被划分至两个相互垂直的平面上进行计算，每个平面上均包括一对对称布置在盾体后的液压缸，单个平面上的液压缸控制包括如下步骤：

a.向位置控制器输入使用者期望的目标位姿Yd，该目标位姿包括对两液压缸活塞杆伸长量的期望，即：

依据改目标位姿，可以计算出盾构机盾体的期望位移量y_d和期望偏移角θ_d，其中，y_d＝(l₂/l)y₁+(l₁/l)y₂、θ_d＝(y₁-y₂)/l；l₁及l₂分别为两液压缸对盾体的力作用点到盾体质心的力矩臂，l为两液压缸的的间距；

b.位置控制器根据盾构机外部载荷h_e，计算用于实现柔性控制的柔顺参考系参数y_c，其计算公式为：

上式中，M、B、K分别代表盾构机的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；

c.位置传感器将当前的实际位姿y传输给位置控制器，位置控制器依照PD控制方法计算出控制加速度：

式中，a为期望的盾构机盾体掘进加速度，K_p为比例系数，K_d为微分系数；

d.最终，位置控制器计算出各液压缸的驱动力：

式中：

m₁及m₂分别表示两液压缸活塞部分的等效质量，盾体转动惯量J＝mh²，h为盾体质心到盾体受推面的距离，位置控制器计算出相应的驱动力后，控制液压缸输出相应的驱动力，驱使盾体掘进；

e.盾体掘进过程中，位置传感器实时反馈当前的实际位姿y，力传感器实时反馈当前的外部载荷h_e，位置控制器根据反馈的参数，再次执行步骤b至步骤e，直至盾体达到目标位姿。

在盾构机的实际掘进中，盾构机采用的是分步掘进方式，每步的单位偏转角数值较小，因此，可以取θ＝(y₁-y₂)/l，同时取y≈(l₂/l)y₁+(l₁/l)y₂，此外，还可以近似地取l＝l₁+l₂。

本发明得到的基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法，利用位置控制器算法构建盾构机末端刀盘的柔顺控制器，使盾构机在位置控制器的控制下，能够平稳顺滑地完成掘进作业，减少刀盘与土石的冲击，延长盾构机的使用寿命，并保证其掘进精度，有利于隧道掘进的工程效率和安全。

附图说明

图1是本发明基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法实施例1中的流程图；

图2是实施例1的控制框图；

图3是实施例1中液压缸驱动力曲线图。

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1：

本实施例描述的基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法，如图1所示，它包括将盾构机的液压推力结构简化为四根均布在盾构机盾体后的液压缸，并使用位置控制器控制液压缸的驱动力，使用位置传感器监测盾构机盾体的掘进距离和转动角度，同时使用力传感器监测盾构机盾体受到的土石阻力，将液压推力结构简化后，盾构机的目标位姿的控制参数可被划分至两个相互垂直的平面上进行计算，每个平面上均包括一对对称布置在盾体后的液压缸；这是由于盾构机的盾体呈圆柱形，当以盾构机掘进方向为x轴、以与盾构机掘进方向垂直的两相互垂直方向为y轴和z轴，构建远点位于盾构机盾体质心上的笛卡尔直角坐标系时，其绕x轴的转动对盾体位姿的影响可忽略不计，则此时盾构机掘进中的角度参数可被分解为绕y轴的摆动角和绕z轴的晃动角，而摆动角和晃动角所在平面相互垂直，并分别由其所在平面上的液压缸的伸长量差控制。

以单个平面上的液压缸控制方法为例，其包括如下步骤：

a.向位置控制器输入使用者期望的目标位姿Y_d，该目标位姿包括对两液压缸活塞杆伸长量的期望，即：

依据改目标位姿，可以计算出盾构机盾体的期望位移量y_d和期望偏移角θ_d，其中，y_d＝(l₂/l)y₁+(l₁/l)y₂、θ_d＝(y₁-y₂)/l；l₁及l₂分别为两液压缸对盾体的力作用点到盾体质心的力矩臂，l为两液压缸的的间距；

b.位置控制器根据盾构机外部载荷h_e，计算用于实现柔性控制的柔顺参考系参数y_c，其计算公式为：

上式中，M、B、K分别代表盾构机的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；

c.位置传感器将当前的实际位姿y传输给位置控制器，位置控制器依照PD控制方法计算出控制加速度：

式中，a为期望的盾构机盾体掘进加速度，K_p为比例系数，K_d为微分系数；

d.最终，位置控制器计算出各液压缸的驱动力：

式中：

m₁及m₂分别表示两液压缸活塞部分的等效质量，B_p和K_p分别是作用在液压缸上活塞部分的载荷的等效阻尼和弹性系数；盾体转动惯量J＝mh²，h为盾体质心到盾体受推面的距离，m为盾构机总质量。

位置控制器计算出相应的驱动力w_d后，控制液压缸输出相应的驱动力，驱使盾体掘进。

e.盾体掘进过程中，位置传感器实时反馈当前的实际位姿y，力传感器实时反馈当前的外部载荷h_e，位置控制器根据反馈的参数，再次执行步骤b至步骤e，直至盾体达到目标位姿。

在实际工作过程当中,取下列参数：

参数	值
		m<sub>1</sub>(kg)	120
m<sub>2</sub>(kg)	110
		m(kg)	235
l<sub>1</sub>(m)	1.4
		l<sub>2</sub>(m)	1.5
B<sub>p</sub>(Ns/m)	7.64×10<sup>2</sup>
		K<sub>p</sub>(N/s)	1.2×10<sup>-3</sup>
h(m)	2m

可以得出：

用户首先向位置控制器输入Y_d，该目标位姿包括对两液压缸活塞杆伸长量的期望，即：

对期望位移量y_d和期望偏移角θ_d，其中，y_d＝(l₂/l)y_1d+(l₁/l)y_2d、θ_d＝(y_1d-y_2d)/l，在实际操作中，通常会先取得期望位移量y_d和期望偏移角θ_d，此时可以实际测得l₁及l₂，并计算出l＝l₁+l₂，从而利用上述公式，求得目标位姿Y_d。

本实施例中，取

y_2d＝0；式中t为推力施加的时间，r为常数系数。

在实际掘进的过程中，外部载荷h_e由盾构机盾体上的力传感器直接测得后反馈给位置传感器。

经步骤b、步骤c计算后，可以得到两液压缸的驱动力：

如图3所示，本实施例中，其中对伸长量为y_2d＝0的液压缸，其驱动力w_2d＝0，对于伸长量为y_1d，w_1d≈0.02，应当理解的是，本实施例仅提供一种参数的计算实例，并不对Y_d及驱动力w_d的取值进行限定。

在实际工作中，位置控制器计算出驱动力后，可以通过向与液压缸连接的电磁阀和压力泵传输相应的电信号u，使液压缸输出相应的驱动力。

本实施例提供的基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法，利用位置控制器算法构建盾构机末端刀盘的柔顺控制器，使盾构机在位置控制器的控制下，能够平稳顺滑地完成掘进作业，减少刀盘与土石的冲击，延长盾构机的使用寿命，并保证其掘进精度，有利于隧道掘进的工程效率和安全。

Claims (1)

1.一种基于阻抗控制的盾构机柔顺控制方法，它包括将盾构机的液压推力结构简化为四根均布在盾构机盾体后的液压缸，并使用位置控制器控制液压缸的驱动力，使用位置传感器监测盾构机盾体的掘进距离和转动角度，同时使用力传感器监测盾构机盾体受到的土石阻力，其特征是将液压推力结构简化后，盾构机的目标位姿及控制参数可被划分至两个相互垂直的平面上进行计算，每个平面上均包括一对对称布置在盾体后的液压缸，单个平面上的液压缸控制包括如下步骤：

a.向位置控制器输入使用者期望的目标位姿Y_d，该目标位姿包括对两液压缸活塞杆伸长量的期望，即：

b.位置控制器根据盾构机外部载荷h_e，计算用于实现柔性控制的柔顺参考系参数y_c，其计算公式为：

上式中，M、B、K分别代表盾构机的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；

c.位置传感器将当前的实际位姿y传输给位置控制器，位置控制器依照PD控制方法计算出控制加速度：

式中，a为期望的盾构机盾体掘进加速度，K_p为比例系数，K_d为微分系数；

d.位置控制器计算出各液压缸的驱动力：

式中：

m₁及m₂分别表示两液压缸活塞部分的等效质量，盾体转动惯量J＝mh²，h为盾体质心到盾体受推面的距离；位置控制器计算出相应的驱动力后，控制液压缸输出相应的驱动力，驱使盾体掘进；

e.盾体掘进过程中，位置传感器实时反馈当前的实际位姿y，力传感器实时反馈当前的外部载荷h_e，位置控制器根据反馈的参数，再次执行步骤b至步骤e，直至盾体达到目标位姿。

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