基于模型预测控制的土压平衡盾构机掘进控制方法研究

发布时间：2020-06-15 22:32

【摘要】：盾构法施工日益成为隧道挖掘和地下工程建设的主流方法。在我国经济的快速发展和城市化不断推进的大背景下,盾构机的相关技术研究具有重要意义。掘进过程是盾构施工的重要环节,本文重点研究盾构机的掘进过程控制。在盾构的掘进过程中常遇到很多问题,例如密封舱土压预测不准、刀盘驱动轴扭矩分配不均引起的断轴事故、随机干扰引起的密封舱土压失稳。因此本文以刀盘切削岩石环节、密封舱土压平衡环节这两个掘进过程中的重要的环节为研究对象,研究解决掘进状态和非掘进状态下的密封舱土压预测问题、刀盘驱动系统驱动轴扭矩均衡控制问题、随机干扰下的密封舱土压控制问题,并取得了一定的成果,以期能够对研究盾构机的施工自动化控制有所助益。本学位论文的主要研究内容和创新点如下:1、基于多模型融合方法建立掘进状态下密封舱土压预测模型首先基于对盾构掘进数据集中的各个字段含义的分析,从中选择预测目标与输入特征,然后对数据进行预处理。基于预测目的与数据集特点,采用留一法交叉验证方法和均方误差(MSE)指标来评估预测效果。分别基于LASSO回归模型、SVR模型、RFR模型、GBRT模型建立密封舱土压预测模型,并基于平均法的模型融合方法将各预测模型的预测结果融合。最后基于RFR模型与GBRT模型输出的特征重要度,分析预测模型中各个输入特征与预测目标间的关系。2、基于粒子滤波方法建立非掘进状态下密封舱土压衰减模型首先从盾构施工数据中选取出非掘进状态下的密封舱土压衰减数据片段,并通过曲线拟合方法确定密封舱土压衰减模型的模型结构为指数模型。提出基于粒子滤波方法的密封舱土压衰减模型建模方法,即首先统计分析各段密封舱土压衰减数据,获得土压衰减模型参数的先验概率分布,在获得衰减过程中的密封舱土压数据后,基于粒子滤波方法更新对土压衰减模型的模型参数估计。通过预测实验结果验证了所提出方法的预测性能有效性。3、设计基于模型预测控制方法的刀盘驱动系统驱动轴扭矩均衡控制律基于盾构机掘进时刀盘系统主要单向旋转的特点,对包含齿隙非线性环节的刀盘驱动系统模型进行线性化,获得刀盘驱动系统状态空间模型。通过在状态向量中引入转动角加速度,建立刀盘驱动系统增广状态空间模型,并基于该模型设计了驱动轴扭矩的估计方法,同时设计了增广模型的状态观测器。基于模型预测控制方法,在控制目标中引入驱动轴扭矩均衡分配项,建立了刀盘驱动系统驱动轴扭矩均衡控制律。通过仿真实验表明,所提出的方法可以实现刀盘转速跟踪目标和驱动轴扭矩均衡分配目标。4、设计基于随机模型预测控制方法的密封舱土压控制律首先基于密封舱土压的机理模型建立密封舱土压控制的状态空间模型,并基于盾构机系统的物理背景给出输入输出的约束条件。考虑土压工作点和干扰建立基于工作点的状态空间模型,为了消除稳态控制误差在输入环节中增加积分项建立增广状态空间模型。考虑推进速度等干扰的随机统计特性,基于随机模型预测方法,建立密封舱土压控制律,并设计了扩张状态观测器估计干扰。通过仿真实验验证了提出的方法能够提升密封舱土压的控制效果。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U455.39
【图文】：

图２－１盾构机掘进过程主要系统［３５］逡逑

逦＾刀盘逦．密封舱逦刀盘驱动系统逡逑图２－１盾构机掘进过程主要系统［３５］逡逑输送机系统、皮带输送机、管片拼装机、同步注浆系统等等配套设备。从盾构机掘进原理逡逑可以知道，在土体的掘进过程中最为关键的系统主要包括刀盘驱动系统、盾构推进系统、逡逑螺旋输送机系统。掘进时，这些关键系统间存在着密切的联系和相互作用，共同影响着盾逡逑构掘进的施工质量和效率。逡逑为了保证盾构机安全地、稳定地掘进，刀盘需要以设定的转速稳定的工作。由于在切逡逑削土体的过程中刀盘承受的负载很大，需要将大负载在各个刀盘驱动子系统中均衡分配，逡逑８逡逑

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本文编号：2715096