CN113738389B - 多刀盘顶管机的防干涉控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多刀盘顶管机的防干涉控制方法及装置，方法包括：获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差；根据所述转动角度差，确定期望输出序列；根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。本发明可以防止多刀盘顶管机干涉，避免安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及隧道掘进技术领域，尤其涉及多刀盘顶管机的防干涉控制方法及装置。
背景技术
顶管机作为隧道掘进机的一种，在开挖面上布置了多个刀盘。在设计顶管时，尽量要提高开挖率，因此刀盘的开挖面经常重叠，如果为防止干涉需要采用刀盘前后布置，但该方式容易造成卡刀。同平面布置可以避免卡刀，在较硬地层和复杂地层适应性更好；同平面布置为了尽量提高开挖率，需要将刀盘条幅交错布置，即各刀盘的轨迹是有重叠的。然而刀盘轨迹重合在掘进中容易相互干涉甚至造成刀盘断裂，从而带来安全隐患。
因此，亟需一种可以克服上述问题的多刀盘顶管机的防干涉控制方案。
发明内容
本发明实施例提供一种多刀盘顶管机的防干涉控制方法，用以防止多刀盘顶管机干涉，避免安全隐患，该方法包括：
获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；
将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差；
根据所述转动角度差，确定期望输出序列；
根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。
本发明实施例提供一种多刀盘顶管机的防干涉控制装置，用以防止多刀盘顶管机干涉，避免安全隐患，该装置包括：
获得模块，用于获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；
预测模块，用于将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差；
序列确定模块，用于根据所述转动角度差，确定期望输出序列；
控制模块，用于根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。
本发明实施例还提供一种计算机设备，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，所述处理器执行所述多刀盘顶管机的防干涉控制方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述多刀盘顶管机的防干涉控制方法的计算机程序。
本发明实施例通过获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差；根据所述转动角度差，确定期望输出序列；根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。本发明实施例利用状态空间表达式模型进行刀盘间转动角度差预测，并利用优化准则方程进行控制增量优化，施加刀盘的速度补偿，从而保证刀盘不会干涉碰撞，避免安全隐患。
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为本发明实施例中多刀盘顶管机的防干涉控制方法示意图；
图2为本发明实施例中多刀盘轨迹示意图；
图3为本发明实施例中多刀盘顶管机的防干涉控制装置结构图；
图4是本发明实施例的计算机设备结构示意图。
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。
为了防止多刀盘顶管机干涉，避免安全隐患，本发明实施例提供一种多刀盘顶管机的防干涉控制方法，如图1所示，该方法可以包括：
步骤101、获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；
步骤102、将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差；
步骤103、根据所述转动角度差，确定期望输出序列；
步骤104、根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。
由图1所示可以得知，本发明实施例通过获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差；根据所述转动角度差，确定期望输出序列；根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。本发明实施例利用状态空间表达式模型进行刀盘间转动角度差预测，并利用优化准则方程进行控制增量优化，施加刀盘的速度补偿，从而保证刀盘不会干涉碰撞，避免安全隐患。
实施例中，获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差。
本实施例中，所述状态空间表达式模型包括控制矩阵，状态矩阵，输出矩阵和前馈矩阵，所述状态矩阵和前馈矩阵为零方阵，所述输出矩阵为单位对角矩阵；
将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差，包括：将将所述位置角和转动速度输入控制矩阵，得到角度差变化量；根据角度差变化量，状态矩阵，输出矩阵和前馈矩阵，预测刀盘间的转动角度差。
实施例中，根据所述转动角度差，确定期望输出序列；根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。
本实施例中，根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制，包括：
将所述转动角度差和期望输出序列输入优化准则方程，确定使得代价函数最小的控制增量；
根据所述控制增量，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。
本实施例中，所述优化准则方程为：
其中，J为代价函数，为第k个控制步内对未来第j步的转动角度差的预测值，w(k+j)为期望输出序列的未来第j步的预测值，λ(j)为第j步控制量权重，Δu为控制增量。这个公式表达的含义是：在第k个控制周期内，计算未来n步的预测输出值，分别与n步的期望输出值相减，再将差累加，在未来m步内(m≤n)每步施加控制增量Δu，也将其累加并与预测部分的累加结果相加。
下面给出一个具体实施例，说明本发明实施例中多刀盘顶管机的防干涉控制的具体应用。图2为本具体实施例中一种两层-八刀盘-四条幅-同平面转动布局和刀盘轨迹图。刀盘轨迹重合，在掘进中容易相互干涉甚至造成刀盘断裂，需要设计一种防干涉控制算法防止刀盘互相干涉。每个刀盘都需要加装一个绝对位置编码器，绝对位置编码器可测量旋转物体相对零参考线转动的绝对角度。选择一根辐条的延长线为转动参考线，以刀盘中心出发水平向右的射线为参考零起始线，这样可以获知每个刀盘相对零起始线的转动角度和每根条幅的位置角。控制相邻刀盘转动的角度差一定，因为单个刀盘上辐条间的夹角是相同的，角度差恒定设为两根辐条间夹角的一半，称为α角，每个刀盘有四根条幅则α为45度。防干涉控制算法的目的即为控制相邻刀盘转动的角度差保持在45度角附近。设计防干涉控制器来施加刀盘速度补偿信号来保证刀盘不会干涉碰撞，利用建立在计算机这样的数字离散系统中的线性系统预测算法进行控制，分为预测和控制量优化两大部分。首先要建立系统的模型即状态空间表达式模型(控制对象的动力学模型)。状态空间表达式模型按如下方式建立：假设共有p个刀盘，需要控制p加e个刀盘间的角度差，e的值由刀盘排列方式决定。比如八个刀盘，若排成一行则有7对干涉关系，e为7。若为图2中排成两行则有10对干涉关系，e为10。以图2的双层多刀盘布局为例，设相邻的第1、2号刀盘的速度的绝对值为V1、V2，实际相邻两刀盘转动方向相反；在刀盘启动前，需要读取当前刀盘位置角，作为角度差的初始值，两刀盘的转动角度差变化量以此类推得到一组角度差的方程组，其中，1/s为积分算子：
该方程组的导数即：
上述方程组的导数即为状态空间表达式模型的控制矩阵，系统的状态矩阵A为一个维度为10的零方阵，系统的控制矩阵B为一个维度为10×8的矩阵，系统的观测矩阵C为一个维度为10的单位对角矩阵，系统的前馈矩阵为一个维度为10的零矩阵。模型预测算法利用以上控制矩阵建立的系统模型，求解出编号为i#刀盘的预设速度但并不是控制器的输出控制量。假设i为4，则需要控制的角度差Δ3的控制器的输出是减去的差值将分别发送给第3#刀盘和4#刀盘的速度控制器作为速度补偿；速度补偿的具体方式为：假设设置的第4#刀盘比第i号转动角度领先一个α，若时，将负反馈给3#刀盘控制器，4#刀盘得到的反馈为0；若时，将正反馈给4#刀盘控制器，3#刀盘得到的反馈为0；这样设置是为了刀盘间的角度差是通过相对减速实现的，目的是防止刀盘在遇到阻碍甚至卡刀时不会仍得到加速指令，造成电机过热烧毁或主驱动断裂。系统的控制矩阵，状态矩阵，输出矩阵和前馈矩阵共同构成了系统的状态空间表达式，即系统的动力学模型。将此模型带入模型预测控制过程，对未来n步输出进行预测，在预测部分设置控制周期T，T为计算机采样时间的整数倍，一个周期称为一步，根据模型的阶跃响应模型和设定的预测步长n预测未来n步内系统的角度差输出值y(k+j)，预测值带入优化过程，计算控制增量的Δu(1)、Δu(2)…Δu(m)来使得代价函数J最小,而后在该控制步内只实施第一步控制增量Δu(1)，其余控制增量舍弃，到在下一个控制步后再进行输出未来n步预测曲线预测和m步控制增量计算并只实施第一步控制增量，周而复始。
预测计算利用前述的系统模型(A,B,C,D),y(k+j)组成的列向量为由y0(k+1),y0(k+2)...y0(k+j)...y0(k+n)组成，y0(k+j)为之前所有时刻预测的未来n步输出中第j步控制量的累加即：
这里最重要的步骤为控制增量优化过程，优化准则方程为：
其中，J为代价函数，为第k个控制步内对未来第j步的转动角度差的预测值，w(k+j)为期望输出序列的未来第j步的预测值，λ(j)为第j步控制量权重，Δu为控制增量，含m个未来控制量[Δu1,Δu2,…Δum]的序列为ΔU。优化的目标是找出m步控制增量使得在这n步内代价函数J最小，但只输出第一步控制增量，其余舍弃。期望输出序列是对参考输入值的平滑逼近曲线，一般取：w(k+j)＝αjy(k)+(1-αj)yr，其中，α为柔化系数，0<α<1,y(k)为系统系统实际输出值，yr是参考输入，这里恒定为α。求序列
ΔU＝(ATA+λI)-1AT(W-Y0)
在未来的m步控制中，为了实施闭环控制，仅将ΔU的第一个量实施，即：
Δu(k)＝CT(ATA+λI)-1AT(W-Y0)
其中CT＝[1 0…0]；
Δu(k)积分进而得到具体实施时，需要根据调试效果，调整预测步长n，控制步长m，控制量权重λ和柔化系数α。
为了引入绝对位置编码器的测量值，形成闭环控制，在实施控制Δu后的(k+1)时刻，需要将(k+1)时刻测量得到的实际角度差值y(k+1)引入反馈。
设上一时刻在(k+1)时刻的预测误差为
对k时刻的预测y进行修正得到
hj为k时刻预测的第(k+j)步预测的校正系数。
在第(k+j)时刻的预测初值即为以上闭环模型预测算法的过程可参见其标准流程。
本发明实施例中，给刀盘加装绝对位置编码器，可同轴安装也可侧面安装，起始零线均为水平向右的射线，相邻刀盘的转向必须相反。建立工控机与PLC间的数据通路，建立变频器板卡与PLC之间的数据通路。读取刀盘转速和编码器的值，发送给工控机。工控机计算后发送给变频器。现场调试参数。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种多刀盘顶管机的防干涉控制装置，如下面的实施例所述。由于这些解决问题的原理与多刀盘顶管机的防干涉控制方法相似，因此装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
图3为本发明实施例中多刀盘顶管机的防干涉控制装置的结构图，如图3所示，该装置包括：
获得模块301，用于获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；
预测模块302，用于将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差；
序列确定模块303，用于根据所述转动角度差，确定期望输出序列；
控制模块304，用于根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。
一个实施例中，所述状态空间表达式模型包括控制矩阵，状态矩阵，输出矩阵和前馈矩阵，所述状态矩阵和前馈矩阵为零方阵，所述输出矩阵为单位对角矩阵；
控制模块304进一步用于：将将所述位置角和转动速度输入控制矩阵，得到角度差变化量；根据角度差变化量，状态矩阵，输出矩阵和前馈矩阵，预测刀盘间的转动角度差。
一个实施例中，控制模块304进一步用于：
将所述转动角度差和期望输出序列输入优化准则方程，确定使得代价函数最小的控制增量；
根据所述控制增量，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。
一个实施例中，所述优化准则方程为：
其中，J为代价函数，为第k个控制步内对未来第j步的转动角度差的预测值，w(k+j)为期望输出序列的未来第j步的预测值，λ(j)为第j步控制量权重，Δu为控制增量。
综上所述，本发明实施例通过获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差；根据所述转动角度差，确定期望输出序列；根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。本发明实施例利用状态空间表达式模型进行刀盘间转动角度差预测，并利用优化准则方程进行控制增量优化，施加刀盘的速度补偿，从而保证刀盘不会干涉碰撞，避免安全隐患。
基于前述发明构思，如图4所示，本发明还提出了一种计算机设备400，包括存储器410、处理器420及存储在存储器410上并可在处理器420上运行的计算机程序430，所述处理器420执行所述计算机程序430时实现前述多刀盘顶管机的防干涉控制方法。
基于前述发明构思，本发明提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述多刀盘顶管机的防干涉控制方法。
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。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种多刀盘顶管机的防干涉控制方法，其特征在于，包括：
获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；
将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差；
根据所述转动角度差，确定期望输出序列；
根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制；
所述状态空间表达式模型包括控制矩阵，状态矩阵，输出矩阵和前馈矩阵，所述状态矩阵和前馈矩阵为零方阵，所述输出矩阵为单位对角矩阵；
将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差，包括：将所述位置角和转动速度输入控制矩阵，得到角度差变化量；根据角度差变化量，状态矩阵，输出矩阵和前馈矩阵，预测刀盘间的转动角度差；
根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制，包括：
将所述转动角度差和期望输出序列输入优化准则方程，利用优化准则方程进行控制增量优化，施加刀盘的速度补偿，确定使得代价函数最小的控制增量；
根据所述控制增量，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。
2.如权利要求1所述的多刀盘顶管机的防干涉控制方法，其特征在于，所述优化准则方程为：
其中，J为代价函数，为第k个控制步内对未来第j步的转动角度差的预测值，w(k+j)为期望输出序列的未来第j步的预测值，λ(j)为第j步控制量权重，Δu为控制增量。
3.一种多刀盘顶管机的防干涉控制装置，其特征在于，包括：
获得模块，用于获得多刀盘顶管机中各刀盘的位置角和转动速度；
预测模块，用于将所述位置角和转动速度输入状态空间表达式模型，预测刀盘间的转动角度差；
序列确定模块，用于根据所述转动角度差，确定期望输出序列；
控制模块，用于根据转动角度差，期望输出序列和优化准则方程，进行多刀盘顶管机的防干涉控制；
所述状态空间表达式模型包括控制矩阵，状态矩阵，输出矩阵和前馈矩阵，所述状态矩阵和前馈矩阵为零方阵，所述输出矩阵为单位对角矩阵；
控制模块进一步用于：将所述位置角和转动速度输入控制矩阵，得到角度差变化量；根据角度差变化量，状态矩阵，输出矩阵和前馈矩阵，预测刀盘间的转动角度差；
控制模块进一步用于：
将所述转动角度差和期望输出序列输入优化准则方程，利用优化准则方程进行控制增量优化，施加刀盘的速度补偿，确定使得代价函数最小的控制增量；
根据所述控制增量，进行多刀盘顶管机的防干涉控制。
4.如权利要求3所述的多刀盘顶管机的防干涉控制装置，其特征在于，所述优化准则方程为：
其中，J为代价函数，为第k个控制步内对未来第j步的转动角度差的预测值，w(k+j)为期望输出序列的未来第j步的预测值，λ(j)为第j步控制量权重，Δu为控制增量。
5.一种计算机设备，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2任一所述方法。
6.一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计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至2任一所述方法。
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2021
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