盾构掘进机掘进过程中姿态的智能控制系统研究

摘要

伴随着中国不断加快的城市化进程步伐,越来越多的城市开始利用盾构法修建各类隧道和市政管道,盾构掘进机在中国拥有广阔的市场。然而,由于盾构技术进入中国较晚,国内对于盾构掘进机的设计、制造、使用以及相关问题的研究总体上还处于较低水平,尤其是在盾构机的自动控制和信息网络化施工管理方面还有很多问题亟待研究和解决。其中,盾构掘进姿态的控制是保证工程进度和施工质量的关键,也是实现盾构掘进机自动化、智能化和信息化施工的基础。基于以上背景,本文对盾构掘进过程中姿态的智能控制系统进行了深入系统的研究,取得了一定的理论成果,尤其是对工程的应用和推广具有很高的实用价值。 本文主要的研究内容和成果如下： 1、盾构掘进姿态智能控制系统研究 首先对盾构掘进机掘进姿态智能控制系统进行总体设计,综合利用多种新技术、新方法构建了以模糊智能控制器为核心,集姿态自动测量,地质情况探测于一体的盾构掘进姿态智能控制系统,实现根据当前姿态和周围地质情况对盾构掘进姿态进行调整、控制。 研究、对比各种盾构姿态测量方法,分析各自的特点,提出将全站仪和陀螺仪两个独立的测量系统相结合,进行组合测量,设计了以全站仪测量为主、以陀螺仪测量为辅、以全站仪数据补偿陀螺仪数据的自动测量系统,实现对盾构掘进姿态的实时、准确测量。 创造性的将探地雷达应用于盾构前向探测,以获取盾构施工面前方的地质情况,通过对盾构机的改造及信号传输通道的设计,实现雷达在盾构刀盘上的安装及探测信号在控制室电脑上的实时显示,经分析处理,提取地质情况信息,并与地质钻孔法获得盾构隧道任一水平距离的土层分布情况相结合。 分析、研究盾构掘进机执行机构——液压推进系统的结构及功能,采用功率键合图方法建立推进系统的数学模型,分析其动态特性和控制特点,并对系统进行数值仿真研究。 2、盾构掘进姿态模糊控制器研究 对影响盾构姿态的各种因素及盾构的纠偏原则进行分析,研究盾构掘进过程中的受力状态,推导计算在一定的地质条件下盾构克服各种阻力向前掘进所需的预设推力。在深入分析盾构姿态人工控制过程的基础上,引入模糊控制理论,分析模糊控制器的工作原理,对盾构掘进姿态模糊控制器进行结构设计,确定控制器的输入输出变量,通过采用多个模糊控制器分级实现控制来简化结构,减少控制规则的数量。 对模糊控制器进行系统全面的设计,就输入输出变量的论域、量化因子和比例因子,模糊控制规则,模糊推理和判决方法,总控制量的结合方法等进行深入细致的研究。创建模糊控制查询表,设计模糊控制算法程序,实现对盾构掘进姿态的在线控制。 3、控制系统的仿真研究 对系统的仿真结构进行设计,根据盾构掘进时姿态的变化规律,分析其运动特性,并建立数学模型描述盾构姿态变化过程,模拟被控对象的运动。 分析采集的实际施工数据,确定仿真过程中的相关参数,利用Matlab对盾构掘进姿态控制系统进行数值仿真,验证系统的控制性能。通过改变参数,研究不同参数对系统性能的影响。 本文研究的盾构掘进姿态智能控制系统,是建立在姿态自动测量和地质情况信息基础上的全面的盾构姿态控制系统,主要创新处在于：利用全站仪和陀螺仪组合进行盾构姿态的自动测量,提高测量精度；首次将探地雷达应用于盾构前向探测,获取盾构施工面前方的地质情况信息；运用模糊智能控制方法对盾构掘进姿态进行自动控制。 本文的研究工作强调工程应用目的,紧密结合隧道施工实践,属于应用型研究课题,对提高盾构掘进机的自动化、智能化水平,改善施工质量具有借鉴和实用意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1概述

1.1.1课题来源

1.1.2课题的研究背景

1.1.3课题研究的意义

1.2文献综述

1.2.1盾构法隧道施工技术及盾构掘进机的发展历史与现状

1.2.2盾构掘进机测量导向系统研究现状

1.2.3地质情况探测和超前预报的研究现状

1.2.4盾构姿态自动控制研究现状

1.2.5盾构掘进机监控技术的研究现状

1.3本文的主要研究内容及创新点

第2章盾构掘进姿态智能控制系统设计

2.1盾构姿态自动测量系统

2.1.1盾构姿态的描述

2.1.2盾构姿态自动测量系统的构成

2.2地质情况获取系统

2.2.1盾构前向探测系统的设计与实现

2.2.2地质钻孔法获得盾构施工区域地质情况

2.3盾构姿态智能控制器

2.4盾构掘进机液压推进系统

2.4.1盾构掘进机液压推进系统结构

2.4.2液压推进系统掘进工况建模

2.4.3液压推进系统的状态方程

2.4.4液压推进系统的数值仿真

2.5本章小结

第3章盾构掘进过程中的受力分析

3.1盾构掘进姿态的影响因素及纠偏原则

3.2土力学理论基础

3.2.1土的抗剪强度理论

3.2.2朗肯土压力理论

3.3盾构掘进过程概述

3.4盾构掘进时的受力分析

3.4.1盾构外壳与地层摩擦阻力的计算

3.4.2盾构正面推进阻力的计算

3.4.3切削土壤阻力的计算

3.4.4其它阻力的计算

3.5本章小结

第4章盾构掘进姿态模糊控制器设计

4.1模糊控制器的工作原理与结构设计

4.1.1模糊控制器的组成

4.1.2模糊控制器结构的设计

4.2模糊控制器的设计

4.2.1输入变量的模糊化及输出变量的清晰化

4.2.2建立模糊控制规则

4.2.3模糊控制器的推理和判决

4.2.4模糊控制查询表的建立

4.2.5水平方向和竖直方向总控制量的计算

4.2.6盾构推进系统各分区设定压力的确定

4.3本章小结

第5章盾构掘进姿态控制系统仿真

5.1系统仿真的必要性

5.2控制系统仿真结构及参数的确定

5.2.1仿真结构的确定

5.2.2盾构掘进运动数学模型的建立

5.3计算机仿真实验

5.3.1工程实测数据及其分析

5.3.2相关参数的确定

5.3.3系统的数值仿真

5.3.4参数对系统性能的影响

5.4本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

附录部分程序代码

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果