CN113107499A - 盾构机刀盘结泥饼监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机刀盘结泥饼监测方法及装置，其中，该方法包括：按照预设采样周期，采集盾构机上刀盘的实际转速以及驱动刀盘的各个电机的输出转矩；根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量；根据刀盘在各个采样周期内的转动惯量，确定刀盘转动惯量的变化趋势；根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。本发明能够通过观察刀盘转动惯量的变化趋势，判断盾构机刀盘上是否凝结泥饼，无需依赖人工经验，且能够在刀盘结泥饼尚不严重的阶段，提前判断，及时采取处理措施。

Description

盾构机刀盘结泥饼监测方法及装置

技术领域

本发明涉及盾构机领域，尤其涉及一种盾构机刀盘结泥饼监测方法及装置。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

盾构机是重要的隧道掘进设备。在推进压力的作用下，在土压平衡盾构机的刀盘处，泥土容易形成致密泥饼凝结在刀盘上，阻碍掘进和出渣，严重影响施工进度。

目前，在判断盾构机刀盘是否结泥饼的时候，主要依赖司机对多个参数综合考虑的经验。这种方式不仅存在人为误差，而且在结泥饼尚不严重的早期阶段，无法实现对盾构机刀盘结泥饼趋势的预先判断和处理。

发明内容

本发明实施例中提供了一种盾构机刀盘结泥饼监测方法，用以解决现有技术依赖人工经验判断盾构机刀盘是否结泥饼的方法，存在人为误差且无法在结泥饼早期进行预先判断的技术问题，该方法包括：按照预设采样周期，采集盾构机上刀盘的实际转速以及驱动所述刀盘的各个电机的输出转矩；根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量；根据刀盘在各个采样周期内的转动惯量，确定刀盘转动惯量的变化趋势；根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。

本发明实施例中还提供了一种盾构机刀盘结泥饼监测装置，用以解决现有技术依赖人工经验判断盾构机刀盘是否结泥饼的方法，存在人为误差且无法在结泥饼早期进行预先判断的技术问题，该装置包括：刀盘转速采集模块，用于按照预设采样周期，采集盾构机上刀盘的实际转速；电机输出转矩采集模块，用于按照预设采样周期，采集盾构机上驱动所述刀盘的各个电机的输出转矩；刀盘转动惯量确定模块，用于根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量；刀盘转动惯量观测模块，用于根据刀盘在各个采样周期内的转动惯量，确定刀盘转动惯量的变化趋势；刀盘结泥饼监测模块，用于根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。

本发明实施例中还提供了一种计算机设备，用以解决现有技术依赖人工经验判断盾构机刀盘是否结泥饼的方法，存在人为误差且无法在结泥饼早期进行预先判断的技术问题，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述盾构机刀盘结泥饼监测方法。

本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，用以解决现有技术依赖人工经验判断盾构机刀盘是否结泥饼的方法，存在人为误差且无法在结泥饼早期进行预先判断的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述盾构机刀盘结泥饼监测方法的计算机程序。

本发明实施例中提供的盾构机刀盘结泥饼监测方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，按照预设采样周期，采集盾构机上刀盘的实际转速以及驱动刀盘的各个电机的输出转矩，进而根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量，然后根据刀盘在各个采样周期内的转动惯量，确定刀盘转动惯量的变化趋势，最后根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。本发明实施例能够通过观察刀盘转动惯量的变化趋势，判断盾构机刀盘上是否凝结泥饼，无需依赖人工经验，且能够在刀盘结泥饼尚不严重的阶段，提前判断，及时采取处理措施。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中提供的一种盾构机刀盘结泥饼监测方法流程图；

图2为本发明实施例中提供的一种盾构机刀盘结泥饼监测系统示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种转动惯量观测原理图；

图4为本发明实施例中提供的一种盾构机刀盘结泥饼监测装置示意图；

图5为本发明实施例中提供的一种计算机设备示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例中提供了一种盾构机刀盘结泥饼监测方法，图1为本发明实施例中提供的一种盾构机刀盘结泥饼监测方法流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

S101，按照预设采样周期，采集盾构机上刀盘的实际转速以及驱动刀盘的各个电机的输出转矩；

S102，根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量；

S103，根据刀盘在各个采样周期内的转动惯量，确定刀盘转动惯量的变化趋势；

S104，根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。

在一个实施例中，在一个实施例中，上述S102可以通过如下步骤来实现：

将每个采集周期内各个电机的输出转矩经减速机构后的转矩值相加，再乘以减速比例，作为刀盘在每个采集周期内的驱动力矩；

根据刀盘在每个采集周期内的驱动力矩，使用模型参考自适应惯量辨识方法，辨识刀盘在各个采样周期内的转动惯量。

可选地，在本发明实施例中，模型参考自适应惯量辨识方法采用的模型如下：

参考模型为：

其中，

可调模型为：

转动惯量的自适应辨识规律为：

其中，

转动惯量为：

其中，ω(k)表示第k个采样周期实际的刀盘转动角速度；ω(k-1)表示第k-1个采样周期刀盘转动角速度；T_s表示采样周期；T_e表示刀盘的驱动力矩；T_d表示负载转矩；J表示刀盘的转动惯量；k表示采样周期的序号；

表示第k个采样周期观测的刀盘转动角速度；

表示观测系数

的积分项分量；

表示观测系数

的积分项分量；

表示第k个采样周期系数a的观测值；

表示观测系数

的比例项分量；

表示第k个采样周期系数b的观测值；

表示观测系数

的比例项分量；

表示第k-1个采样周期

的值；

表示第k-1个采样周期

的值；β和γ表示总自适应增益；

表示第k个采样周期刀盘实际转动角速度与观测转动角速度的差值；γ_I和β_I表示积分项自适应增益；γ_P和β_P表示比例项自适应增益；

表示观测的刀盘的转动惯量。

由上可知，本发明实施例中提供了一种基于负载和转动惯量判断刀盘结泥饼现象的在线观测方法，基本原理为泥饼凝结在刀盘上使得刀盘转动系的转动惯量变大。下面描述通过电机输出扭矩观测转动系惯量的算法：

基本旋转运动公式为：

其中，T_e表示刀盘的驱动力矩；T_f表示负载扭矩；J表示刀盘的转动惯量；ω表示刀盘转动角速度；t表示时间。

由于变频器采样和计算是一个数字离散化过程，因此需要将式(8)离散化，得到离散方程如下：

在具体实施时，可将采样周期设置为计算单元与电机变频器通信周期的整数倍。设计自适应模型为：

ω(k)＝ω(k-1)+aT_e(k-1)+b (10)

其中，

从而得到以先验输出表示的可调模型如上述公式(3)所示，式中“I”表示积分自适应规律；“P”代表比例自适应规律。

根据朗道离散时间参数递推机制A类算法，可得参数自适应规律如上述公式(3)所示。

本发明实施例中，将刀盘转动系看成一个整体，将驱动刀盘的多个电机输出扭矩经减速机构后的相加，再乘以减速比后，作为整体转动系的驱动力矩T_e。注意这里忽略了减速机构造成的刀盘驱动力矩误差，这是因为可以将减速机构看作刀盘与电机的刚性连接件，并且判断是否结泥饼是需要关注转动惯量的变化趋势，如转动惯量持续明显上升则表明泥饼逐渐凝结，惯量具体数值不需特别精确。

考虑到盾构负载扭矩的剧烈波动，为减小负载扭矩振动带来的影响，需要对观测方程中的状态变量进行卡尔曼滤波。选择中间值

为卡尔曼滤波的输入状态量，状态矩阵为[1]，输入矩阵为[1]，输出矩阵为观测算法中对转矩的采样周期，前馈矩阵为[2]，利用算法的采样周期除以滤波后的值即得到转动惯量观测结果。卡尔曼滤波的标准过程不再赘述。需要说明的是，[1]表示矩阵元素仅包含2的一个矩阵；[2]表示矩阵元素仅包含2的一个矩阵。

在硬件上除加装刀盘编码器外，还需要与计算单元高速通信。本发明实施例中采用的通信方式为EtherCat或Rs485等，用于计算单元与变频器板卡的通讯，读取电机输出扭矩。本发明实施例中的计算单元可由工控机或边缘计算节点担任。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种盾构机刀盘结泥饼监测系统，图2为本发明实施例中提供的一种盾构机刀盘结泥饼监测系统示意图，如图2所示，该系统包括：编码器21和计算单元22；

其中，编码器21，安装于盾构机上刀盘处，用于按照预设采样周期，采集刀盘的实际转速；计算单元22，与盾构机上驱动刀盘的各个电机的变频器通信，用于按照预设采样周期，采集驱动刀盘的各个电机的输出转矩，根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量，并根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。

需要说明的是，本发明实施例中的编码器21可以与盾构机上的刀盘同轴安装，也可以侧面安装，只要能够采集刀盘的转速即可，本发明对其安装方式不作具体限定。

在一个实施例中，本发明实施例中提供的盾构机刀盘结泥饼监测系统还可以包括：上位机23，与计算单元22通信，用于显示盾构机上刀盘结泥饼的情况。

进一步地，一个实施例中，本发明实施例中提供的盾构机刀盘结泥饼监测系统中，上位机23还用于根据盾构机上刀盘结泥饼的情况，输出预警信息。

图3为本发明实施例中提供的一种转动惯量观测原理图，如图3所示，在读取到各个电机变频器的输出扭矩并采集到刀盘的转速后，使用当前采样的速度值减去上一采样周期的速度值，将其发分别送给上述公式(2)所示的可调模型和公式(3)所示的自适应辨识规律，可调模型和自适应辨识规律使用上一周期计算得到的转速差值和转动惯量，分别得到观测的当前周期转速和转动惯量，然后使用当前时刻转速减去当前观测转速，将其发送给可调模型和自适应辨识率程序(即实现自适应辨识规律的程序)，形成闭环，更新内存。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种盾构机刀盘结泥饼监测装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与盾构机刀盘结泥饼监测方法相似，因此该装置的实施可以参见盾构机刀盘结泥饼监测方法的实施，重复之处不再赘述。

图4为本发明实施例中提供的一种盾构机刀盘结泥饼监测装置示意图，如图4所示，该装置包括：刀盘转速采集模块41、电机输出转矩采集模块42、刀盘转动惯量确定模块43、刀盘转动惯量观测模块44和刀盘结泥饼监测模块45。

其中，刀盘转速采集模块41，用于按照预设采样周期，采集盾构机上刀盘的实际转速；电机输出转矩采集模块42，用于按照预设采样周期，采集盾构机上驱动刀盘的各个电机的输出转矩；刀盘转动惯量确定模块43，用于根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量；刀盘转动惯量观测模块44，用于根据刀盘在各个采样周期内的转动惯量，确定刀盘转动惯量的变化趋势；刀盘结泥饼监测模块45，用于根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。

此处需要说明的是，上述刀盘转速采集模块41和电机输出转矩采集模块42对应于方法实施例中的S101；上述刀盘转动惯量确定模块43、刀盘转动惯量观测模块44和刀盘结泥饼监测模块45对应于方法实施例中的S102～S104，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述方法实施例所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为装置的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在一个实施例中，本发明实施例中提供的盾构机刀盘结泥饼监测装置中，上述刀盘转动惯量确定模块43还用于将每个采集周期内各个电机的输出转矩经减速机构后的转矩值相加，再乘以减速比例，作为刀盘在每个采集周期内的驱动力矩；以及根据刀盘在每个采集周期内的驱动力矩，使用模型参考自适应惯量辨识方法，辨识刀盘在各个采样周期内的转动惯量。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种计算机设备，用以解决现有技术依赖人工经验判断盾构机刀盘是否结泥饼的方法，存在人为误差且无法在结泥饼早期进行预先判断的技术问题，图5为本发明实施例中提供的一种计算机设备示意图，如图5所示，该计算机设备50包括存储器501、处理器502及存储在存储器501上并可在处理器502上运行的计算机程序，处理器502执行计算机程序时实现上述盾构机刀盘结泥饼监测方法。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，用以解决现有技术依赖人工经验判断盾构机刀盘是否结泥饼的方法，存在人为误差且无法在结泥饼早期进行预先判断的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述盾构机刀盘结泥饼监测方法的计算机程序。

综上所述，本发明实施例中提供的盾构机刀盘结泥饼监测方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，按照预设采样周期，采集盾构机上刀盘的实际转速以及驱动刀盘的各个电机的输出转矩，进而根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量，然后根据刀盘在各个采样周期内的转动惯量，确定刀盘转动惯量的变化趋势，最后根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。本发明实施例能够通过观察刀盘转动惯量的变化趋势，判断盾构机刀盘上是否凝结泥饼，无需依赖人工经验，且能够在刀盘结泥饼尚不严重的阶段，提前判断，及时采取处理措施。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构机刀盘结泥饼监测方法，其特征在于，包括：

按照预设采样周期，采集盾构机上刀盘的实际转速以及驱动所述刀盘的各个电机的输出转矩；

根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量；

根据刀盘在各个采样周期内的转动惯量，确定刀盘转动惯量的变化趋势；

根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量，包括：

将每个采集周期内各个电机的输出转矩经减速机构后的转矩值相加，再乘以减速比例，作为刀盘在每个采集周期内的驱动力矩；

根据刀盘在每个采集周期内的驱动力矩，使用模型参考自适应惯量辨识方法，辨识刀盘在各个采样周期内的转动惯量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述模型参考自适应惯量辨识方法采用的模型如下：

参考模型：

其中，

可调模型：

转动惯量的自适应辨识规律：

其中，

转动惯量为：

其中，ω(k)表示第k个采样周期实际的刀盘转动角速度；ω(k-1)表示第k-1个采样周期刀盘转动角速度；T_s表示采样周期；T_e表示刀盘的驱动力矩；T_d表示负载转矩；J表示刀盘的转动惯量；k表示采样周期的序号；

表示第k个采样周期观测的刀盘转动角速度；

表示观测系数

的积分项分量；

表示观测系数

的积分项分量；

表示第k个采样周期系数a的观测值；

表示观测系数

的比例项分量；

表示第k个采样周期系数b的观测值；

表示观测系数

的比例项分量；

表示第k-1个采样周期

的值；

表示第k-1个采样周期

的值；β和γ表示总自适应增益；

表示第k个采样周期刀盘实际转动角速度与观测转动角速度的差值；γ_I和β_I表示积分项自适应增益；γ_P和β_P表示比例项自适应增益；

表示观测的刀盘的转动惯量。

4.一种盾构机刀盘结泥饼监测系统，其特征在于，包括：编码器和计算单元；

其中，所述编码器，安装于盾构机上刀盘处，用于按照预设采样周期，采集刀盘的实际转速；

所述计算单元，与盾构机上驱动所述刀盘的各个电机的变频器通信，用于按照预设采样周期，采集驱动所述刀盘的各个电机的输出转矩，根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量，并根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

上位机，与所述计算单元通信，用于显示盾构机上刀盘结泥饼的情况。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述上位机还用于根据盾构机上刀盘结泥饼的情况，输出预警信息。

7.一种盾构机刀盘结泥饼监测装置，其特征在于，包括：

刀盘转速采集模块，用于按照预设采样周期，采集盾构机上刀盘的实际转速；

电机输出转矩采集模块，用于按照预设采样周期，采集盾构机上驱动所述刀盘的各个电机的输出转矩；

刀盘转动惯量确定模块，用于根据各个采样周期内刀盘的实际转速以及各个电机的输出转矩，确定刀盘在各个采样周期内的转动惯量；

刀盘转动惯量观测模块，用于根据刀盘在各个采样周期内的转动惯量，确定刀盘转动惯量的变化趋势；

刀盘结泥饼监测模块，用于根据刀盘转动惯量的变化趋势，确定盾构机上刀盘结泥饼的情况。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述刀盘转动惯量确定模块还用于将每个采集周期内各个电机的输出转矩经减速机构后的转矩值相加，再乘以减速比例，作为刀盘在每个采集周期内的驱动力矩；以及根据刀盘在每个采集周期内的驱动力矩，使用模型参考自适应惯量辨识方法，辨识刀盘在各个采样周期内的转动惯量。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3任一项所述盾构机刀盘结泥饼监测方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至3任一项所述盾构机刀盘结泥饼监测方法的计算机程序。

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